基于Unigraphics的并聯機床建模與仿真

□黃正祥 □蔡知旺 □王春普 □馬朝陽

陜西科技大學機電工程學院 西安 710021

1 研究背景

并聯機床又稱虛擬軸機床，基于空間并聯機構Stewart平臺構型開發，是并聯機器人機構與機床結合的產物，屬于空間機構學、機械制造、數控技術、計算機輔助設計和制造技術高度結合的高科技產品。并聯機床結構簡單而數學運算復雜，整個平臺的運動牽涉到相當龐大的數學運算，是一種知識密集型機構。并聯機床由于具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、質量輕、機械結構簡單、制造成本低、標準化程度高等優點，因此在許多領域都得到了成功應用，受到學術界的廣泛關注[1]。

Unigraphics（UG）是集計算機輔助設計、制造、工程產品數據管理等于一體的三維參數化軟件。在UG的運動模塊中，為了保證設計的準確性，對機械結構進行運動仿真和運動分析時，通過機械結構在仿真運動過程中的運動方式和軌跡可判斷其運動結果是否與設計相一致[2]。機械零件在運動過程中的位移、速度、加速度、作用力和力矩等都可以在UG運動模塊中進行分析。機械結構在仿真運動過程中還可以生成圖片、動畫和電影文件[3]。

2 并聯機床三維建模

UG的建模模塊為三維建模提供了極強的造形功能，通常使用實體建模和特征建模兩個功能。實體建模包括基于約束的特征建模和顯式幾何建模，集成特征環境內的傳統實體、曲線和框線建模的功能，使用戶能夠方便地建立二維和三維線框模型，掃描和旋轉實體，進行布爾運算及參數化編輯。特征建模基于外形和位置的尺寸驅動參數化定義特征，包括變形孔、鍵槽、型腔、凸墊、凸臺，以及全集的圓柱、塊、錐、球、管道、桿、倒圓、倒角等。

裝配模塊是UG中集成的一個應用模塊[7]，能實現對部件模擬裝配。在裝配中可以生成各個部件的建模及裝配圖紙零件明細表。

并聯機床結構主要包括底座、六角頭螺栓、工作臺、平口鉗、主軸動平臺、滾珠絲杠副、立柱、電主軸、頂梁、虎口鉸鏈等，其結構如圖1所示。電主軸結構主要包括碟形彈簧、后鎖緊螺母、后軸承、外殼、冷卻油出口、轉子、定子、冷卻套、冷卻油入口、前噴嘴、前軸承、拉桿、拉釘、芯軸、前鎖緊圓螺母、前端蓋等，其結構如圖2所示。

圖1 并聯機床結構圖

圖2 電主軸結構圖

3 機床運動仿真

運用UG建模模塊建立并聯機床三維實體模型后，根據機床的運動特點，對三維實體模型的各個組成部件賦予特定的運動學特性，并使各個組成部件之間建立一定的關聯，這樣就可以建立起一個整體式的運動仿真模型。通過設定仿真時間，可以對運動仿真模型進行運動學或動力學分析，從而驗證結構設計的合理性。

3.1 創建連桿和運動副

在并聯機床運動時，根據運動原理，將伺服電機作為動力源，通過萬向鉸鏈帶動絲杠旋轉和擺動，并通過絲杠和套筒的相對運動，由萬向鉸鏈帶動主軸動平臺運動。由于需要根據動平臺設定運動軌跡來求解滾珠絲杠的運動結果，因此需要逆向將動平臺的運動作為動力源[4]。在設置過程中，點擊連桿命令，選擇動平臺主軸、萬向鉸鏈各部件、絲杠和套筒、底座、刀架臺，在連桿選項中生成若干連桿，其中底座和刀架臺設定為固定連桿。點擊運動副命令，將各個連桿連接在一起，從而使相關連桿運動。運動副命令通常情況下具有允許所需運動和限制不需要運動的功能，此處所需運動副為固定副、滑動副和旋轉副。此外，主軸動平臺沿設定曲線運動，需要設置運動驅動機構為約束J003。設定曲線選取漏斗形螺旋線，如圖3所示。

圖3 漏斗形螺旋線

3.2 創建驅動和干涉

根據結構，運動驅動機構為約束J003，選擇恒定驅動，并設定以10 mm/s進行勻速運動，如圖4所示。干涉功能如圖5所示，作用是檢測機構與選定的幾何體是否在運動中存在碰撞，一旦發生碰撞，則停止運動[8]。

3.3 運動仿真

UG運動仿真和分析的核心是ADAMS解算。打開解算方案，解算方案類型設置為常規驅動，分析類型設置為運動學／動力學，時間設置為61 s，步數設置為100，勾選通過按確定進行解算，設定重力指定方向，如圖6所示。

UG提供了可以采用動畫的形式表現并聯機床的運動仿真過程，如圖7所示[9]。

圖4 創建驅動截圖

圖5 干涉功能截圖

3.4 運動特性分析

完成上述運動仿真后，點擊作圖命令，選擇對象為絲杠1、絲杠2和絲杠3，請求選項選擇為位移，分量選項選擇為幅值，軸定義中Y軸選擇添加一條曲線，得到絲杠的位移時間曲線，如圖8所示，并得到動平臺三軸位移時間曲線，如圖9所示[10]。

將并聯機床的絲杠及頂梁設置為干涉，一旦發生碰撞則停止運動。由圖8、圖9可知，在并聯機床運動仿真的61 s內，曲線平滑連貫。由此可知，該并聯機床關鍵運動零部件的結構設計方案合理，且運動無干涉。

圖6 解算方案截圖

圖7 動畫功能截圖

圖8 絲杠位移時間曲線

圖9 動平臺三軸位移時間曲線

4 結束語

利用UG軟件對并聯機床進行參數化建模，然后進行裝配和運動仿真分析，模擬機床的運動情況，得出機床中關鍵部件的運動特性曲線。通過所述方法驗證了所建立模型的正確性，可以直觀觀察產品在設計中可能存在的不合理因素，進而對產品模型進行不斷修改與完善，直到符合預期要求。采用所述方法，有利于提高產品的質量和性能，并縮短開發周期。

[1]李長河，蔡光起.并聯機床發展與國內外研究現狀[J].青島理工大學學報，2008，29（1）:7-13，67.

[2]劉沖，馬廷戎.淺談UG運動仿真在機械設計中的應用[J].電子制作，2013（18）：49.

[3]鄧婕.淺談UG軟件在機械設計中的應用與研究[J].露天采礦技術，2012（2）：61-63.

[4]宋強.基于UG的車床縱向進給機構設計與運動仿真[J].現代制造技術與裝備，2016（8）：1-2，19.

[5]史永芳，朱茂華.基于UG的汽車傳動軸的三維建模與仿真[J].現代制造技術與裝備，2014（6）：65-67.

[6]趙昌龍.并聯機床的運動仿真研究[J].機床與液壓，2014（15）:159-161.

[7]麓山文化.UG NX10.0中文版從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2016.

[8]楊梅.基于UG的液壓式步進翻轉冷床運動仿真分析[J].裝備機械，2016（3）：59-61.

[9]張霏霏，吳洪濤，嚴偉.三維平動并聯機床的運動分析[J].機械制造，2013，51（12）：17-20.

[10]鄭小民，鄒曉暉，高健，等.4-PUS/PUU并聯機構在機床上的應用[J].機械制造，2015,53（11）：20-22.