李 雪 王 鶴 薛珉琪 袁新芳 熊建橋 邵秋萍

（1.南京工程學院機械工程學院，南京 211167；2.河南工程學院機械工程學院，鄭州 451191）

隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進步，高新技術(shù)產(chǎn)品向著微型化和智能化的方向發(fā)展，在這些產(chǎn)品中，直徑在0.5mm以下的微孔應用越來越廣泛，如汽車的燃料噴油咀、汽化器、某些鐘表和照相機零件及印刷電路板等[1-2]。在微孔的各種加工方法中，機械鉆孔在國內(nèi)外占主導地位，但鉆削微孔存在加工效率低，鉆頭經(jīng)過磨損或切屑堵塞后極易折斷等致命缺陷[3]。

為解決微孔鉆床手動進給所造成的加工效率低以及產(chǎn)品質(zhì)量差等問題，由手動進給改為自動進給，可以大大提高鉆床的自動化程度。通過對鉆床的數(shù)控化改造，可以滿足其對于精度、粗糙度、安全性、可靠度等方面的要求，使微孔鉆床可以支持自動進給而持續(xù)生產(chǎn)。在對鉆床結(jié)構(gòu)進行設計時，由于傳統(tǒng)設計方法難以在最初設計過程中就發(fā)現(xiàn)問題，從而造成時間以及資源浪費，這不但增加了設計所需成本，而且設計效率也難以提高。而運用UG軟件對機構(gòu)進行三維建模，可以更快地獲得產(chǎn)品的外形尺寸和功能特征[4-6]。同時，運用基于ADAMS軟件的虛擬樣機技術(shù)，可以對三維模型進行運動模擬和仿真分析，從而優(yōu)化整個自動進給系統(tǒng)，并調(diào)整機械設計的結(jié)構(gòu)、精度和尺寸[7-8]。

1 自動進給系統(tǒng)的仿真模型

ADAMS對機械系統(tǒng)的運動學和動力學問題有較強的分析能力。但其對于較復雜的三維模型的造型能力有所不足，因此，使用ADAMS/View對含有較多部件的裝配體的特征表達不盡人意。本文采用UG+ADAMS組合的方式進行運動分析，這就需要采用標準的圖形數(shù)據(jù)格式，試驗證明Parasolid格式在輸出時具有耗時小、效率高、出錯信息少等優(yōu)點，所以，本研究先使用UG輸出Parasolid格式文件，再導入到ADAMS中建立虛擬樣機。

1.1 三維實體建模

在UG軟件中，首先分別對微孔鉆床自動進給系統(tǒng)中蝸輪蝸桿、主軸電機、齒條以及齒輪副等零部件進行三維建模。然后，在開始菜單中點擊裝配進入到裝配模塊，先添加組件，將各零部件導入到裝配模塊中。接著，在機座箱體上添加固定約束，然后相對于機座箱體綜合使用接觸、對齊、距離約束，使各零部件按要求正確裝配完成。最終裝配結(jié)果如圖1所示。

圖1 裝配體的三維模型

1.2 建立虛擬樣機

先用UG打開總裝圖，然后在菜單中選擇“文件→導出”命令，點擊后出現(xiàn)如圖2的窗口，選擇版本24.0-NX8.0，之后選中整個要輸出的裝配體，點擊確定并在彈出的窗口中選擇*.xmt_txt的文件格式保存。

圖2 導出Parasolid文件窗口

然后，啟動ADAMS軟件，點擊“New Model”新建一個模型，選擇OK進入工作界面。在菜單中選擇“File→Import”，在彈出的窗口中，分別指定好File Type， File To Read， File Type， Model Name中的內(nèi)容后選擇OK，即已經(jīng)將UG輸出的Parasolid模型導入到ADAMS模型中，如圖3所示。導入成功后需要在各個部件之間添加約束。約束的作用是用來確定部件的連接方式以及它們之間的相對運動?？梢允褂肁DAMS提供的約束庫對具有相對運動的部件添加約束。

2 仿真結(jié)果與分析

選擇Interactive Simulation Controls功能，根據(jù)時間函數(shù)將End Time設為70s，Steps設為5250，單擊播放按鈕，即可模擬自動進給系統(tǒng)的運行，并可以在界面中觀看仿真過程的動畫，如圖4所示。

圖3 ADAMS環(huán)境下的微孔鉆床自動進給系統(tǒng)模型

首先，右擊齒條的移動副約束，在彈出的菜單中點擊Measure，接著在彈出的窗口中將Characteristic的值改為Displacement，即測量主軸進給的位移；將Component的值改為Z，即測量方向為Z軸方向。按“OK”彈出測量窗口。

其次，右擊齒條的移動副約束，在彈出的菜單中點擊Measure，接著在彈出的窗口中將Characteristic的值改為Relative Velocity，即測量主軸的進給速度；將Component的值改為Z，即測量方向為Z軸方向。按“OK”彈出測量窗口。

圖4 運動仿真

再次，右擊蝸桿的回轉(zhuǎn)副約束，在彈出的菜單中點擊Measure，接著在彈出的窗口中將Characteristic的值改為Relative Angular Velocity，即測量蝸桿的轉(zhuǎn)速；將Component的值改為Z，即旋轉(zhuǎn)中心為Z軸。按“OK”彈出測量窗口。

最后，運行仿真，得到測量曲線。若曲線不準確，則微調(diào)嚙合點上Marker的位置以及蝸桿嚙合點上Marker的角度。右擊每個測量窗口，選擇“transfer to full plot”命令，進入ADAMS/PostProcessor窗口，可以得到更詳細和完整的測量曲線圖。

由圖5、圖6、圖7可以看出，該微孔鉆床的自動進給系統(tǒng)基本滿足設計所要達到的運動要求：主軸進給的位移要求：快進50mm，工進25mm，工退25mm，快退50mm；主軸進給的速度要求：75～200mm/min；步進電機的轉(zhuǎn)速要求：450～1200°/s。

圖5 主軸進給位移

圖6 主軸進給速度

圖7 步進電機轉(zhuǎn)速

3 結(jié)論

本文建立了微小孔鉆床自動進給系統(tǒng)動力學仿真模型。在UG軟件中建立鉆床三維模型，在ADAMS環(huán)境下，結(jié)合設計計算數(shù)據(jù)進行仿真計算，結(jié)果表明：ADAMS中建立的進給系統(tǒng)仿真模型是有效的，能真實地仿真系統(tǒng)的工作過程，可以迅速分析和比較多種參數(shù)方案，能對機械傳動系統(tǒng)動力學性能作出較全面的預測，對改善機械傳動系統(tǒng)動力學性能、優(yōu)化關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)尺寸具有重要指導作用。