劉紅軍，張慶飛

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168）

0 引言

并聯(lián)機(jī)床是近二十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種機(jī)構(gòu)種類(lèi)。它具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力大、精度高、速度和加速度高、位置反解容易等諸多特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊。對(duì)于此類(lèi)機(jī)床，雖然相對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)床結(jié)構(gòu)有較大的改進(jìn)，但機(jī)床主要連接部件的剛度情況依然是影響機(jī)床精度的最主要因素，所以對(duì)機(jī)床的剛度分析是設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)。

ADAMS做為專(zhuān)業(yè)的仿真軟件，利用其各種專(zhuān)用模塊可以建立起復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，其模型可以是剛性體，也可以是柔性體，以及剛?cè)峄旌夏Ｐ汀Ｆ渥陨韼У腁UTOFLEX模塊為剛性體與柔性體的轉(zhuǎn)變提供了便利的條件，強(qiáng)大的后處理功能更是讓這個(gè)軟件有了其不可比擬的優(yōu)勢(shì)，如果在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段就采用ADAMS進(jìn)行輔助分析，就可以在建造真實(shí)的物理樣機(jī)之前，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行各種性能測(cè)試，達(dá)到縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本的目的。

本文針對(duì)一種四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，采用ADAMS軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)剛度特性及振動(dòng)特性分析。首先利用ADAMS進(jìn)行了簡(jiǎn)化模型的創(chuàng)建，進(jìn)而對(duì)構(gòu)件進(jìn)行了柔性體中性文件的轉(zhuǎn)化，對(duì)模型在受到各方向外力作用時(shí)柔性構(gòu)件的變形情況和機(jī)構(gòu)執(zhí)行端的位移變化進(jìn)行對(duì)比，分析其各方向剛度特性，從而為設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)，為以后物理樣機(jī)的創(chuàng)建提供強(qiáng)大的理論數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 三維模型的建立

本文研究的并聯(lián)機(jī)構(gòu)采用4自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用ADAMS/VIEW模塊建立機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化剛性模型，如圖1所示。

圖1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛性模型

通過(guò)對(duì)模型的建立和對(duì)相關(guān)聯(lián)的部位進(jìn)行合理的約束，使得模型能夠在驅(qū)動(dòng)的作用下按預(yù)想的軌跡運(yùn)動(dòng)，并且模型的自由度為零，沒(méi)有過(guò)約束產(chǎn)生，利用ADAMS的驗(yàn)證功能對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖2所示。驗(yàn)證結(jié)果表明所建立的模型在添加4個(gè)驅(qū)動(dòng)后模型自由度為零，并且沒(méi)有過(guò)約束，模型正確。

圖2 剛性模型的驗(yàn)證

2 柔性模型的建立

純剛體模型無(wú)法完整表達(dá)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，因此需對(duì)模型進(jìn)行柔性體模型設(shè)計(jì)。其中重要一步是采用柔性體替換剛性體，在建立柔性體的時(shí)候，讀入的柔性體的位置并不一定是所要的位置，在柔性體上定義運(yùn)動(dòng)副和載荷也不方便，這里采用直接將柔性體替換剛性體的方法進(jìn)行處理，替換后的剛性體或柔性體上的運(yùn)動(dòng)副或載荷等會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到柔性體上，剛性體或柔性體上的MARKER點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)移到柔性體上與MARKER點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)上，新的柔性體還會(huì)繼承原來(lái)的剛性件或柔性體的一些特征，如顏色、圖標(biāo)、尺寸、初始速度、模態(tài)位移等，這樣就方便了操作，需要注意的是柔性體的幾何模型與被替代件的幾何模型最好一致。

利用ADAMS柔性體替換剛性體來(lái)將所需的構(gòu)件轉(zhuǎn)化成模態(tài)中性文件，本模型中主要的變形構(gòu)件為四個(gè)連接立柱與動(dòng)平臺(tái)的連桿和支撐平臺(tái)的六桿機(jī)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，連桿和六桿機(jī)構(gòu)的剛度直接決定了動(dòng)平臺(tái)上刀具的精度，所以本模型將連桿和六桿柔性化，柔性化以后的模型如圖3所示。

圖3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)柔性體模型

在仿真的過(guò)程中，由于驅(qū)動(dòng)與模型自重和阻力的作用，模型運(yùn)動(dòng)軌跡與理想軌跡有所差別。其中柔性構(gòu)件通過(guò)力的作用有所變形，變形的大小與作用力的大小和方向有著直接的關(guān)系，如圖4所示，在圖形中不同的顏色代表不同的受力大小。通過(guò)該仿真，可明確模型在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中柔性體的主要受力與變形情況，為物理樣機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

圖4 仿真過(guò)程中的變形情況

3 模型的優(yōu)化與振動(dòng)仿真

為了應(yīng)用該機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械加工，需要對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行分析和優(yōu)化。本文對(duì)模型的優(yōu)化主要是采用了附加柔索的形式，由于在受力后機(jī)構(gòu)中的桿件會(huì)發(fā)生變形，且考慮到加入了柔索的特殊性，這里將機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)與機(jī)架頂部用柔索連接，依據(jù)其各桿件材料特性，應(yīng)用ADAMS軟件中提供的彈簧原件，將合適剛度的彈簧替換柔索，這樣整個(gè)機(jī)構(gòu)就構(gòu)成了（M-K）彈簧和柔性體振動(dòng)系統(tǒng)。其參數(shù)設(shè)定為：彈簧的剛度系數(shù)K=3000，阻尼系數(shù)C=200。優(yōu)化后的系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的模型

為了進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)原模型與優(yōu)化后的模型進(jìn)行輸入、輸出通道的設(shè)定：

Input channel（輸入通道）：在動(dòng)平臺(tái)中心處的模擬刀具的端點(diǎn)markerdaoju上施加一個(gè)沿Z方向的正弦作用力，大小為1000N。

Output channel（輸出通道）：由于對(duì)本機(jī)構(gòu)而言，最主要的振動(dòng)方向?yàn)榭傮w坐標(biāo)系的Z方向，所以在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心處pingtai.com處以動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心沿Z方向建立一個(gè)輸出通道： Output channel_z。

圖6 優(yōu)化后模型Z方向的振動(dòng)曲線

圖7 原模型Z方向的振動(dòng)曲線

表1 優(yōu)化前后振幅對(duì)比

由上述對(duì)比分析可以看出，對(duì)改進(jìn)前后兩種機(jī)構(gòu)給以相同的激振力，用同樣的方式對(duì)其進(jìn)行受迫振動(dòng)分析時(shí)，他們的相應(yīng)振幅有所不同，改進(jìn)后加入柔索的機(jī)構(gòu)的振幅明顯小于未改進(jìn)的機(jī)構(gòu)。且隨時(shí)間的變化，機(jī)構(gòu)在兩個(gè)測(cè)試方向上的振幅均有明顯的減小趨勢(shì)，而未加入柔索的機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中始終有沿Z方向上的較大振幅的振動(dòng)。綜上可以得出結(jié)論，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)中加入了柔索對(duì)其有明顯的抑制振動(dòng)作用，同時(shí)機(jī)構(gòu)在抵抗外力的性能上有明顯的提升。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上并聯(lián)機(jī)構(gòu)的仿真分析，根據(jù)剛性體與柔性體的運(yùn)動(dòng)位移軌跡對(duì)比，可見(jiàn)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到不同的位姿時(shí)，其柔性體的變形量也隨著有所變化，而且當(dāng)在受力點(diǎn)施加不同方向的力時(shí)，其對(duì)機(jī)構(gòu)在各方向的變形情況的貢獻(xiàn)量也不同，所以可以通過(guò)對(duì)剛?cè)峤Y(jié)合的結(jié)構(gòu)體模型進(jìn)行更加真實(shí)的仿真運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬出物理模型所應(yīng)該具有的運(yùn)動(dòng)特性。這也結(jié)束了傳統(tǒng)意義上的仿真模式——只是對(duì)剛性體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)理論上的模擬，通過(guò)以上對(duì)剛?cè)峤Y(jié)合模型的介紹和模擬，實(shí)現(xiàn)了柔性體的仿真。

通過(guò)振動(dòng)模塊對(duì)模型的分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)有明顯的抑制作用，為以后的研究提供了方向。

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