搜索五軸混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真
2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
3-TPS混聯(lián)機(jī)床為五自由混聯(lián)機(jī)床,該混聯(lián)機(jī)床是以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ),采用串聯(lián)約束的一種新型并聯(lián)機(jī)床。混聯(lián)機(jī)構(gòu)通常是一個(gè)多自由度、多變量、高度非線性、多參數(shù)禍合的復(fù)雜系統(tǒng)。連桿速度和驅(qū)動(dòng)力是設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要指標(biāo),它直接關(guān)系到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇和零件設(shè)計(jì),難以用普通的方法較準(zhǔn)確地分析各個(gè)連桿速度和驅(qū)動(dòng)力的變化。而ADAMS軟件卻能解決這一復(fù)雜問題,它能根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)模型,自動(dòng)建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程并加以求解。因此運(yùn)用仿真的方法分析混聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)連桿的驅(qū)動(dòng)力和速度具有重要的意義。
1 、3-TPS混聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)特點(diǎn)
該機(jī)構(gòu)如圖1所示,由三個(gè)并聯(lián)的伸縮桿組成,各桿分別與固定鉸支座(固定平臺(tái))以虎克鉸聯(lián)接與動(dòng)平臺(tái)相聯(lián)。
當(dāng)三桿根據(jù)加工要求分別伸長(zhǎng)或縮短時(shí),使動(dòng)平臺(tái)具有x,y,z,y'四個(gè)自由度。若再在旋轉(zhuǎn)刀具的下方安裝一個(gè)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái),此機(jī)床即可以實(shí)現(xiàn)五面體加工。如果再配置自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu),該機(jī)床將進(jìn)化為臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。
2.混聯(lián)機(jī)床三維模型建立及參數(shù)化
2.1建立三維模型
目前工業(yè)界的CAD/CAM軟件有很多,譬如proe、UG,但是基于Windows的SolidWorks充分利用了有廣泛群眾基礎(chǔ)的Microsoft Windows圖形用戶界面。同時(shí)該軟件也完全支持參數(shù)化設(shè)計(jì),使得機(jī)械設(shè)計(jì)工程師能快速地按照其設(shè)計(jì)思想繪制草圖,嘗試運(yùn)用各種特征與不同尺寸,以及生成實(shí)體模型,接近于實(shí)際物體。另外與ADAMS軟件有很好的接口,導(dǎo)人方便,因此本文的模型采用SolidWorks建立。
首先根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)的指標(biāo)和圖紙,在三維軟件SolidWorks里進(jìn)行三維建模、裝配等一系列過程,然后以Parasolid格式將三維模型的幾何、質(zhì)量和約束等關(guān)系導(dǎo)人到ADAMS軟件中。在圖形文件交換時(shí)采用Parasalid格式可以防止數(shù)據(jù)丟失,這對(duì)仿真結(jié)果的正確性和有效性有重要的影響。
2. 2模型的參數(shù)化
通過參數(shù)化建模,可以在參數(shù)設(shè)置中改變其變量。在分析過程中,只需改變樣機(jī)模型中有關(guān)參數(shù)值,就可以自動(dòng)地更新整個(gè)樣機(jī)模型。機(jī)床三維模型以Parasalid格式導(dǎo)人ADAi41S/View后,先需要添加零件的材料,修改零件名稱,零件之間的約束關(guān)系(移動(dòng)副,轉(zhuǎn)動(dòng)副,鉸接,球接,固定),然后在刀尖添加驅(qū)動(dòng)Generalmotion。打開ADAMS/View的自檢結(jié)果表,檢查所添加的約束關(guān)系和自由度是否正確,先對(duì)仿真模型進(jìn)行相應(yīng)修改,調(diào)整相應(yīng)結(jié)構(gòu)、裝配位置、零件之間約束關(guān)系,然后進(jìn)行反復(fù)的仿真分析和數(shù)據(jù)處理,最終得到滿意的虛擬樣機(jī)模型。
3混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真
混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,就是刀尖按照某種切削路徑運(yùn)動(dòng),計(jì)算各構(gòu)件的速度、加速度和受力情況,檢查各機(jī)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),是否發(fā)生干涉,考察和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的速度和動(dòng)力特性。
在仿真三桿速度和驅(qū)動(dòng)力時(shí),銑削加工可分為兩種情況:第一種是空載,根據(jù)機(jī)床刀具以最大速度為0.5 m/s和加速度運(yùn)動(dòng)為1g時(shí),測(cè)得井桿最大速度和驅(qū)動(dòng)力;第二種是刀具勻速進(jìn)給v=0.4 mls,同時(shí)受到銑削力的作用。銑刀選擇立銑刀,工件材料:碳鋼,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式
經(jīng)過計(jì)算和仿真可知第一種的驅(qū)動(dòng)力大于第二種驅(qū)動(dòng)力,所以研究第一種情況是有重要參考價(jià)值的。
現(xiàn)在以第一種情況進(jìn)行仿真,圖2是刀具的最大速度(0.5 m/s)和加速度(1動(dòng)是以正弦和余弦曲線進(jìn)給。在ADAMS中給定位移運(yùn)動(dòng)方程以刀具沿X方向運(yùn)動(dòng)為例,進(jìn)行設(shè)置如下:
在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真時(shí),刀具在不同的位置和進(jìn)給方向,各個(gè)桿都會(huì)產(chǎn)生不同的速度和驅(qū)動(dòng)力。
機(jī)床在極限條件下進(jìn)行進(jìn)給,并使刀具走遍工作空間內(nèi)的所有點(diǎn),各桿件速度和驅(qū)動(dòng)力的最大值,就是所需的最大速度和驅(qū)動(dòng)力。工作空間(400,400,400)如圖3所示,單位mm.
工作空間搜索具體方法如下:第一步:初設(shè)置刀尖點(diǎn)1坐標(biāo)(200,200,-200 ),從1點(diǎn)分別沿±X, ± Y,±Z六個(gè)方向平移,在ADAMS軟件的后置處理中記錄各桿件速度和驅(qū)動(dòng)力,如圖4和圖5所示,然后比較其大小,找到此點(diǎn)的最大值;第二步:改變刀尖點(diǎn)坐標(biāo),增量△X=△Y=△Z=10 mm,重復(fù)第一步方法,真到刀尖點(diǎn)坐標(biāo)移到點(diǎn)5(-200,-200,200)位置上。第三步:統(tǒng)計(jì)工作空間內(nèi)刀尖坐標(biāo)變化后的所有測(cè)量值,找到空間內(nèi)每個(gè)桿件上速度和驅(qū)動(dòng)力最大值,以及速度與驅(qū)動(dòng)力乘積的最大值。經(jīng)過ADAMS/Measure測(cè)得刀具沿± Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí),桿L2在點(diǎn)1速度最大;桿LI在點(diǎn)2速度最大;刀具沿± Z方向運(yùn)動(dòng)時(shí),桿L3在點(diǎn)3速度最大;如圖6所示。刀具沿± Z方向運(yùn)動(dòng)時(shí),桿L2在工作空間點(diǎn)2驅(qū)動(dòng)力最大;桿L1在點(diǎn)1驅(qū)動(dòng)力最大;桿L3在點(diǎn)4驅(qū)動(dòng)力最大。如圖7所示。
4三桿驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率的確定
根據(jù)上述三桿速度和驅(qū)動(dòng)力的仿真結(jié)果,確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率
5結(jié)語
通過對(duì)3-TPS混聯(lián)機(jī)床在ADAMS軟件中仿真分析,在混聯(lián)機(jī)床以最大速度0. 5 mls,最大加速度1g的條件下進(jìn)給時(shí),獲得了三個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的速度變化范圍以及三個(gè)桿的驅(qū)動(dòng)力變化情況。通過分析仿真的結(jié)果,可見機(jī)床的三個(gè)驅(qū)動(dòng)桿速度變化均勻平穩(wěn),驅(qū)動(dòng)力的變化也比較平穩(wěn)。以多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的ADAMS用來仿真分析混聯(lián)機(jī)床是可行的;仿真結(jié)果為構(gòu)建五軸棍聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的速度規(guī)劃以及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇提供重要參考。
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