基于CAD技术在虚拟轴数控机床应用研究

务1 訇 似 基于C A D技术在虚拟轴数控机床应用研究 Resear ch on t he vi r t ual a xi s NC m achi ne t ool ba sed on CAD t echnol ogy 唐健 T ANG J i a n 重庆工业职业技术学院 重庆 4 0 1 1 0 0 摘要 虚拟轴机床改变了传统的机械制造技术受到国内外的普通关注 文童阐述了虚拟轴机床的现 状 结构及其特点 C A D 技术对机械行业所发挥的作用 利用A D AMS 软件建立并联机床的运 动学和动力学仿真模型 并且对运动学模型的正解问题分析和力的分析 测出机床的输入 输出的关系呈非线性 关键词 数控机床 虚拟轴 C AD 技术 中国分类号 T P 3 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 0 9 上 一 0 1 1 5 一O 3 Do i 1 0 8 9 6 9 i s s n 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 9 E 3 8 0 引言 随着传统机床技 术的发展 其技 术已经 日益 成熟 加入 了数控技术后机床 的加工精度 自动 化程 度 加工范围等都很大 改善 但是机 床的结 构还是将床身 立柱 主轴箱 等串联形成 其 控 制比较简单 存在一些缺陷 受力或热变形不均 机床造价高 笨重 搬运困难 机床的模块化程 度受限 系统也变得不可靠 到 了 9 0年代 出现 了一种结合机器人技术和机床结构技 术的新结构 机床称为虚拟轴机床 又 叫并联机床 它是机床 行业的重大变革 虚拟轴机床是结合了机械制造 数控技术 空间机构学 C AD技 术和计算机等 的 高科技 文章从虚拟轴机床的特性 出发结合 C AD 技 术 选择 了较先进的 A DA MS软件进行建模和 运动学分析等 1 虚拟轴数控机床 虚拟轴机床在我国已经被列入 九五 科技攻 关和高课 题发展规划 国家 自然科学基金对其技 术基础理 论的研 究也给予资助 随着计算机的处 理能力加快 今后硬 件的复杂性在 向着软件方面 迁移 结构简单但却智能高 效的机 电产 品正在走 向市场 虚拟轴机床在这样的大环境下发展 我 们有理 由相信今 后必将有广阔的应用范围 成为 某些领域里传统机床 的重要补充 虚拟轴机床结 构如图 1 所示 它克服 了串联机床刀具 自由度小 设备加工不灵活等缺点 具有以下六个特点 1 结构简单 虚拟轴机床采用并联闭环静定 或者非静定杆系 构造机械 零部件数 目较 串联构 造平 台大幅减少 主要 由滚珠丝杠 电主轴 伺 服 电机等通用机 电一体化部件组成 遇到复杂的 曲面 进行加工 时 只要控制六杆长 度就能 完成 因此其结构大大简化了 2 刚性高 虚拟轴机床是封闭性结构 因此 具有高 刚性和高速化 它的负荷流线短 六 只连 杆能承受负荷分解 的拉 压力 当固定外力 应 力和变形最大 两端插入其 次 两端简支撑 然 后是二 力结构 受张力 的二力结构其变 形最小 因此它的刚度重量比比传统机床高 3 加工速度高 如果改变受力方向 两力构 件就是最节省的结构 移动件最小重量而且有六 个致动器对它们 驱动 机床高速化容 易实现 并 且 惯性 低 4 精度高 机 床采用多轴并联机构 六个可 伸缩杆对 刀具都可以独立控制机床位置 热对称 1 工作 台 2 刀具 3 主轴 4 框 架 5 杆 6 关节 7 电机 图l 虚拟轴数 控机 床结构 收稿日期 2 0 1 2 0 6 2 6 作者简介 唐健 1 9 6 2 男 本科 主要从事数控技术 C AD C A M C AE 及微控技术研究与应用工作 第3 4 卷第9 期2 0 1 2 9 上 1 1 5 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 訇 化 性结构 变形较小 5 灵活性强 机床设计灵活 既能做成通 用 型又能开发成专用机床 实现加工过程磨削 铣 削 镗削等 使机床的多功能得以实现 6 使用寿命长 机床结构十分合理 各种 部 件之 间的磨损 比较小 不会有铁 屑等磨损 划 伤 导轨的内部 2 G A D 技术 2 1 C AD 概述 C A D 计算机辅助设计 是一种在数控加工 生产过程 中的辅助工具 它能够将大容量和处 理 数据的能力 计算机精确 高速 的运算能力 丰 富 多彩的文字 图形处理 和设计者 的综合分析 创造性 逻辑判断能力这些都有机 结合 形 成一 个设计理念和计算机 紧密结合的系统 加快系统 设计的进程 C A D技术全面 根本的变革 了传统机械制造 业 发生了质的飞跃 受到全球范 围的重视和关 注 我国的机械行业要想得到快速发展 也必须 要适应和发展 C AD技术 要努 力提高 C A D技术 的应用水平 高度重视该技术的应用和推 广 加 大投入力度 使 C AD技术迈上一个新台阶 要开 发 自主的 C A D软件 加大创新 对于引入国外优 秀的 C A D软件还要对其进行二次开发 要适合中 国国情针对机械制造业 开发 出有竞争力 有特 色的 C A D产品 C AD是综合多门学科的新技术 包括模型设计 绘制图形 工程 分析等部分 还 包括软件设计和文档处理等 可见 平常我们说 的计算机绘图只是 C AD技术的一个部分 C A D的机械支撑软件 目前也很多 包括 1 图 形资源软件 是图形标准或者规范的软件包 负责 供给程序 图形程序 包或者函数库 2 二维 三维 绘图软件 负责零件的详细设计 可以分为两种方 式交互式和程序调用 交互式是 目前的主要形式 国内用得最多的是 Au t o C A D 3 几何造型 解决 零件的结构设计 存储三维等相关信息 4 工程 分析和计算软件 计算和优化方法库 机构分析和 综合软件 系统分析软件等 2 2 AD AMS 分析 AD AMS强大 的运 动学 动 力学分 析功 能 使 其在工程领域备受青睐 虚拟轴机床运动的复杂性 正好适合用 A DA MS强大的功能对其分析 并且获 1 1 6 1 第3 4 卷第9 期2 0 3 2 一 g 上 得可视化结果也很快捷 A DA MS是实体建模技术 并且加入特征造型和变量技术 A D AMS对于简单 零件 的建模很轻松 复杂零件就需 要借助 UG等 软件建模 再将模型放入 A DA MS中做仿真分析 AD AMS提供许多模型参数化和分析的方法 自动 仿真和分析 得到可视化结果 提高分析效率 A DAMS软件创建 的完全参数化 的机械 几何 模型 采 用动 力学 中的拉 格 朗 日方程 作 为求 解 器 建立方程 对虚拟轴机床做 出运动学 动力 学分析 并且输 出速 度 位 移 加 速度 等 曲线 AD AMS的仿真 主要用来预测机械性 能 运动 范 围 峰值载荷等 3 虚拟轴机床建模和分析 3 1建立模型 为虚拟轴机床建立运动学和动力学两个模型 运动学模型机床的原理机构 比真实的机床大大的 简化 运动 学模型 如图 2所 示 结构非 常简单 仅仅表示了球铰 虎克铰等都采用 A DA MS的理 想约束模型 分析机床的理想机构的运动学原理 而机床 的动 力学模型分为机床的外形 包括机床 的整体形 状 床身和立柱等固定件 运动部分如 图 3所示包含球铰 虎克铰和驱动轴 屏 蔽不影 响机床运动的组件 对于运动组件各 自独立建模 虎克铰 的组成为轴线垂直的两个 转动副 外环相 对地 面进行转动 内环相对外环 沿轴转动 球铰 的组成稍复杂为相互垂直三个轴线的转动副 法 兰盘是和动平 台固连 它们和球铰座 间有一个转 动副 球铰座和球铰轴 间为第二个转动副 与套 筒之间有第三个转动副 驱动轴 和套筒 的细腿相 固连 这和运动学模型不同 更接近于真实机床 图2 电机运动学模型图 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 务l 匐 似 A 图3 动力学模型的运动 部分模型 3 2 运动学分析 对 机床 模 型 的运动 学 正 解进 行分 析 输 入 机 床各 个腿 由终 端计 算输 出 的运动 规 律 利 用 A DAMS计 算 速 度 输 出位 姿 各 坐 标 轴 分 量 都 十 分 方 便 假 设 给 定 各条 腿 长 的运 动 规 律 S 1 5 0 s i n t s 3 l 1 0 s i n t s 2 8 0 t s 4 9 0 t s 5 1 2 0 t s 6 8 5 t 表示 第 i 条的腿长 单位 I T I 1 T I t 表示 时间 腿 1 腿 3运动为正弦 腿 2 4 5 6是匀速运动 计算终端的速度和运动轨迹 我们经过在运动学模型上对机床的仿真测试 得到终端 A点的空间轴分量曲线 图 4 以及终 端 A点的速度 曲线 图 4 和 A点速度 曲线 Y轴 分量 图 5 图 4曲线 中的尖峰 和低谷 以及速度 突变的地方都 是值得重点研究和特别注意 的 有 可能是力和加速度会大 图4 终端A点的速度曲线 图5 A点速度 曲线Y 轴分量 虚拟轴数控机床 的运动 学正解 问题可能是多 解 但是 当确定初始值和腿长连续变化轨迹给定 的情况下 终端的构形变化是唯一的 4 结论 本文阐述了虚拟轴机床这种将机器人和数控 技术结合的机床的特点和介绍了C AD技术的发展 选择 了较好的 ADA MS软件进行仿真建模和运动 分析 A DAMS强大的机构分析功能可以比较全面 地分析虚拟 轴机床 的运动学性能 以及动力学性 能 在运动学分析 中给定腿 长的运动规律得到了 正解的终端运动规律 利用动 力学模型对虚拟轴 机床的受力情况也 同时做 了分析 从实验数据可 见 并联机床 的输入 输 出是非线性关 系 并联 机床和传统 的串联机床是互补关系 我 国还需要 提高和加大对虚拟轴机床的研究 并应用到实际 增强控制和决 策 优化制造过程 是机械制造 的 未来发展方 向 具有重大而深远的意义和价值 参考文献 1 方新 机械 C AD C A M M 北京 高教 出版社 2 0 0 3 2 汪劲松 朱煜 张华 并联机床虚拟产 品设计 系统及基本 框架研究 J J 计算机 集成制造 系统 2 0 0 1 3 杨建新 郁鼎文 王立平 等 并联机床研究现状与展望 J 机械设计 与制造工程 2 0 0 2 4 陈云 马 登哲 计算机辅助设计与数控加工 集成 系统 J J 机 械设 计与研 究 1 9 9 4 5 1 I n n o c e n t i C P a r e n t i Ca s t e l l i V S i n g u l a r i t y F r e e Ev o l u t i o n Fr o m On e Co nfig