基于CAD技術在虛擬軸數控機床應用研究

唐 健

（重慶工業職業技術學院，重慶 401100）

0 引言

隨著傳統機床技術的發展，其技術已經日益成熟，加入了數控技術后機床的加工精度、自動化程度、加工范圍等都很大改善。但是機床的結構還是將床身、立柱、主軸箱等串聯形成，其控制比較簡單。存在一些缺陷：受力或熱變形不均；機床造價高、笨重、搬運困難；機床的模塊化程度受限，系統也變得不可靠。到了90年代，出現了一種結合機器人技術和機床結構技術的新結構機床稱為虛擬軸機床，又叫并聯機床，它是機床行業的重大變革。虛擬軸機床是結合了機械制造、數控技術、空間機構學、CAD技術和計算機等的高科技。文章從虛擬軸機床的特性出發結合CAD技術，選擇了較先進的ADAMS軟件進行建模和運動學分析等。

1 虛擬軸數控機床

虛擬軸機床在我國已經被列入“九五”科技攻關和高課題發展規劃，國家自然科學基金對其技術基礎理論的研究也給予資助。隨著計算機的處理能力加快，今后硬件的復雜性在向著軟件方面遷移，結構簡單但卻智能高效的機電產品正在走向市場。虛擬軸機床在這樣的大環境下發展，我們有理由相信今后必將有廣闊的應用范圍，成為某些領域里傳統機床的重要補充。虛擬軸機床結構如圖1所示，它克服了串聯機床刀具自由度小、設備加工不靈活等缺點，具有以下六個特點。

1）結構簡單：虛擬軸機床采用并聯閉環靜定或者非靜定桿系，構造機械零部件數目較串聯構造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、電主軸、伺服電機等通用機電一體化部件組成，遇到復雜的曲面進行加工時，只要控制六桿長度就能完成。因此其結構大大簡化了。

2）剛性高：虛擬軸機床是封閉性結構，因此具有高剛性和高速化，它的負荷流線短，六只連桿能承受負荷分解的拉、壓力，當固定外力，應力和變形最大，兩端插入其次，兩端簡支撐，然后是二力結構，受張力的二力結構其變形最小，因此它的剛度重量比比傳統機床高。

3）加工速度高：如果改變受力方向，兩力構件就是最節省的結構，移動件最小重量而且有六個致動器對它們驅動，機床高速化容易實現，并且慣性低。

4）精度高:機床采用多軸并聯機構，六個可伸縮桿對刀具都可以獨立控制機床位置，熱對稱性結構，變形較小。

圖1 虛擬軸數控機床結構

5）靈活性強：機床設計靈活，既能做成通用型又能開發成專用機床，實現加工過程磨削、銑削、鏜削等，使機床的多功能得以實現。

6）使用壽命長：機床結構十分合理，各種部件之間的磨損比較小，不會有鐵屑等磨損、劃傷導軌的內部。

2 CAD技術

2.1 CAD概述

CAD(計算機輔助設計)，是一種在數控加工生產過程中的輔助工具，它能夠將大容量和處理數據的能力，計算機精確、高速的運算能力，豐富多彩的文字、圖形處理和設計者的綜合分析、創造性、邏輯判斷能力這些都有機結合，形成一個設計理念和計算機緊密結合的系統，加快系統設計的進程。

CAD技術全面、根本的變革了傳統機械制造業，發生了質的飛躍，受到全球范圍的重視和關注，我國的機械行業要想得到快速發展，也必須要適應和發展 CAD技術。要努力提高CAD技術的應用水平，高度重視該技術的應用和推廣，加大投入力度，使CAD技術邁上一個新臺階；要開發自主的CAD軟件，加大創新，對于引入國外優秀的CAD軟件還要對其進行二次開發，要適合中國國情針對機械制造業，開發出有競爭力、有特色的CAD產品。CAD是綜合多門學科的新技術，包括模型設計、繪制圖形、工程分析等部分，還包括軟件設計和文檔處理等?？梢?，平常我們說的計算機繪圖只是CAD技術的一個部分。

CAD的機械支撐軟件目前也很多，包括1）圖形資源軟件，是圖形標準或者規范的軟件包，負責供給程序圖形程序包或者函數庫。2）二維、三維繪圖軟件，負責零件的詳細設計，可以分為兩種方式交互式和程序調用，交互式是目前的主要形式，國內用得最多的是AutoCAD。3）幾何造型，解決零件的結構設計，存儲三維等相關信息。4）工程分析和計算軟件，計算和優化方法庫、機構分析和綜合軟件、系統分析軟件等。

2.2 ADAMS分析

ADAMS強大的運動學、動力學分析功能，使其在工程領域備受青睞。虛擬軸機床運動的復雜性正好適合用ADAMS強大的功能對其分析，并且獲得可視化結果也很快捷。ADAMS是實體建模技術，并且加入特征造型和變量技術。ADAMS對于簡單零件的建模很輕松，復雜零件就需要借助UG等軟件建模，再將模型放入ADAMS中做仿真分析。ADAMS提供許多模型參數化和分析的方法，自動仿真和分析，得到可視化結果，提高分析效率。

ADAMS軟件創建的完全參數化的機械幾何模型，采用動力學中的拉格朗日方程作為求解器，建立方程，對虛擬軸機床做出運動學、動力學分析，并且輸出速度、位移、加速度等曲線。ADAMS的仿真主要用來預測機械性能、運動范圍、峰值載荷等。

3 虛擬軸機床建模和分析

3.1 建立模型

為虛擬軸機床建立運動學和動力學兩個模型。運動學模型機床的原理機構比真實的機床大大的簡化。運動學模型如圖2所示，結構非常簡單，僅僅表示了球鉸、虎克鉸等都采用ADAMS的理想約束模型，分析機床的理想機構的運動學原理。而機床的動力學模型分為機床的外形，包括機床的整體形狀，床身和立柱等固定件；運動部分如圖3所示包含球鉸、虎克鉸和驅動軸，屏蔽不影響機床運動的組件，對于運動組件各自獨立建模?；⒖算q的組成為軸線垂直的兩個轉動副，外環相對地面進行轉動，內環相對外環沿軸轉動；球鉸的組成稍復雜為相互垂直三個軸線的轉動副，法蘭盤是和動平臺固連，它們和球鉸座間有一個轉動副，球鉸座和球鉸軸間為第二個轉動副，與套筒之間有第三個轉動副，驅動軸和套筒的細腿相固連。這和運動學模型不同，更接近于真實機床。

圖2 電機運動學模型圖

圖3 動力學模型的運動部分模型

3.2 運動學分析

對機床模型的運動學正解進行分析，輸入機床各個腿由終端計算輸出的運動規律。利用ADAMS計算速度、輸出位姿、各坐標軸分量都十分方便。假設給定各條腿長的運動規律：s1=50sin(t)；s3=110sin(t)；s2=80t； s4=90t；s5=120t；s6=85t。

表示第i條的腿長，單位mm，t表示時間。腿1、腿3運動為正弦，腿2、4、5、6是勻速運動，計算終端的速度和運動軌跡。

我們經過在運動學模型上對機床的仿真測試，得到終端A點的空間軸分量曲線（圖4），以及終端A點的速度曲線（圖4）和A點速度曲線y軸分量（圖5）。圖4曲線中的尖峰和低谷以及速度突變的地方都是值得重點研究和特別注意的，有可能是力和加速度會大。

圖4 終端A點的速度曲線

圖5 A點速度曲線y軸分量

虛擬軸數控機床的運動學正解問題可能是多解，但是當確定初始值和腿長連續變化軌跡給定的情況下，終端的構形變化是唯一的。

4 結論

本文闡述了虛擬軸機床這種將機器人和數控技術結合的機床的特點和介紹了CAD技術的發展，

選擇了較好的ADAMS軟件進行仿真建模和運動分析。ADAMS強大的機構分析功能可以比較全面地分析虛擬軸機床的運動學性能，以及動力學性能。在運動學分析中給定腿長的運動規律得到了正解的終端運動規律。利用動力學模型對虛擬軸機床的受力情況也同時做了分析。從實驗數據可見，并聯機床的輸入、輸出是非線性關系。并聯機床和傳統的串聯機床是互補關系，我國還需要提高和加大對虛擬軸機床的研究，并應用到實際增強控制和決策，優化制造過程，是機械制造的未來發展方向，具有重大而深遠的意義和價值。

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