大型工件超長平面銑鉆專用機床的仿真分析與研究

綜合利用CAD/CAE/MSS技術(shù)，對銑鉆專用機床進行仿真分析和研究。通過Pro/E建立機床的實體模型，將模型輸入到ADAMS中，對機床進行動力學仿真。為提高系統(tǒng)仿真的精度，將銑鉆專用機床床身大梁柔性化，研究不同工況下，床身大梁與拖板之間的動態(tài)特性。同時，為求解床身大梁載荷提供了新的方法。

    廣西龍灘水電站是西部大開發(fā)的戰(zhàn)略重點工程。在龍灘水電站工程中，要求對16m長大型閘門的水封平面進行加工。該水封平面的尺寸為160mm×16000mm，要求其表面粗糙度達到見12.5μm以下，平面度在20ml范圍內(nèi)不大于1.5mm。國內(nèi)目前尚未具備加工這樣超長大型閘門的條件。針對這種情況，我們研究和設(shè)計出一種易于制造、成本低、具有創(chuàng)新的大型工件超長平面銑鉆專用機床。

    本文綜合運用了Pro/E、ANSYS和ADAMS軟件對專用機床系統(tǒng)進行仿真分析與研究。通過真實模擬機床在工作時不同的銑削情況，對機床進行動態(tài)仿真，求解機床導軌與拖板的接觸情況以及機床導軌所受的工作載荷，分析研究機床的動態(tài)特性，對仿真結(jié)果進行分析。機床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

    1 專用機床三維實體模型的建立

    用Pro/E建立銑鉆專用機床的整機模型時，首先建立所有零件模型，然后按照裝配關(guān)系進行裝配。由于建立整機模型的目的是將該模型傳人多體動力學軟件ADAMS中進行運動仿真.而ADAMS只對進行仿真的構(gòu)件質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量有要求，而對其具體幾何特征不關(guān)心。圖2為用Pro/E建立的銑鉆專用機床三維實體模型。

    2 機床虛擬樣機的仿真分析

    2.1 機床剛?cè)狁詈象w的建立

    為了研究床身大梁與拖板之間的碰撞及床身大梁的變形情況，將床身大梁變?yōu)槿嵝泽w，在ANSYS中建立床身大梁的有限元模型，再導人到ADAMS中，與框架式拖板裝配構(gòu)成剛?cè)狁詈象w。

    MECHANISM/Pro模塊是鏈接Pro/E與ADAMS的接口模塊，兩者采用無縫鏈接的方式，不需退出Pro/E應(yīng)用環(huán)境，就可以將裝配好的產(chǎn)品總成根據(jù)其運動關(guān)系定義各個剛體和施加約束，再將模型傳送到ADAMS/View中，進行全面的動力學分析。

    在整個機床中總共定義16個剛體，為確定剛體之間的約束，在每個剛體上定義標記點，整個機床總共定義19個標記點。裝配好的模型通過Pro/E與ADAMS接口輸入到ADAMS中。

    ADAMS/Flex柔性分析模塊是ADAMS軟件包中的一個集成可選模塊，它提供了ADAMS與有限元分析軟件ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、I—DEAS之間的雙向數(shù)據(jù)接口.利用這些軟件可以建立柔性體零件的有限元模型，進行特定的有限元分析，然后生成模態(tài)中性文件。

    在ANSYS中建立床身大梁的有限元模型，采用自動劃分網(wǎng)格，單元類型為Solid92，床身大梁共計劃分單元數(shù)量為42543，節(jié)點數(shù)為85875。在床身大梁上定義26個硬點，這些硬點將作為模型從ANSYS輸入到ADAMS中的界面點.在ADAMS中這些點將起到連接其它構(gòu)件和作為力的作用點。

    在床身大梁與立柱之間定義軸套力來模擬它們之間的作用力關(guān)系，在拖板與床身大梁之間定義接觸力來模擬它們之問作用力的關(guān)系，而接觸力必須是在剛65與剛體之間定義，故須在床身大梁與拖板接觸處施加虛擬物65，虛擬物體與床身大梁用固定副聯(lián)結(jié)，在虛擬物體與拖板之間定義接觸力。

    2.2 銑削力計算

    2.3 動力學仿真

    在穩(wěn)態(tài)切削的情況下，對拖板與床身大粱進行運動仿真研究。設(shè)置運行長度為1250mm，移動速度為250mm/min，時間周期為300s，wl-間步長為0.018。機床動力學仿真見圖4。

    由于床身大梁與框式拖板之間有7副導軌相配合，分別定義7個接觸力來模擬床身大梁與框式拖板各導軌間的接觸情況。在如下表所示的不同切削情況下，分別對床身大梁與框式拖板接觸情況進行仿真比較。下面以第1種工況下，第一副導軌(三角形導軌)接觸為例，對床身大梁與拖板問的接觸力和接觸力矩進行計算。 #p#page_title#e#

    圖5為三角形導軌所受的X、Y、Z方向的力。F_X和F_Z的大小相等，方向分別與X軸和Z軸正向相反；Fr較小，方向與運動方向相反，為導軌面的摩擦力。圖6為導軌所受的繞X、Y、Z軸的力矩。其中，T_X和T_Z的大小基本相等，T_X與X軸正向相同，T_Z與Z軸正向相反；T_r較小，方向與Y軸正向相反。由上可知，三角形導軌面為主要受力面，側(cè)面導軌和底部導軌限制了框式拖板的傾翻。其它3種情況，用以上相同方法求解。

    3 結(jié)論

    采用Pro/E、ANSYS、ADAMS軟件對機床進行了仿真分析，由3個軟件集成開發(fā)的機床虛擬樣機行之有效，在一定程度上可取代物理樣機。通過機床虛擬樣機仿真研究，求出機床不同的切削情況和床身大梁的變形情況，并進一步求出床身大梁與拖板之問的接觸力和接觸矩，為計算床身大梁的載荷提供了新的方法。