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車銑加工中心仿真結(jié)果與分析
閱讀：105 發(fā)布時(shí)間：2020-8-12
2. 4車銑加工中心仿真結(jié)果與分析
基于虛擬樣機(jī)的車銑加工中心仿真主要包括運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、動(dòng)力學(xué) 仿真。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可以檢驗(yàn)所建的虛擬樣機(jī)模型是否正確，是否發(fā)生 干涉，同時(shí)可以對(duì)機(jī)床在運(yùn)動(dòng)中位移、速度、加速度進(jìn)行評(píng)估。動(dòng)力學(xué) 仿真可以預(yù)測(cè)在加工過(guò)程中電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力大小，同時(shí)可以通過(guò)多剛體 和多柔體系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)驅(qū)動(dòng)力誤差分析。因此對(duì)車銑加工中心 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真是非常有必要的。
2.4.1車銑加工中心的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析
通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可以觀察機(jī)床在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中干涉現(xiàn)象的發(fā)生，以 檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，從而可以修改和完善機(jī)床的設(shè)汁。其中運(yùn)動(dòng) 學(xué)仿真是使機(jī)床的虛擬樣機(jī)模型按照要求作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而檢驗(yàn)機(jī)床 的各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)軌跡是否滿足設(shè)計(jì)要求。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是在不考慮 力的作用情況下研究機(jī)械系統(tǒng)的各部件的位置、速度。車銑加工中心 在空間上進(jìn)行螺旋線軌跡的正逆運(yùn)動(dòng)仿真研究。
將上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律按驅(qū)動(dòng)方式加載到刀頭點(diǎn)，進(jìn)行逆動(dòng)力學(xué)的仿真。 滑板、橫滑板、動(dòng)力刀架沿著X、Y、Z合成方向的位移曲線和速度曲 線，如圖2. 9和圖2. 10所示。
按照刀頭點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以在虛擬樣機(jī)的后處理模塊中求得滑 板、橫滑板、動(dòng)力刀架的運(yùn)動(dòng)曲線，并通過(guò)后處理的函數(shù)功能，利用函數(shù) 將三個(gè)部件運(yùn)動(dòng)曲線表示出來(lái)，然后將所得運(yùn)動(dòng)曲線函數(shù)再加載到三 個(gè)部件的電機(jī)上，關(guān)閉刀頭點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)改為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)仿 真，所得刀頭點(diǎn)的位移、速度和加速度曲線如圖2. 11所示。
仿真結(jié)果分析:①由逆運(yùn)動(dòng)學(xué)可以看出，對(duì)于刀具末端按所給的螺 旋線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以看出其曲線的形成是由滑板、橫滑板、動(dòng)力刀架共同 完成的，存在相同的周期性，仿真結(jié)果符合加工軌跡要求;②從正運(yùn)動(dòng) 學(xué)的仿真結(jié)果圖中可以看出，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。ADAMS對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿 真，符合正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，同時(shí)也驗(yàn)證了虛擬樣機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)部 件之間符合我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，這為后續(xù)的車銑加工中心的動(dòng) 態(tài)特性提供了基礎(chǔ)條件。
2.4.2基于多柔體的動(dòng)力學(xué)仿真分析
通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真可以獲得車銑加工中心電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，為電機(jī)的參 數(shù)選擇提供了參考依據(jù)，通過(guò)多柔體和多剛體仿真可以獲得兩種情況 下的驅(qū)動(dòng)力和刀尖位移軌跡，因此進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析是非常有意義 的。在對(duì)剛體進(jìn)行仿真分析時(shí)，其銑削加工可分為兩種情況:第一種是 空載，機(jī)床在進(jìn)給時(shí)的大速度和加速度達(dá)到該機(jī)床設(shè)計(jì)極限，即大 速度為〇. 5m/s,大加速度為1^，測(cè)得電機(jī)所需的大驅(qū)動(dòng)力；第二種 是刀具勻速進(jìn)給i，=〇.4m/s，同時(shí)受到銑削力的作用。對(duì)于不同材質(zhì) 的銑刀加工不同材質(zhì)的工件，當(dāng)加工參數(shù)確定后，可利用相應(yīng)的公 式1183來(lái)計(jì)算切削力。下面以高速工具鋼（W18Ci4V)材質(zhì)的立銑刀端 面銑削45#鋼工件為例進(jìn)行切削力分析。
經(jīng)過(guò)汁算和仿真可知第一種的驅(qū)動(dòng)力大于第二種驅(qū)動(dòng)力，所以研 究第一種情況有重要參考價(jià)值的。現(xiàn)在以第一種情況進(jìn)行仿真，圖2.12是刀具的大速度（0.5m/s)和加速度（lg)是以正弦和余弦曲線進(jìn)給。在ADAMS中給定位移運(yùn)動(dòng)方程以刀具沿X方向運(yùn)動(dòng)為例，具體設(shè)置如下:車銑加工中心在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，以工作空間搜索的方法，獲得滑板、 橫滑板、動(dòng)力刀架上的電機(jī)大驅(qū)動(dòng)力，具體仿真結(jié)果如圖2. 13所示， 該結(jié)果可以為電機(jī)參數(shù)的選擇提供參考依據(jù)。
在獲得驅(qū)動(dòng)力基礎(chǔ)上，按照上面方法分別進(jìn)行多剛體和多柔體仿 真分析，具體結(jié)果如圖2. 14所示，其中圖2. 14(a)為在Z方向上的多 剛體和多柔體的驅(qū)動(dòng)力對(duì)比曲線圖，為了對(duì)比清楚可以對(duì)兩條曲線做 差運(yùn)算，從而獲得圖2. 14(h);圖2. 14(c)為F方向的驅(qū)動(dòng)力對(duì)比曲線 圖；圖2. 14( d)為Z方向的驅(qū)動(dòng)力對(duì)比曲線圖。
圖2. 15所示為在多剛體和多柔體模型中銑刀位移軌跡曲線圖，其中圖2. 15(a)為在Z方向的多剛體和多柔體的位移曲線對(duì)比圖，為了 對(duì)比清楚可以對(duì)兩條曲線做差運(yùn)算，從而獲得圖2. 15(b);圖2. 15(c) 為義方向的差運(yùn)算后的銑刀位移曲線圖；圖2. 15(d)為F方向差運(yùn)算 后的銑刀位移曲線圖。
從圖2. 14和圖2. 15仿真結(jié)果可以看出：①多柔性體受力明顯比 多剛件的大些，獲得的仿真結(jié)果與實(shí)際更接近，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的 選擇以多柔體仿真結(jié)果更準(zhǔn)確；②虛擬樣機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中開(kāi)始的時(shí)候 受到的驅(qū)動(dòng)力有突變現(xiàn)象的發(fā)生，尤其在拐點(diǎn)處，可能是加速造成的; ③從切削原理角度講，由于機(jī)床剛度是恒定的，切削力越大，則產(chǎn)生的 柔性體差值也就越大;④根據(jù)在移動(dòng)過(guò)程中刀具位移軌跡誤差添加到 數(shù)控系統(tǒng)中，有利于補(bǔ)償車銑加工中心的形位誤差，提高了機(jī)床加工 精度。
2. 5本章小結(jié)
(1)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和有限元方法相結(jié)合建立多柔體的仿真系 統(tǒng)。具體通過(guò)ADAMS和ANSYS軟件協(xié)同建模，將車銑加工中心關(guān)鍵 部件轉(zhuǎn)化成柔性體，與其他部件形成剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)。
(2)基于多柔體系統(tǒng)的車銑加工中心運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析和動(dòng)力學(xué)仿 真分析。不僅可以觀察機(jī)床在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否干涉現(xiàn)象的發(fā)生，而且 為加工中心的電機(jī)參數(shù)的選擇提供了參考依據(jù)。通過(guò)多柔體與多剛休 虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比分析，柔性體驅(qū)動(dòng)力比剛性體驅(qū)動(dòng)力大很多， 采用多柔休系統(tǒng)仿真更能反映實(shí)際情況。
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