数控机床全参数化虚拟样机的构建及应用

2018-02-18郑楚鑫李文威周广兵

装备制造技术 2018年11期

郑辉，郑楚鑫，李文威，周广兵

（华南智能机器人创新研究院，广东佛山528315）

传统的产品开发流程一般为方案设计、图纸设计、制造实物样机和实物样机试验直至产品投产上市，存在着试验周期较长、过程繁琐、成本偏高等弊端，不能满足企业对质量、效率以及成本的综合要求。虚拟样机技术是以虚拟样机为核心、仿真为手段、各种CAx/DFx为工具的一种数字化设计方法和手段[1]。它通过在计算机上建造产品模型，并进行仿真分析，可以准确预测产品在功能、性能、外观等各方面的特征和特性，进而为改进产品设计，提高产品性能提供良好的参考。虚拟样机技术使高效率、高质量的设计生产成为可能[2]，正逐步成为当今工业界的主流核心技术。

数控机床是典型的精密加工设备，其结构件的运动学和动力学性能均有较高的设计要求。数控机床结构设计是否合理一般需基于机床样机的综合性能表现进行判断。传统意义上的数控机床性能分析只能在物理样机制成后进行。为了实现数控机床的低成本快速开发，有必要将虚拟样机技术应用到数控机床产品的整个设计流程中。

参数化技术为设计模型的可变性、可重用性，以及模型装配等提供了有效手段。由参数化技术与虚拟样机技术融合形成的参数化虚拟样机技术，不仅增加了虚拟样机的可重用性，而且进一步缩短了建模与仿真周期，更具工程应用价值。

基于参数化虚拟样机技术进行数控机床的设计与分析，其核心是建立数控机床的全参数化虚拟样机。本文以XH7650数控机床为研究对象，通过对SolidWorks/SolidWorks Motion和ADAMS软件的二次开发，成功构建了该型数控机床的全参数化虚拟样机，为该系列机床的综合性能分析与多学科设计优化提供了良好的研究平台。

1 软件环境选择与集成方式

1.1 软件环境选择

数控机床参数化虚拟样机模型的功能有赖于功能强大的软件平台的支撑。选择软件环境要综合考虑软件的基本功能、集成能力、二次开发能力和参数化能力等。

建立虚拟样机的三维CAD模型是构建参数化虚拟样机的第一步。SolidWorks是集机械设计、制造于一体的自动化设计软件。它建模功能强大，数据交换接口丰富，参数化能力强，有二次开发功能。因此，选用SolidWorks/SolidWorks Motion软件建立数控机床实体模型。

建立数控机床参数化虚拟样机模型需要功能强大的机械系统多体动力学仿真设计软件的支持。ADAMS正是这一领域的佼佼者。它功能强大可以建立集机、电、液一体化的数控机床虚拟样机；它能与多数 CAD软件接口实现数据的共享和交换[3]；在ADAMS中可以进行二次开发，编写或调用各种数据接口和控制界面，建立虚拟样机的交互手段。故采用ADAMS作为数控机床进给系统的动力学仿真支撑。

以参数化三维设计软件SolidWorks和机械动力学仿真软件ADAMS为核心构建基础的软件环境，并在该环境内进行软件的二次开发，定制专属于数控机床的参数化虚拟样机建模程序。

1.2 软件集成方式

将数控机床的参数化分为机床结构尺寸的参数化、部件运动曲线的参数化（各部件运动起始位置，运动速度，运动加速减速时间，运动时间）和图形用户界面（GUI）的参数化。由于目前缺乏支持产品设计全过程的产品设计系统，需要选择不同设计领域的软件进行集成。

ADAMS造型功能薄弱，难以创建具有复杂特征的零件，但ADAMS允许输入其它格式的图形文件，更是可以和SolidWorks之间实现无缝连接。通过SolidWorks Motion模块[4]，使SolidWorks不必退出应用环境就可以将CAD数据输入到ADAMS中进行全面的动力学分析。因此，数控机床结构尺寸的参数化在SolidWorks中进行，并利用二次开发的参数驱动软件和SolidWorks Motion接口将CAD模型保存在ADAMS可读的adm文件和xmt_bin文件中。

部件运动曲线的参数化和图形用户界面的参数化使用ADAMS命令语言在ADAMS环境中完成二次开发。本文采用的软件集成方式如图1所示。

图1 软件集成方式

2 参数化虚拟样机的构建

如图2所示，XH7650型立式数控铣床的机械结构主要由床身、立柱、中拖板、主轴箱和工作台五大部件组成。机床有三个方向的平移运动，分别是主轴箱沿立柱导轨做z方向的直线运动；中托板沿床身导轨做y方向的直线运动；工作台沿中托板导轨做x方向的直线运动。现要求建立XH7650系列数控机床的参数化虚拟样机，并进行处于不同运动条件下的运动学、动力学等性能的综合分析。

图2 XH7650型数控机床结构

以下通过XH7650数控机床虚拟样机的构建过程详细说明参数化虚拟样机的构建细节。

2.1 CAD模型的参数化

（1）建立零件和装配体的三维CAD模型。在SolidWorks中建立零件模型并装配；

（2）参数化零件和装配体的CAD模型。对各零件和装配体的主要尺寸设置参数和关系，以进行结构参数化；

（3）设置零件和装配体的单位为“毫米千克秒”；

（4）利用 SolidWorks的 SolidWorks Motion插件建立多刚体虚拟样机，包括在零件上需添加约束副的位置、传感器的参考位置处建立标记点等；

（5）利用文献[5]所开发的参数驱动程序自动驱动结构件尺寸，使其等于给定值，并自动生成amd和xmt_bin文件。见图3.

图3 XH7650数控机床的SolidWorks模型

2.2 运动条件的参数化

为了模拟机床部件之间的加速—匀速—减速的运动过程，利用ADAMS命令语言编写程序表达了零件间的运动规律（假定各运动的加速时间、减速时间相同）。

（1）建立设计变量。建立若干设计变量，分别对零件的运动速度、运动初始位置、运动加速减速时间和运动时间进行了参数化。所建立的设计变量的含义如表1所示。

表1 设计变量及其含义

程序范例如程序1所示。

（2）部件运动的参数化。程序范例如程序2所示。

（3）建立传感器。采用六个传感器限定部件的运动范围。程序范例如程序3所示。

（4）建立菜单和参数化的对话框。为便于参数的修改，定制了菜单和对话框界面，如图4.建立对话框时，先在ADAMS中建立，然后导出为cmd文件。在ADAMS主菜单Tools下建立子菜单XH7650，程序范例如程序4所示。

图4 ADAMS界面的定制

对话框界面内容的参数化，其程序范例如程序5如下。

3 参数化虚拟样机的应用

由于ADAMS软件的功能强大，基于XH7650参数化虚拟样机能够完成该系列产品多种性能的仿真。XH7650数控机床的ADAMS虚拟样机如图5所示。

图5 ADAMS中的XH7650数控机床虚拟样机

3.1 运动学分析

运动学仿真结果可以得到机床部件运动的速度、加速度、位移、轨迹和动画。仿真得到的XH7650数控机床中拖板的运动速度曲线如图6所示。

图6 中拖板的运动速度曲线

3.2 动力学分析

ADAMS能自动计算输出机械系统部件间的反作用力，并以曲线图形式输出。通过仿真得到机床运动部件运动的动画以及速度、加速度、位移等运动特性，同时，也可以分析机床零部件的力学特性，得到所受的各种载荷。通过比较不同尺寸系列机床的动力学分析结果发现，加减速时间越短，约束副中的力变化越大。图7为机床运行时床身与地面之间的作用力，可见，在部件加速减速运动阶段，约束副的作用力波动大，而在匀速阶段，约束副的作用力基本不变。

图7 机床运行时床身与地面之间的作用力

3.3 刚柔耦合分析

通过对机床整机进行模态分析发现，机床的中拖板部件变形较大，刚度较低，需要进行柔性化处理。中拖板有限元网格模型如图8（a）所示。在ANSYS中导入中拖板CAD模型，选择单元类型为Solid45，设置材料为铸铁，并进行网格划分。然后，选择界面点，生成MNF文件，并在ADAMS中导入。ADAMS中的分析结果如图8（b）所示。图中红色区域代表变形量较大，蓝色区域代表变形量较小。通过分析发现，中托板两侧边缘变形较大，需要提高结构刚度。