□黃正祥 □蔡知旺 □王春普 □馬朝陽

陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安 710021

1 研究背景

并聯(lián)機(jī)床又稱虛擬軸機(jī)床，基于空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)Stewart平臺構(gòu)型開發(fā)，是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與機(jī)床結(jié)合的產(chǎn)物，屬于空間機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品。并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單而數(shù)學(xué)運(yùn)算復(fù)雜，整個(gè)平臺的運(yùn)動牽涉到相當(dāng)龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算，是一種知識密集型機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)床由于具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、質(zhì)量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在許多領(lǐng)域都得到了成功應(yīng)用，受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[1]。

Unigraphics（UG）是集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造、工程產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等于一體的三維參數(shù)化軟件。在UG的運(yùn)動模塊中，為了保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真和運(yùn)動分析時(shí)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)在仿真運(yùn)動過程中的運(yùn)動方式和軌跡可判斷其運(yùn)動結(jié)果是否與設(shè)計(jì)相一致[2]。機(jī)械零件在運(yùn)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(yùn)動模塊中進(jìn)行分析。機(jī)械結(jié)構(gòu)在仿真運(yùn)動過程中還可以生成圖片、動畫和電影文件[3]。

2 并聯(lián)機(jī)床三維建模

UG的建模模塊為三維建模提供了極強(qiáng)的造形功能，通常使用實(shí)體建模和特征建模兩個(gè)功能。實(shí)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(huán)境內(nèi)的傳統(tǒng)實(shí)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(zhuǎn)實(shí)體，進(jìn)行布爾運(yùn)算及參數(shù)化編輯。特征建?；谕庑魏臀恢玫某叽珧?qū)動參數(shù)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(gè)應(yīng)用模塊[7]，能實(shí)現(xiàn)對部件模擬裝配。在裝配中可以生成各個(gè)部件的建模及裝配圖紙零件明細(xì)表。

并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。電主軸結(jié)構(gòu)主要包括碟形彈簧、后鎖緊螺母、后軸承、外殼、冷卻油出口、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)圖

圖2 電主軸結(jié)構(gòu)圖

3 機(jī)床運(yùn)動仿真

運(yùn)用UG建模模塊建立并聯(lián)機(jī)床三維實(shí)體模型后，根據(jù)機(jī)床的運(yùn)動特點(diǎn)，對三維實(shí)體模型的各個(gè)組成部件賦予特定的運(yùn)動學(xué)特性，并使各個(gè)組成部件之間建立一定的關(guān)聯(lián)，這樣就可以建立起一個(gè)整體式的運(yùn)動仿真模型。通過設(shè)定仿真時(shí)間，可以對運(yùn)動仿真模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)或動力學(xué)分析，從而驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

3.1 創(chuàng)建連桿和運(yùn)動副

在并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動時(shí)，根據(jù)運(yùn)動原理，將伺服電機(jī)作為動力源，通過萬向鉸鏈帶動絲杠旋轉(zhuǎn)和擺動，并通過絲杠和套筒的相對運(yùn)動，由萬向鉸鏈帶動主軸動平臺運(yùn)動。由于需要根據(jù)動平臺設(shè)定運(yùn)動軌跡來求解滾珠絲杠的運(yùn)動結(jié)果，因此需要逆向?qū)悠脚_的運(yùn)動作為動力源[4]。在設(shè)置過程中，點(diǎn)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(xiàng)中生成若干連桿，其中底座和刀架臺設(shè)定為固定連桿。點(diǎn)擊運(yùn)動副命令，將各個(gè)連桿連接在一起，從而使相關(guān)連桿運(yùn)動。運(yùn)動副命令通常情況下具有允許所需運(yùn)動和限制不需要運(yùn)動的功能，此處所需運(yùn)動副為固定副、滑動副和旋轉(zhuǎn)副。此外，主軸動平臺沿設(shè)定曲線運(yùn)動，需要設(shè)置運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)為約束J003。設(shè)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(chuàng)建驅(qū)動和干涉

根據(jù)結(jié)構(gòu)，運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)為約束J003，選擇恒定驅(qū)動，并設(shè)定以10 mm/s進(jìn)行勻速運(yùn)動，如圖4所示。干涉功能如圖5所示，作用是檢測機(jī)構(gòu)與選定的幾何體是否在運(yùn)動中存在碰撞，一旦發(fā)生碰撞，則停止運(yùn)動[8]。

3.3 運(yùn)動仿真

UG運(yùn)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(shè)置為常規(guī)驅(qū)動，分析類型設(shè)置為運(yùn)動學(xué)／動力學(xué)，時(shí)間設(shè)置為61 s，步數(shù)設(shè)置為100，勾選通過按確定進(jìn)行解算，設(shè)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(xiàn)并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動仿真過程，如圖7所示[9]。

圖4 創(chuàng)建驅(qū)動截圖

圖5 干涉功能截圖

3.4 運(yùn)動特性分析

完成上述運(yùn)動仿真后，點(diǎn)擊作圖命令，選擇對象為絲杠1、絲杠2和絲杠3，請求選項(xiàng)選擇為位移，分量選項(xiàng)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(shí)間曲線，如圖8所示，并得到動平臺三軸位移時(shí)間曲線，如圖9所示[10]。

將并聯(lián)機(jī)床的絲杠及頂梁設(shè)置為干涉，一旦發(fā)生碰撞則停止運(yùn)動。由圖8、圖9可知，在并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動仿真的61 s內(nèi)，曲線平滑連貫。由此可知，該并聯(lián)機(jī)床關(guān)鍵運(yùn)動零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理，且運(yùn)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(shí)間曲線

圖9 動平臺三軸位移時(shí)間曲線

4 結(jié)束語

利用UG軟件對并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行參數(shù)化建模，然后進(jìn)行裝配和運(yùn)動仿真分析，模擬機(jī)床的運(yùn)動情況，得出機(jī)床中關(guān)鍵部件的運(yùn)動特性曲線。通過所述方法驗(yàn)證了所建立模型的正確性，可以直觀觀察產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中可能存在的不合理因素，進(jìn)而對產(chǎn)品模型進(jìn)行不斷修改與完善，直到符合預(yù)期要求。采用所述方法，有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，并縮短開發(fā)周期。

[1]李長河，蔡光起.并聯(lián)機(jī)床發(fā)展與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29（1）:7-13，67.

[2]劉沖，馬廷戎.淺談UG運(yùn)動仿真在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子制作，2013（18）：49.

[3]鄧婕.淺談UG軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究[J].露天采礦技術(shù)，2012（2）：61-63.

[4]宋強(qiáng).基于UG的車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動仿真[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（8）：1-2，19.

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