基于ADAMS的機床高速主軸虛擬設(shè)計系統(tǒng)研究*

尹 洋 殷國富

(①西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，四川成都610039;②四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065)

隨著精密、超精密加工技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外數(shù)控機床設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展趨勢是建立數(shù)字化虛擬設(shè)計環(huán)境，將三維CAD、虛擬產(chǎn)品建模、數(shù)學(xué)優(yōu)化設(shè)計方法、可視化有限元分析相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計結(jié)合起來，構(gòu)建一種快速設(shè)計的數(shù)字化環(huán)境平臺。數(shù)字化設(shè)計技術(shù)是基于產(chǎn)品描述的數(shù)字化平臺，建立基于計算機的數(shù)字化產(chǎn)品模型，并在產(chǎn)品開發(fā)全過程中采用，達到減少或避免使用實體模型的一種產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)。因此開發(fā)高速主軸數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)成為許多機床廠的迫切需要。

本文以機床高速主軸系統(tǒng)的共性為出發(fā)點，開展較為系統(tǒng)的、全面的虛擬設(shè)計，進行了基于ADAMS動態(tài)仿真研究，在此基礎(chǔ)上建立起適應(yīng)企業(yè)需要的機床產(chǎn)品與功能部件開發(fā)應(yīng)用虛擬設(shè)計技術(shù)的一種技術(shù)信息平臺，促進企業(yè)對高速主軸系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)建與主要功能模塊

該系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計思想，開發(fā)了高速主軸計算校核模塊、三維實體模型生成模塊、虛擬裝配模塊、有限元分析模塊、優(yōu)化設(shè)計模塊和三維仿真模塊，模塊之間相互關(guān)系如圖1所示。首先用戶通過用戶界面進入高速主軸計算校核模塊進行交互性設(shè)計，完成后進入三維實體模型生成模塊，生成主軸及主軸尺寸可變零件的三維圖形，然后進入虛擬裝配模塊，再調(diào)入主軸組件尺寸不變零件三維圖形進行虛擬裝配，并檢查是否干涉。再由高速主軸計算校核模塊進入有限元分析模塊，進行主軸組件的靜、動態(tài)特性分析，接著進行優(yōu)化設(shè)計，最后將有限元分析模塊中生成的主軸柔性體(MNF文件)導(dǎo)入ADAMS中，自動建模并仿真。此過程是一個反復(fù)的過程，直到最后滿足用戶需要。

1.1 高速主軸設(shè)計計算模塊

高速主軸計算校核部分是該系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心。主軸數(shù)字化設(shè)計主要計算校核都是在該模塊中完成的，該模塊生成的數(shù)據(jù)存入該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，以備其它模塊調(diào)用。

其程序設(shè)計流程圖如圖2所示。其中主軸最小軸直徑d可由電動機功率或切削三要素確定。對于空心軸，d孔/d一般取值為0.5 ～0.7。

1.2 零件三維實體生成和虛擬裝配模塊

以SolidEdge三維軟件為平臺，通過二次開發(fā)調(diào)用高速主軸計算校核模塊生成的主軸零部件數(shù)據(jù)，生成三維實體圖形，再調(diào)用已經(jīng)建成的主軸組件中的尺寸不變零件庫中的零件進行虛擬裝配，并檢查是否發(fā)生干涉。具體流程如圖3所示。

啟動裝配應(yīng)用環(huán)境語句如下:

Dim objApp as SolidEdgeFramework.Application

Dim objDoc as SolidEdgeEdgeAssembly.AssemblyDocument

On Error Resume Next

Set objApp=GetObject(，＂SolidEdge.Application＂)

If Err Then

Err.Clear

Set objApp=CreateObject(＂SolidEdge.Application＂)

Set objDoc=objApp.Documents.Add(＂SolidEdge.Assembly Document＂)

objApp.Visible=True

Else

Set objDoc=objApp.ActiveDocument

End if

Call objApp.Activate

End Sub

其中加入零件用下面語句:加入第一個零件

Set objfirstpart=objdoc.Occurrences.AddByFilename(file1)

加入第二個零件

Set objsecondpart=objdoc.Occurrences.AddByFilename(file2)

裝配對象關(guān)系集合包括六種關(guān)系:

AngularRelation3d，AxialRelation3d，GroundRelation3d，PlanarRelation3d，PointRelation3d，TangentRelation3d.

基于當前各國的碳減排政策推算,截至21世紀末,全球氣溫相對工業(yè)前水平或?qū)⑸?.5 ℃,在此情況下,海洋熱浪出現(xiàn)的平均概率將達到工業(yè)前水平的41倍。平均而言,熱浪的空間幅度將增加21倍,持續(xù)時間將達112 d,最大強度將增至2.5 ℃。不過,研究人員仍指出,如果21世紀末的全球升溫能控制在1.5 ℃或2 ℃以內(nèi),這些增幅會相應(yīng)減少——在升溫為1.5 ℃的情景下,海洋熱浪的出現(xiàn)概率僅為3.5 ℃情景下的40%。

2 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 二次開發(fā)技術(shù)方法研究

為了進行系統(tǒng)集成，要對 SolidEdge、ANSYS、ADAMS分別進行二次開發(fā)。

對SolidEdge二次開發(fā)使用的語言是VB，Solid-Edge的開發(fā)接口是通過ActiveX Automation方式來支持通用開發(fā)工具。Automation技術(shù)提供了一個從應(yīng)用程序外部控制應(yīng)用程序?qū)ο蟮木幊探缑妫渲袘?yīng)用程序暴露出的對象稱為自動化對象，外部程序通過使用這些對象的屬性、方法，就可以達到控制該應(yīng)用程序的目的。

用戶應(yīng)用程序和SolidEdge以Client/Server方式工作，其關(guān)系如圖4所示。

利用VB來實現(xiàn)ActiveX Automation開發(fā)的關(guān)鍵是創(chuàng)建SolidEdge.Application對象的指針，進行創(chuàng)建SolidEdge的文檔模板對象，以實現(xiàn)對Solid Edge中其它對象的訪問，完成與SolidEdge的通訊。

在VB中創(chuàng)建SolidEdge對象，需要引用以下SolidEdge Object Library。還需引用SolidEdge Support Library，SolidEdge Constants Type Library，SolidEdge Framework Support Library，SolidEdge Geometry ＆ Topology Type Library，SolidEdge Part Type Library，SolidEdge Assembly Type Library等類型庫。

CAE部分使用的軟件是ANSYS，而對其進行二次開發(fā)使用的語言是APDL。利用前面CAD所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，使用 APDL語言生成幾個所需要的宏文件(如JINGTAIFENXI.MAC，MOTAIFENXI.MAC，XIEXIANGYINGFENXI.MAC等)。然后對在ANSYS某系統(tǒng)文件中加入以下代碼:

/presearch，d:項目ANSYS

*ABBR，MOTAIFENXI，MOTAIFENXI

*ABBR，XIEXIANGYINGFENXI，XIEXIANGYINGFENXI

*ABBR，YOUHUASHEJI，YOUHUASHEJI

再次通過軟件來打開 ANSYS時，“JINGTAIFENX”、 “ MOTAIFENXI”、 “ XIEXIANGYINGFENXI”、“YOUHUASHEJI”這幾個按鈕就會出現(xiàn)在ANSYS界面上，而且會被“固化”，同時這幾個按鈕分別對應(yīng)軟件前面部分所生成的宏文件。圖5為在ANSYS中開發(fā)的界面。這樣有限元分析實現(xiàn)了與設(shè)計部分的連接和集成。

要進行主軸的有限元靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析以及優(yōu)化設(shè)計等工作，即分別單擊 JINGTAIFENXI、MOTAIFEIXI、XIEXIANGYINGFENXI 以及SHENGCHENGMNF等幾個按鈕，以完成相應(yīng)功能。

2.2 基于ADAMS軟件系統(tǒng)的三維運動仿真

動態(tài)仿真技術(shù)使用的軟件是ADAMS。ADAMS一方面是虛擬樣機分析應(yīng)用軟件，用戶運用該軟件可非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)和動力學(xué)分析;另一方面，又是虛擬樣機分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。

(1)建模

通過有限元分析模塊得到的主軸(MNF文件)導(dǎo)入到ADAMS里形成主軸柔性體。為了仿真的真實可靠，自建一個質(zhì)量很小(即固有頻率很高)的柔性桿，一端固定，另一端與軸的前界面點相連，連接處施加旋轉(zhuǎn)約束(軸繞桿轉(zhuǎn))，這樣可以保證柔性軸整體在施加軸承約束前可以在空間任意方向運動。將前、后軸承簡化為內(nèi)圈、外圈和彈簧。根據(jù)主軸旋轉(zhuǎn)的實際情況并結(jié)合ADAMS軟件的特性，將軸承內(nèi)圈與軸固定連接，外圈與地面連接，并對外圈施加旋轉(zhuǎn)約束。由于實際使用軸承一般都是角接觸球軸承，所以在軸軸向(Z向)加一個彈簧。為了測得銑刀端面的變形，軸的前端固定連接一個啞物體(質(zhì)量為0)，啞物體的長度與銑刀端面距軸端面距離相等。仿真分析模型見圖6。

(2)仿真

前支承處彈簧剛度值設(shè)為2.0×107，阻尼80，預(yù)緊力500 N，后支承處彈簧)剛度設(shè)為1×107，阻尼80，預(yù)緊力0 N，軸向彈簧剛度值設(shè)為1.0×106，阻尼80，預(yù)緊力300 N。在軸前端施加力167 N，在桿與軸連接處施加Rotational Joint Motion，其值為48000(其單位是(°)/s，換算成 r/min是8000 r/min，其它單位都是標準單位)。圖7～10分別為得到的仿真圖。

圖7為靠近主軸端面處仿真的徑向跳動，圖8為軸向跳動仿真圖，圖9為距主軸端面300 mm處徑向跳動仿真圖，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。圖10為主軸轉(zhuǎn)速圖，表明了主軸可以在48000°/s，即8000 r/min高速下穩(wěn)定運行。

表1 仿真數(shù)據(jù) mm

3 系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)主要使用Delphi進行編程開發(fā)，通過VB針對SolidEdge進行二次開發(fā)，利用Ansys軟件進行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計，同時在ADAMS平臺上對主軸進行動態(tài)仿真分析，使用Access數(shù)據(jù)庫對該系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳遞及管理。系統(tǒng)能進行兩種型號高速主軸設(shè)計計算、優(yōu)化與動態(tài)仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

通過計算與選擇初步確定主軸結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過軸承選擇、鍵選擇及各種校核后可生成得到主軸的二維圖和三維圖。圖11是設(shè)計計算界面，圖12是設(shè)計生成的主軸三維圖。

4 結(jié)語

本文完成了基于SolidEdge的3D建模、ANSYS的有限元分析和ADAMS的虛擬仿真工作，開發(fā)了高速主軸系統(tǒng)性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算程序和SolidEdge的二次開發(fā)工作。在本項目的研究工作中，SolidEdge的二次開發(fā)與ADAMS的虛擬仿真均是首次開展的工作，為公司進一步開展其它產(chǎn)品和關(guān)鍵零部件的集成設(shè)計分析提供了可行的技術(shù)方案，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。建立了應(yīng)用于加工中心的高速主軸系統(tǒng)虛擬產(chǎn)品數(shù)字化信息模型和數(shù)字化設(shè)計平臺，能實現(xiàn)項目所要求的主要功能，經(jīng)過制造實例驗證，達到了預(yù)期目標。

1 S.Smith，J.Tlusty.Current trends in high-speedmachining.Journal of Manufacturing Science and Engineering，Transaction of the ASME，1997，119(11):664-666

2 王新玉.數(shù)字化設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

3 徐燕申，徐千理，侯亮.基于CBR的機械產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法的研究［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2002，21(5)

4 張明華，劉強，袁松梅.主軸單元參數(shù)化建模、分析與優(yōu)化設(shè)計［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2008，27(2)

5 王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術(shù)及其在ADAMS上的實踐［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.