基于Pro/E和Adam s的鉆削加工中心光機三維建模、動態演示及運動學仿真分析

馬慶恒，朱 攀，王 超，姜貴中，林 琳

（云南省機電一體化應用技術重點實驗室 云南省先進制造技術研究中心，云南 昆明 650031）

0 引言

現代工業加工設備中鉆削加工占很大比例，鉆削加工中心是機械制造行業中應有較廣泛的金屬切削工藝之一，目前由于高速主軸技術、直線電機技術、高速控制技術以及刀具技術的發展和進步，以加工的高速化實現加工的高品質、高效率已成為鉆削加工技術發展的重要特征。

線性導軌鉆削加工中心光機是云南省先進裝備制造業具有技術比較優勢及特色的領域之一，傳統的研制模式主要采用“提出方案－二維設計－制造－組裝－物理樣機反復試驗－改進”往復循環的經驗設計方法，造成研制周期過長，研制成本過高，且樣機零部件之間經常出現裝配問題，尤其是靜態干涉及動態干涉問題，極大地降低了研制的正確性和可靠性。

1 整機的工作原理和結構、性能特點

總體布局采用類似立式加工中心的結構，具有X、Y坐標移動工作臺、Z向主軸垂直進給移動、轉塔形刀庫、全封閉防護罩等。

底座采用大斜面設計，易于沖刷鐵屑，提高排屑效果，加快切削液回流速度。采用箱型滑座、人字型立柱，各個軸向電機座、軸承座與其所安裝到的大件采用一體化鑄造成型，從而大件的強度和剛性得到極大提高。

采用轉塔形刀庫，不需單獨電源，刀庫容量為14把刀；自動換刀裝置采用單主軸整體轉塔刀庫，裝有多根帶刀具的刀柄，換刀時各個刀柄順序裝夾在主軸上而達到換刀作用；主軸采用機械式打刀，主軸打刀裝置沒有打刀缸，直接運用固定在箱體上的打刀機構，當主軸箱過了加工最高點，進入刀庫換刀行程，打刀機構與刀庫支撐架上安裝的松刀碰塊接觸，松刀，進行換刀。這樣的結構簡單、可靠、換刀速度快。

主軸傳動系統采用交流主軸電動機驅動，從而極大地提高了主傳動的平穩性和抗振性；進給系統采用交流伺服電動機驅動。主軸轉速高變速范圍大，滾珠絲杠直接與電動機聯接。減少了傳動誤差和反向間隙，提高了傳動效率、精度和剛度；具有高速攻螺紋性能，主軸同轉與主軸進給（Z軸）保持嚴格同步，也稱為同步攻螺紋。因此，可以取消攻螺紋的浮動環節，絲錐直接裝在夾頭內，可提高攻螺紋精度。高速剛性螺紋最高轉速達3600～6000r/min，減少切削時間，并可快速反轉退出絲錐，因此也提高了攻螺紋的效率。整機具有占地面積小、換刀速度快、能夠實現一次裝夾完成銑削、鉆孔、攻絲，提高了鉆削生產效率、降低了生產成本，具有操作簡單等優點。

2 基于Pro/E完成整機的三維建模、靜態干涉檢查

采用正向工程、自下向上的方法進行三維建模，即：首先使用草繪模塊，設繪出復雜特征和通用特征的截面圖，保存為*.sec。其次使用零件模塊，設繪出零件模型，保存為*.prt。第三，使用裝配模塊，均以“剛性”連接的方式逐級完成裝配，設繪出元件→部件→組件→整機裝配模型，保存為*.asm。配合使用繪圖模塊，設繪出上述模型的工程視圖集，保存為*.drw。在上述模塊內可完成特征及元件的創建及編輯、視圖管理、渲染、靜態干涉檢查、裝配爆炸、測量、關系式和簇表定義及使用等操作。

說明：對總裝模型樹內一級元件的選取，既以合作單位傳統的分類習慣或標準為主，又兼顧在Adams中易于前處理等實際需要作些調整，經過多輪次反復摸試才最終敲定。均采用據其元件名的漢語拼音的全拼來作內外部命名，從而易于見名知義，提高辨識度。

3 基于Adams完成整機的動態演示及運動學仿真分析[1～3]

3.1 Pro/E與Adams之間的數據轉換

在Pro/E該總裝模型（tom-z540b.asm）內，逐一操作，實現：將模型樹內當前一級元件（注：零件或部件）以外的其它元件全部“隱含”或“凍結”，實現在圖形區僅顯示該元件，再將該總裝模型另存為*.x_t（注：在另存對話框中，各個控件均采用默認選項值），隨后將該總裝模型從Pro/E內“拭除”后再重新“打開”。從按此法推進，逐一生成12個*.x_t文件。

3.2 導入前，對帶有螺旋掃描特征的零件模型，均配作同一簡化處理

處理方法：均無螺旋掃描特征。從而：滾珠絲桿等螺桿件均呈現為光桿，滾珠絲桿螺母等螺母件均呈現為光孔。

說明：該處理的起因是以多種格式轉換后，導入Adams，螺旋掃描特征均會出現失真。

3.3 導入前，對滾珠絲桿零件模型，均另外配作涂對比色處理

處理方法：在零件模型（*.prt）內，分別“復制”零件兩側的回轉面、隨后“粘貼”，從而創建出目標面組，隨后對該面組涂對比色，效果見圖2～圖4整機模型內相應的零件模型顯示。

說明：導入Adams后，進行運動學仿真時，對比色用作該件旋轉方向及旋轉快慢的視覺標識。

3.4 整機各個運動機構的工作原理

整機拆除三個軸向的防護罩組件后的立體圖如圖1所示，圖中各個運動機構的工作原理具體描述如下：

3.4.1 整機各個進給運動機構的工作原理

底座組件1、立柱組件12與刀庫組件18的框架均為定件，均采用緊固件連接實現絕對固裝。滑座組件6為動件，其通過Y軸線性導軌組2與Y軸滑塊組3以對稱形式配裝到底座組件1的上端面，并可沿Y軸作絕對平移進給運動。工作臺組件11為動件，其通過X軸線性導軌組9與X軸滑塊組10以對稱形式配裝到滑座組件6的上端面，并可沿X軸作相對平移運動，故其可在某一水平面內作XY兩軸聯動的絕對平移進給運動。主軸組件15為動件，其通過Z軸線性導軌組16與Z軸滑塊組17以對稱形式配裝到立柱組件12的前端面，并可沿Z軸作絕對平移運動。加工期間，工件就可相對刀具作XY三軸聯動的平移進給運動。

圖1 拆除三個軸向防護罩組件后的整機模型Fig.1 The whole machine model after removing three axial shield components

XY三軸各自的傳動結構及路線極其類似：各自的電機組件、軸承組件均采用緊固件連接實現分別固裝到滑座組件、底座組件與立柱組件。各自的滾珠絲桿（7、4、13）一端采用聯軸器直聯電機，另一端配裝到軸承座，實現可繞各自的軸向作任意旋轉運動。各自的滾珠絲桿螺母（8、5、14）既套裝在其滾珠絲桿（7、4、13）上，又采用緊固件分別與工作臺組件11、滑座組件6、主軸組件15連接，實現相對固裝，從而實現分別帶動上述組件沿各自的軸向作任意平移進給運動。

3.4 .2整機切削運動機構的工作原理

主軸頭配裝在主軸組件下方，主軸電機采用緊固件連接實現相對固裝在主軸組件內部，并經軸系零部件連接將運動和動力傳遞給主軸頭，實現主軸頭繞Z軸作任意旋轉的切削運動。

3.5 導入后，對模型采用同一方法進行前處理

啟動Adams/View，新建模型，將上述12個*.x_t文件逐一導入（注：均采用ASCII、Part Name選項）。完成后，系統自動創建出12個構件。逐一設置各個構件的材料屬性。創建3個旋轉副（Revolute Joints）、3個螺旋副（Screw Joints）、3個移動副（Translational Joints）、6個固定副（Fixed Joints）和3個旋轉驅動（Motions），完成后，共有 15個運動副和3個驅動。其中，各個運動副所關聯到的兩個構件參見圖3所示的模型樹Connectors內顯示的相關內容。在各個螺旋副內，均將螺距值（Pitch）設為120。在X、Y、Z 方向的 Motions內均設定“Displacement”，據動態演示需要，函數均設定為：480.0*sin（time），代表各個時刻X、Y、Z方向的角速度大小均相等，均按 ωx（或 ωy或 ωz）=480sin（t）求算來取值。最后作細節處理：各個構件、運動副、驅動改名，各個構件涂對比色等。前處理完成后整機顯示如圖2所示，保存為TOM_Z540B.bin。圖2模型樹Bodies內各個構件名稱從上向下依次表示：刀庫組、主軸組、Z向滾珠絲桿螺母、Z向滾珠絲桿、立柱組、工作臺組、X向滾珠絲桿螺母、X向滾珠絲桿、滑座組、Y向滾珠絲桿螺母、Y向滾珠絲桿、底座組及大地。

圖2 在Adams/View中前處理完成后的總裝模型Fig.2 Assembly model after pretreatment in Adam s/View

3.6 對整機的進給運動進行運動學仿真計算與動態演示

單擊仿真操作對應的圖標，設置好相應的選項和參數值后，單擊開始按鈕，軟件隨即在后臺進行運動學仿真計算并在圖形區實時顯示整機運動仿真過程，實現動態演示。

整機在不同時間節點的動態演示效果如圖3～圖4所示。

圖3 整機作進給運動第1秒末時的仿真效果Fig.3 Simulation effect of the whole machine as feed movement at the end of 1s

圖4 整機作進給運動第5秒末時的仿真效果Fig.4 Simulation effect of the whole machine as feed movement at the end of 5s

3.7 對整機的進給運動進行仿真結果分析和后處理

3.7.1 使用Measure獲取動件的運動特性曲線

在Adams/View該模型內，在圖形區選取某一動件，單擊右鍵，選取該對象名，如：工作臺組件 （Part：gongzuotaizu），從下拉菜單選取Measure選項。在【Part Measure】對話框內視需要選取相應的選項，單擊Apply按鈕后，即可顯示該動件拾取點（如：工作臺組件質心點）處相關的運動特性測量曲線。

3.7.2 使用Adams/Postprocessor獲取動件的運動特性曲線

在Adams/Postprocessor該模型內，采用左上角缺省的“Plotting”模式，依次選取所需的亮顯項，單擊Add Curves，圖形區將以不同的顏色和線型作區別來顯示所選取的動件組相關的運動特性測量曲線，效果如圖5所示。

圖5 工作臺組件質心點處的運動特性曲線Fig.5 M otion characteristic curves at the center of the worktable com ponents

3.7.3 使用Adams/Postprocessor輸出整機進給運動的仿真動畫

在圖5所示的界面內，將左上角設置為“Animation”動畫模式，在圖形區單擊右鍵，從右鍵選取“Load Animation”，即可載入該整機模型，在控制面板內完成相關設置后，點擊相關的播放鍵，對動畫進行播放和控制。即：可實現向前或向后、單幀或連續、單次或循環播放。播放的同時，若點擊錄音鍵，即可同步制作動畫并可保存為*.avi文件并可實現在外部播放。

3.8 動態演示與運動學仿真分析吻合性校驗

從工作臺組件質心點處的動態演示、前處理中運動參數設置及其運動特性曲線查證：仿真結果與理論計算吻合，滿足設計要求，其它動件組的比對方法和結果類同。

4 結束語

目前進行了該款產品整機的三維建模、動態演示及各個進給運動機構的運動學仿真分析，根據仿真結果來驗證設計方案、消除靜態和動態的干涉。對物理樣機的研制和產品的投產均起到了理論指導和實踐驗證作用，在合作單位中推廣了先進的設計、分析一體化的理論和技術。今后將拓展來研究關鍵零部件直至整機的動力學特性，在Adams內進行柔性體建模、參數化建模、敏感性分析、優化分析、振動分析，甚至機、電、液一體化設計與分析等。