基于CAD技術(shù)在虛擬軸數(shù)控機(jī)床應(yīng)用研究

唐 健

（重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401100）

0 引言

隨著傳統(tǒng)機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)日益成熟，加入了數(shù)控技術(shù)后機(jī)床的加工精度、自動(dòng)化程度、加工范圍等都很大改善。但是機(jī)床的結(jié)構(gòu)還是將床身、立柱、主軸箱等串聯(lián)形成，其控制比較簡(jiǎn)單。存在一些缺陷：受力或熱變形不均；機(jī)床造價(jià)高、笨重、搬運(yùn)困難；機(jī)床的模塊化程度受限，系統(tǒng)也變得不可靠。到了90年代，出現(xiàn)了一種結(jié)合機(jī)器人技術(shù)和機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)的新結(jié)構(gòu)機(jī)床稱為虛擬軸機(jī)床，又叫并聯(lián)機(jī)床，它是機(jī)床行業(yè)的重大變革。虛擬軸機(jī)床是結(jié)合了機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)、空間機(jī)構(gòu)學(xué)、CAD技術(shù)和計(jì)算機(jī)等的高科技。文章從虛擬軸機(jī)床的特性出發(fā)結(jié)合CAD技術(shù)，選擇了較先進(jìn)的ADAMS軟件進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等。

1 虛擬軸數(shù)控機(jī)床

虛擬軸機(jī)床在我國已經(jīng)被列入“九五”科技攻關(guān)和高課題發(fā)展規(guī)劃，國家自然科學(xué)基金對(duì)其技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究也給予資助。隨著計(jì)算機(jī)的處理能力加快，今后硬件的復(fù)雜性在向著軟件方面遷移，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但卻智能高效的機(jī)電產(chǎn)品正在走向市場(chǎng)。虛擬軸機(jī)床在這樣的大環(huán)境下發(fā)展，我們有理由相信今后必將有廣闊的應(yīng)用范圍，成為某些領(lǐng)域里傳統(tǒng)機(jī)床的重要補(bǔ)充。虛擬軸機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示，它克服了串聯(lián)機(jī)床刀具自由度小、設(shè)備加工不靈活等缺點(diǎn)，具有以下六個(gè)特點(diǎn)。

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：虛擬軸機(jī)床采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或者非靜定桿系，構(gòu)造機(jī)械零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺(tái)大幅減少，主要由滾珠絲杠、電主軸、伺服電機(jī)等通用機(jī)電一體化部件組成，遇到復(fù)雜的曲面進(jìn)行加工時(shí)，只要控制六桿長度就能完成。因此其結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了。

2）剛性高：虛擬軸機(jī)床是封閉性結(jié)構(gòu)，因此具有高剛性和高速化，它的負(fù)荷流線短，六只連桿能承受負(fù)荷分解的拉、壓力，當(dāng)固定外力，應(yīng)力和變形最大，兩端插入其次，兩端簡(jiǎn)支撐，然后是二力結(jié)構(gòu)，受張力的二力結(jié)構(gòu)其變形最小，因此它的剛度重量比比傳統(tǒng)機(jī)床高。

3）加工速度高：如果改變受力方向，兩力構(gòu)件就是最節(jié)省的結(jié)構(gòu)，移動(dòng)件最小重量而且有六個(gè)致動(dòng)器對(duì)它們驅(qū)動(dòng)，機(jī)床高速化容易實(shí)現(xiàn)，并且慣性低。

4）精度高:機(jī)床采用多軸并聯(lián)機(jī)構(gòu)，六個(gè)可伸縮桿對(duì)刀具都可以獨(dú)立控制機(jī)床位置，熱對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，變形較小。

圖1 虛擬軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)

5）靈活性強(qiáng)：機(jī)床設(shè)計(jì)靈活，既能做成通用型又能開發(fā)成專用機(jī)床，實(shí)現(xiàn)加工過程磨削、銑削、鏜削等，使機(jī)床的多功能得以實(shí)現(xiàn)。

6）使用壽命長：機(jī)床結(jié)構(gòu)十分合理，各種部件之間的磨損比較小，不會(huì)有鐵屑等磨損、劃傷導(dǎo)軌的內(nèi)部。

2 CAD技術(shù)

2.1 CAD概述

CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))，是一種在數(shù)控加工生產(chǎn)過程中的輔助工具，它能夠?qū)⒋笕萘亢吞幚頂?shù)據(jù)的能力，計(jì)算機(jī)精確、高速的運(yùn)算能力，豐富多彩的文字、圖形處理和設(shè)計(jì)者的綜合分析、創(chuàng)造性、邏輯判斷能力這些都有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)設(shè)計(jì)理念和計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合的系統(tǒng)，加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)程。

CAD技術(shù)全面、根本的變革了傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)，發(fā)生了質(zhì)的飛躍，受到全球范圍的重視和關(guān)注，我國的機(jī)械行業(yè)要想得到快速發(fā)展，也必須要適應(yīng)和發(fā)展 CAD技術(shù)。要努力提高CAD技術(shù)的應(yīng)用水平，高度重視該技術(shù)的應(yīng)用和推廣，加大投入力度，使CAD技術(shù)邁上一個(gè)新臺(tái)階；要開發(fā)自主的CAD軟件，加大創(chuàng)新，對(duì)于引入國外優(yōu)秀的CAD軟件還要對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，要適合中國國情針對(duì)機(jī)械制造業(yè)，開發(fā)出有競(jìng)爭(zhēng)力、有特色的CAD產(chǎn)品。CAD是綜合多門學(xué)科的新技術(shù)，包括模型設(shè)計(jì)、繪制圖形、工程分析等部分，還包括軟件設(shè)計(jì)和文檔處理等。可見，平常我們說的計(jì)算機(jī)繪圖只是CAD技術(shù)的一個(gè)部分。

CAD的機(jī)械支撐軟件目前也很多，包括1）圖形資源軟件，是圖形標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范的軟件包，負(fù)責(zé)供給程序圖形程序包或者函數(shù)庫。2）二維、三維繪圖軟件，負(fù)責(zé)零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，可以分為兩種方式交互式和程序調(diào)用，交互式是目前的主要形式，國內(nèi)用得最多的是AutoCAD。3）幾何造型，解決零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)三維等相關(guān)信息。4）工程分析和計(jì)算軟件，計(jì)算和優(yōu)化方法庫、機(jī)構(gòu)分析和綜合軟件、系統(tǒng)分析軟件等。

2.2 ADAMS分析

ADAMS強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析功能，使其在工程領(lǐng)域備受青睞。虛擬軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性正好適合用ADAMS強(qiáng)大的功能對(duì)其分析，并且獲得可視化結(jié)果也很快捷。ADAMS是實(shí)體建模技術(shù)，并且加入特征造型和變量技術(shù)。ADAMS對(duì)于簡(jiǎn)單零件的建模很輕松，復(fù)雜零件就需要借助UG等軟件建模，再將模型放入ADAMS中做仿真分析。ADAMS提供許多模型參數(shù)化和分析的方法，自動(dòng)仿真和分析，得到可視化結(jié)果，提高分析效率。

ADAMS軟件創(chuàng)建的完全參數(shù)化的機(jī)械幾何模型，采用動(dòng)力學(xué)中的拉格朗日方程作為求解器，建立方程，對(duì)虛擬軸機(jī)床做出運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，并且輸出速度、位移、加速度等曲線。ADAMS的仿真主要用來預(yù)測(cè)機(jī)械性能、運(yùn)動(dòng)范圍、峰值載荷等。

3 虛擬軸機(jī)床建模和分析

3.1 建立模型

為虛擬軸機(jī)床建立運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)模型。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型機(jī)床的原理機(jī)構(gòu)比真實(shí)的機(jī)床大大的簡(jiǎn)化。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖2所示，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，僅僅表示了球鉸、虎克鉸等都采用ADAMS的理想約束模型，分析機(jī)床的理想機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理。而機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型分為機(jī)床的外形，包括機(jī)床的整體形狀，床身和立柱等固定件；運(yùn)動(dòng)部分如圖3所示包含球鉸、虎克鉸和驅(qū)動(dòng)軸，屏蔽不影響機(jī)床運(yùn)動(dòng)的組件，對(duì)于運(yùn)動(dòng)組件各自獨(dú)立建模。虎克鉸的組成為軸線垂直的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，外環(huán)相對(duì)地面進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)環(huán)相對(duì)外環(huán)沿軸轉(zhuǎn)動(dòng)；球鉸的組成稍復(fù)雜為相互垂直三個(gè)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)副，法蘭盤是和動(dòng)平臺(tái)固連，它們和球鉸座間有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，球鉸座和球鉸軸間為第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，與套筒之間有第三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，驅(qū)動(dòng)軸和套筒的細(xì)腿相固連。這和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型不同，更接近于真實(shí)機(jī)床。

圖2 電機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型圖

圖3 動(dòng)力學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)部分模型

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

對(duì)機(jī)床模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解進(jìn)行分析，輸入機(jī)床各個(gè)腿由終端計(jì)算輸出的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。利用ADAMS計(jì)算速度、輸出位姿、各坐標(biāo)軸分量都十分方便。假設(shè)給定各條腿長的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：s1=50sin(t)；s3=110sin(t)；s2=80t； s4=90t；s5=120t；s6=85t。

表示第i條的腿長，單位mm，t表示時(shí)間。腿1、腿3運(yùn)動(dòng)為正弦，腿2、4、5、6是勻速運(yùn)動(dòng)，計(jì)算終端的速度和運(yùn)動(dòng)軌跡。

我們經(jīng)過在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型上對(duì)機(jī)床的仿真測(cè)試，得到終端A點(diǎn)的空間軸分量曲線（圖4），以及終端A點(diǎn)的速度曲線（圖4）和A點(diǎn)速度曲線y軸分量（圖5）。圖4曲線中的尖峰和低谷以及速度突變的地方都是值得重點(diǎn)研究和特別注意的，有可能是力和加速度會(huì)大。

圖4 終端A點(diǎn)的速度曲線

圖5 A點(diǎn)速度曲線y軸分量

虛擬軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解問題可能是多解，但是當(dāng)確定初始值和腿長連續(xù)變化軌跡給定的情況下，終端的構(gòu)形變化是唯一的。

4 結(jié)論

本文闡述了虛擬軸機(jī)床這種將機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)結(jié)合的機(jī)床的特點(diǎn)和介紹了CAD技術(shù)的發(fā)展，

選擇了較好的ADAMS軟件進(jìn)行仿真建模和運(yùn)動(dòng)分析。ADAMS強(qiáng)大的機(jī)構(gòu)分析功能可以比較全面地分析虛擬軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，以及動(dòng)力學(xué)性能。在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中給定腿長的運(yùn)動(dòng)規(guī)律得到了正解的終端運(yùn)動(dòng)規(guī)律。利用動(dòng)力學(xué)模型對(duì)虛擬軸機(jī)床的受力情況也同時(shí)做了分析。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，并聯(lián)機(jī)床的輸入、輸出是非線性關(guān)系。并聯(lián)機(jī)床和傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)床是互補(bǔ)關(guān)系，我國還需要提高和加大對(duì)虛擬軸機(jī)床的研究，并應(yīng)用到實(shí)際增強(qiáng)控制和決策，優(yōu)化制造過程，是機(jī)械制造的未來發(fā)展方向，具有重大而深遠(yuǎn)的意義和價(jià)值。

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