數控機床全參數化虛擬樣機的構建及應用

鄭 輝，鄭楚鑫，李文威，周廣兵

（華南智能機器人創新研究院，廣東 佛山528315）

傳統的產品開發流程一般為方案設計、圖紙設計、制造實物樣機和實物樣機試驗直至產品投產上市，存在著試驗周期較長、過程繁瑣、成本偏高等弊端，不能滿足企業對質量、效率以及成本的綜合要求。虛擬樣機技術是以虛擬樣機為核心、仿真為手段、各種CAx/DFx為工具的一種數字化設計方法和手段[1]。它通過在計算機上建造產品模型，并進行仿真分析，可以準確預測產品在功能、性能、外觀等各方面的特征和特性，進而為改進產品設計，提高產品性能提供良好的參考。虛擬樣機技術使高效率、高質量的設計生產成為可能[2]，正逐步成為當今工業界的主流核心技術。

數控機床是典型的精密加工設備，其結構件的運動學和動力學性能均有較高的設計要求。數控機床結構設計是否合理一般需基于機床樣機的綜合性能表現進行判斷。傳統意義上的數控機床性能分析只能在物理樣機制成后進行。為了實現數控機床的低成本快速開發，有必要將虛擬樣機技術應用到數控機床產品的整個設計流程中。

參數化技術為設計模型的可變性、可重用性，以及模型裝配等提供了有效手段。由參數化技術與虛擬樣機技術融合形成的參數化虛擬樣機技術，不僅增加了虛擬樣機的可重用性，而且進一步縮短了建模與仿真周期，更具工程應用價值。

基于參數化虛擬樣機技術進行數控機床的設計與分析，其核心是建立數控機床的全參數化虛擬樣機。本文以XH7650數控機床為研究對象，通過對SolidWorks/SolidWorks Motion和ADAMS軟件的二次開發，成功構建了該型數控機床的全參數化虛擬樣機，為該系列機床的綜合性能分析與多學科設計優化提供了良好的研究平臺。

1 軟件環境選擇與集成方式

1.1 軟件環境選擇

數控機床參數化虛擬樣機模型的功能有賴于功能強大的軟件平臺的支撐。選擇軟件環境要綜合考慮軟件的基本功能、集成能力、二次開發能力和參數化能力等。

建立虛擬樣機的三維CAD模型是構建參數化虛擬樣機的第一步。SolidWorks是集機械設計、制造于一體的自動化設計軟件。它建模功能強大，數據交換接口豐富，參數化能力強，有二次開發功能。因此，選用SolidWorks/SolidWorks Motion軟件建立數控機床實體模型。

建立數控機床參數化虛擬樣機模型需要功能強大的機械系統多體動力學仿真設計軟件的支持。ADAMS正是這一領域的佼佼者。它功能強大可以建立集機、電、液一體化的數控機床虛擬樣機；它能與多數 CAD軟件接口實現數據的共享和交換[3]；在ADAMS中可以進行二次開發，編寫或調用各種數據接口和控制界面，建立虛擬樣機的交互手段。故采用ADAMS作為數控機床進給系統的動力學仿真支撐。

以參數化三維設計軟件SolidWorks和機械動力學仿真軟件ADAMS為核心構建基礎的軟件環境，并在該環境內進行軟件的二次開發，定制專屬于數控機床的參數化虛擬樣機建模程序。

1.2 軟件集成方式

將數控機床的參數化分為機床結構尺寸的參數化、部件運動曲線的參數化（各部件運動起始位置，運動速度，運動加速減速時間，運動時間）和圖形用戶界面（GUI）的參數化。由于目前缺乏支持產品設計全過程的產品設計系統，需要選擇不同設計領域的軟件進行集成。

ADAMS造型功能薄弱，難以創建具有復雜特征的零件，但ADAMS允許輸入其它格式的圖形文件，更是可以和SolidWorks之間實現無縫連接。通過SolidWorks Motion模塊[4]，使SolidWorks不必退出應用環境就可以將CAD數據輸入到ADAMS中進行全面的動力學分析。因此，數控機床結構尺寸的參數化在SolidWorks中進行，并利用二次開發的參數驅動軟件和SolidWorks Motion接口將CAD模型保存在ADAMS可讀的adm文件和xmt_bin文件中。

部件運動曲線的參數化和圖形用戶界面的參數化使用ADAMS命令語言在ADAMS環境中完成二次開發。本文采用的軟件集成方式如圖1所示。

圖1 軟件集成方式

2 參數化虛擬樣機的構建

如圖2所示，XH7650型立式數控銑床的機械結構主要由床身、立柱、中拖板、主軸箱和工作臺五大部件組成。機床有三個方向的平移運動，分別是主軸箱沿立柱導軌做z方向的直線運動；中托板沿床身導軌做y方向的直線運動；工作臺沿中托板導軌做x方向的直線運動?，F要求建立XH7650系列數控機床的參數化虛擬樣機，并進行處于不同運動條件下的運動學、動力學等性能的綜合分析。

圖2 XH7650型數控機床結構

以下通過XH7650數控機床虛擬樣機的構建過程詳細說明參數化虛擬樣機的構建細節。

2.1 CAD模型的參數化

（1）建立零件和裝配體的三維CAD模型。在SolidWorks中建立零件模型并裝配；

（2）參數化零件和裝配體的CAD模型。對各零件和裝配體的主要尺寸設置參數和關系，以進行結構參數化；

（3）設置零件和裝配體的單位為“毫米千克秒”；

（4）利用 SolidWorks的 SolidWorks Motion插件建立多剛體虛擬樣機，包括在零件上需添加約束副的位置、傳感器的參考位置處建立標記點等；

（5）利用文獻[5]所開發的參數驅動程序自動驅動結構件尺寸，使其等于給定值，并自動生成amd和xmt_bin文件。見圖3.

圖3 XH7650數控機床的SolidWorks模型

2.2 運動條件的參數化

為了模擬機床部件之間的加速—勻速—減速的運動過程，利用ADAMS命令語言編寫程序表達了零件間的運動規律（假定各運動的加速時間、減速時間相同）。

（1）建立設計變量。建立若干設計變量，分別對零件的運動速度、運動初始位置、運動加速減速時間和運動時間進行了參數化。所建立的設計變量的含義如表1所示。

表1 設計變量及其含義

程序范例如程序1所示。

（2）部件運動的參數化。程序范例如程序2所示。

（3）建立傳感器。采用六個傳感器限定部件的運動范圍。程序范例如程序3所示。

（4）建立菜單和參數化的對話框。為便于參數的修改，定制了菜單和對話框界面，如圖4.建立對話框時，先在ADAMS中建立，然后導出為cmd文件。在ADAMS主菜單Tools下建立子菜單XH7650，程序范例如程序4所示。

圖4 ADAMS界面的定制

對話框界面內容的參數化，其程序范例如程序5如下。

3 參數化虛擬樣機的應用

由于ADAMS軟件的功能強大，基于XH7650參數化虛擬樣機能夠完成該系列產品多種性能的仿真。XH7650數控機床的ADAMS虛擬樣機如圖5所示。

圖5 ADAMS中的XH7650數控機床虛擬樣機

3.1 運動學分析

運動學仿真結果可以得到機床部件運動的速度、加速度、位移、軌跡和動畫。仿真得到的XH7650數控機床中拖板的運動速度曲線如圖6所示。

圖6 中拖板的運動速度曲線

3.2 動力學分析

ADAMS能自動計算輸出機械系統部件間的反作用力，并以曲線圖形式輸出。通過仿真得到機床運動部件運動的動畫以及速度、加速度、位移等運動特性，同時，也可以分析機床零部件的力學特性，得到所受的各種載荷。通過比較不同尺寸系列機床的動力學分析結果發現，加減速時間越短，約束副中的力變化越大。圖7為機床運行時床身與地面之間的作用力，可見，在部件加速減速運動階段，約束副的作用力波動大，而在勻速階段，約束副的作用力基本不變。

圖7 機床運行時床身與地面之間的作用力

3.3 剛柔耦合分析

通過對機床整機進行模態分析發現，機床的中拖板部件變形較大，剛度較低，需要進行柔性化處理。中拖板有限元網格模型如圖8（a）所示。在ANSYS中導入中拖板CAD模型，選擇單元類型為Solid45，設置材料為鑄鐵，并進行網格劃分。然后，選擇界面點，生成MNF文件，并在ADAMS中導入。ADAMS中的分析結果如圖8（b）所示。圖中紅色區域代表變形量較大，藍色區域代表變形量較小。通過分析發現，中托板兩側邊緣變形較大，需要提高結構剛度。

圖8 XH7650數控機床的剛柔耦合分析

4 結論

（1）利用SolidWorks/SolidWorks Motion的參數化功能并結合ADAMS命令語言，實現了對虛擬樣機建模過程的封裝，間接實現了ADAMS中導入模型的參數化，實現了CAD模型和虛擬樣機模型的集成及CAD模型向虛擬樣機模型的自動轉換。

（2）所建立的參數化虛擬樣機模型可用于機床的運動分析、動力學分析、剛柔耦合分析等場合。由于實現了機床結構、運動的參數化，使得模型的可重用性更強。結構分析人員可以基于此模型進行各類分析和結構優化，這將極大縮短產品的研制時間。

（3）建模思路可以為其他類型機床參數化虛擬樣機模型的建立提供參考。模型構建過程的自動化程度還有望進一步提高，從而應用于機床的快速優化設計。