2. 4车铣加工中心仿真结果与分析
基于虚拟样机的车铣加工中心仿真主要包括运动学仿真、动力学 仿真。运动学仿真可以检验所建的虚拟样机模型是否正确,是否发生 干涉,同时可以对机床在运动中位移、速度、加速度进行评估。动力学 仿真可以预测在加工过程中电机的驱动力大小,同时可以通过多刚体 和多柔体系统在运动过程中对驱动力误差分析。因此对车铣加工中心 运动学和动力学进行仿真是非常有必要的。
2.4.1车铣加工中心的运动学仿真分析
通过运动学仿真可以观察机床在运动过程中干涉现象的发生,以 检验机构设计是否合理,从而可以修改和完善机床的设汁。其中运动 学仿真是使机床的虚拟样机模型按照要求作机械运动,从而检验机床 的各运动部件的运动轨迹是否满足设计要求。运动学分析是在不考虑 力的作用情况下研究机械系统的各部件的位置、速度。车铣加工中心 在空间上进行螺旋线轨迹的正逆运动仿真研究。
将上述运动规律按驱动方式加载到刀头点,进行逆动力学的仿真。 滑板、横滑板、动力刀架沿着X、Y、Z合成方向的位移曲线和速度曲 线,如图2. 9和图2. 10所示。
按照刀头点的运动规律可以在虚拟样机的后处理模块中求得滑 板、横滑板、动力刀架的运动曲线,并通过后处理的函数功能,利用函数 将三个部件运动曲线表示出来,然后将所得运动曲线函数再加载到三 个部件的电机上,关闭刀头点的驱动改为电机的驱动,进行正运动学仿 真,所得刀头点的位移、速度和加速度曲线如图2. 11所示。
仿真结果分析:①由逆运动学可以看出,对于刀具末端按所给的螺 旋线运动时,可以看出其曲线的形成是由滑板、横滑板、动力刀架共同 完成的,存在相同的周期性,仿真结果符合加工轨迹要求;②从正运动 学的仿真结果图中可以看出,运动平稳。ADAMS对机构进行运动学仿 真,符合正逆运动学的运动关系,同时也验证了虚拟样机模型的运动部 件之间符合我们设计的机构运动关系,这为后续的车铣加工中心的动 态特性提供了基础条件。
2.4.2基于多柔体的动力学仿真分析
通过动力学仿真可以获得车铣加工中心电机驱动力,为电机的参 数选择提供了参考依据,通过多柔体和多刚体仿真可以获得两种情况 下的驱动力和刀尖位移轨迹,因此进行动力学仿真分析是非常有意义 的。在对刚体进行仿真分析时,其铣削加工可分为两种情况:第一种是 空载,机床在进给时的最大速度和加速度达到该机床设计极限,即最大 速度为〇. 5m/s,最大加速度为1^,测得电机所需的最大驱动力;第二种 是刀具匀速进给i,=〇.4m/s,同时受到铣削力的作用。对于不同材质 的铣刀加工不同材质的工件,当加工参数确定后,可利用相应的公 式1183来计算切削力。下面以高速工具钢(W18Ci4V)材质的立铣刀端 面铣削45#钢工件为例进行切削力分析。
经过汁算和仿真可知第一种的驱动力大于第二种驱动力,所以研 究第一种情况有重要参考价值的。现在以第一种情况进行仿真,图2.12是刀具的最大速度(0.5m/s)和加速度(lg)是以正弦和余弦曲线进给。在ADAMS中给定位移运动方程以刀具沿X方向运动为例,具体设置如下:车铣加工中心在运动过程中,以工作空间搜索的方法,获得滑板、 横滑板、动力刀架上的电机最大驱动力,具体仿真结果如图2. 13所示, 该结果可以为电机参数的选择提供参考依据。
在获得驱动力基础上,按照上面方法分别进行多刚体和多柔体仿 真分析,具体结果如图2. 14所示,其中图2. 14(a)为在Z方向上的多 刚体和多柔体的驱动力对比曲线图,为了对比清楚可以对两条曲线做 差运算,从而获得图2. 14(h);图2. 14(c)为F方向的驱动力对比曲线 图;图2. 14( d)为Z方向的驱动力对比曲线图。
图2. 15所示为在多刚体和多柔体模型中铣刀位移轨迹曲线图,其中图2. 15(a)为在Z方向的多刚体和多柔体的位移曲线对比图,为了 对比清楚可以对两条曲线做差运算,从而获得图2. 15(b);图2. 15(c) 为义方向的差运算后的铣刀位移曲线图;图2. 15(d)为F方向差运算 后的铣刀位移曲线图。
从图2. 14和图2. 15仿真结果可以看出:①多柔性体受力明显比 多刚件的大些,获得的仿真结果与实际更接近,因此对驱动电机参数的 选择以多柔体仿真结果更准确;②虚拟样机在运动过程中开始的时候 受到的驱动力有突变现象的发生,尤其在拐点处,可能是加速造成的; ③从切削原理角度讲,由于机床刚度是恒定的,切削力越大,则产生的 柔性体差值也就越大;④根据在移动过程中刀具位移轨迹误差添加到 数控系统中,有利于补偿车铣加工中心的形位误差,提高了机床加工 精度。
2. 5本章小结
(1)采用虚拟样机技术和有限元方法相结合建立多柔体的仿真系 统。具体通过ADAMS和ANSYS软件协同建模,将车铣加工中心关键 部件转化成柔性体,与其他部件形成刚柔耦合系统。
(2)基于多柔体系统的车铣加工中心运动学仿真分析和动力学仿 真分析。不仅可以观察机床在运动过程中是否干涉现象的发生,而且 为加工中心的电机参数的选择提供了参考依据。通过多柔体与多刚休 虚拟样机动力学仿真对比分析,柔性体驱动力比刚性体驱动力大很多, 采用多柔休系统仿真更能反映实际情况。
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