基于Pro/E和Adam s的钻削加工中心光机三维建模、动态演示及运动学仿真分析

马庆恒，朱 攀，王 超，姜贵中，林 琳

（云南省机电一体化应用技术重点实验室 云南省先进制造技术研究中心，云南 昆明 650031）

0 引言

现代工业加工设备中钻削加工占很大比例，钻削加工中心是机械制造行业中应有较广泛的金属切削工艺之一，目前由于高速主轴技术、直线电机技术、高速控制技术以及刀具技术的发展和进步，以加工的高速化实现加工的高品质、高效率已成为钻削加工技术发展的重要特征。

线性导轨钻削加工中心光机是云南省先进装备制造业具有技术比较优势及特色的领域之一，传统的研制模式主要采用“提出方案－二维设计－制造－组装－物理样机反复试验－改进”往复循环的经验设计方法，造成研制周期过长，研制成本过高，且样机零部件之间经常出现装配问题，尤其是静态干涉及动态干涉问题，极大地降低了研制的正确性和可靠性。

1 整机的工作原理和结构、性能特点

总体布局采用类似立式加工中心的结构，具有X、Y坐标移动工作台、Z向主轴垂直进给移动、转塔形刀库、全封闭防护罩等。

底座采用大斜面设计，易于冲刷铁屑，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，各个轴向电机座、轴承座与其所安装到的大件采用一体化铸造成型，从而大件的强度和刚性得到极大提高。

采用转塔形刀库，不需单独电源，刀库容量为14把刀；自动换刀装置采用单主轴整体转塔刀库，装有多根带刀具的刀柄，换刀时各个刀柄顺序装夹在主轴上而达到换刀作用；主轴采用机械式打刀，主轴打刀装置没有打刀缸，直接运用固定在箱体上的打刀机构，当主轴箱过了加工最高点，进入刀库换刀行程，打刀机构与刀库支撑架上安装的松刀碰块接触，松刀，进行换刀。这样的结构简单、可靠、换刀速度快。

主轴传动系统采用交流主轴电动机驱动，从而极大地提高了主传动的平稳性和抗振性；进给系统采用交流伺服电动机驱动。主轴转速高变速范围大，滚珠丝杠直接与电动机联接。减少了传动误差和反向间隙，提高了传动效率、精度和刚度；具有高速攻螺纹性能，主轴同转与主轴进给（Z轴）保持严格同步，也称为同步攻螺纹。因此，可以取消攻螺纹的浮动环节，丝锥直接装在夹头内，可提高攻螺纹精度。高速刚性螺纹最高转速达3600～6000r/min，减少切削时间，并可快速反转退出丝锥，因此也提高了攻螺纹的效率。整机具有占地面积小、换刀速度快、能够实现一次装夹完成铣削、钻孔、攻丝，提高了钻削生产效率、降低了生产成本，具有操作简单等优点。

2 基于Pro/E完成整机的三维建模、静态干涉检查

采用正向工程、自下向上的方法进行三维建模，即：首先使用草绘模块，设绘出复杂特征和通用特征的截面图，保存为*.sec。其次使用零件模块，设绘出零件模型，保存为*.prt。第三，使用装配模块，均以“刚性”连接的方式逐级完成装配，设绘出元件→部件→组件→整机装配模型，保存为*.asm。配合使用绘图模块，设绘出上述模型的工程视图集，保存为*.drw。在上述模块内可完成特征及元件的创建及编辑、视图管理、渲染、静态干涉检查、装配爆炸、测量、关系式和簇表定义及使用等操作。

说明：对总装模型树内一级元件的选取，既以合作单位传统的分类习惯或标准为主，又兼顾在Adams中易于前处理等实际需要作些调整，经过多轮次反复摸试才最终敲定。均采用据其元件名的汉语拼音的全拼来作内外部命名，从而易于见名知义，提高辨识度。

3 基于Adams完成整机的动态演示及运动学仿真分析[1～3]

3.1 Pro/E与Adams之间的数据转换

在Pro/E该总装模型（tom-z540b.asm）内，逐一操作，实现：将模型树内当前一级元件（注：零件或部件）以外的其它元件全部“隐含”或“冻结”，实现在图形区仅显示该元件，再将该总装模型另存为*.x_t（注：在另存对话框中，各个控件均采用默认选项值），随后将该总装模型从Pro/E内“拭除”后再重新“打开”。从按此法推进，逐一生成12个*.x_t文件。

3.2 导入前，对带有螺旋扫描特征的零件模型，均配作同一简化处理

处理方法：均无螺旋扫描特征。从而：滚珠丝杆等螺杆件均呈现为光杆，滚珠丝杆螺母等螺母件均呈现为光孔。

说明：该处理的起因是以多种格式转换后，导入Adams，螺旋扫描特征均会出现失真。

3.3 导入前，对滚珠丝杆零件模型，均另外配作涂对比色处理

处理方法：在零件模型（*.prt）内，分别“复制”零件两侧的回转面、随后“粘贴”，从而创建出目标面组，随后对该面组涂对比色，效果见图2～图4整机模型内相应的零件模型显示。

说明：导入Adams后，进行运动学仿真时，对比色用作该件旋转方向及旋转快慢的视觉标识。

3.4 整机各个运动机构的工作原理

整机拆除三个轴向的防护罩组件后的立体图如图1所示，图中各个运动机构的工作原理具体描述如下：

3.4.1 整机各个进给运动机构的工作原理

底座组件1、立柱组件12与刀库组件18的框架均为定件，均采用紧固件连接实现绝对固装。滑座组件6为动件，其通过Y轴线性导轨组2与Y轴滑块组3以对称形式配装到底座组件1的上端面，并可沿Y轴作绝对平移进给运动。工作台组件11为动件，其通过X轴线性导轨组9与X轴滑块组10以对称形式配装到滑座组件6的上端面，并可沿X轴作相对平移运动，故其可在某一水平面内作XY两轴联动的绝对平移进给运动。主轴组件15为动件，其通过Z轴线性导轨组16与Z轴滑块组17以对称形式配装到立柱组件12的前端面，并可沿Z轴作绝对平移运动。加工期间，工件就可相对刀具作XY三轴联动的平移进给运动。

图1 拆除三个轴向防护罩组件后的整机模型Fig.1 The whole machine model after removing three axial shield components

XY三轴各自的传动结构及路线极其类似：各自的电机组件、轴承组件均采用紧固件连接实现分别固装到滑座组件、底座组件与立柱组件。各自的滚珠丝杆（7、4、13）一端采用联轴器直联电机，另一端配装到轴承座，实现可绕各自的轴向作任意旋转运动。各自的滚珠丝杆螺母（8、5、14）既套装在其滚珠丝杆（7、4、13）上，又采用紧固件分别与工作台组件11、滑座组件6、主轴组件15连接，实现相对固装，从而实现分别带动上述组件沿各自的轴向作任意平移进给运动。

3.4 .2整机切削运动机构的工作原理

主轴头配装在主轴组件下方，主轴电机采用紧固件连接实现相对固装在主轴组件内部，并经轴系零部件连接将运动和动力传递给主轴头，实现主轴头绕Z轴作任意旋转的切削运动。

3.5 导入后，对模型采用同一方法进行前处理

启动Adams/View，新建模型，将上述12个*.x_t文件逐一导入（注：均采用ASCII、Part Name选项）。完成后，系统自动创建出12个构件。逐一设置各个构件的材料属性。创建3个旋转副（Revolute Joints）、3个螺旋副（Screw Joints）、3个移动副（Translational Joints）、6个固定副（Fixed Joints）和3个旋转驱动（Motions），完成后，共有 15个运动副和3个驱动。其中，各个运动副所关联到的两个构件参见图3所示的模型树Connectors内显示的相关内容。在各个螺旋副内，均将螺距值（Pitch）设为120。在X、Y、Z 方向的 Motions内均设定“Displacement”，据动态演示需要，函数均设定为：480.0*sin（time），代表各个时刻X、Y、Z方向的角速度大小均相等，均按 ωx（或 ωy或 ωz）=480sin（t）求算来取值。最后作细节处理：各个构件、运动副、驱动改名，各个构件涂对比色等。前处理完成后整机显示如图2所示，保存为TOM_Z540B.bin。图2模型树Bodies内各个构件名称从上向下依次表示：刀库组、主轴组、Z向滚珠丝杆螺母、Z向滚珠丝杆、立柱组、工作台组、X向滚珠丝杆螺母、X向滚珠丝杆、滑座组、Y向滚珠丝杆螺母、Y向滚珠丝杆、底座组及大地。

图2 在Adams/View中前处理完成后的总装模型Fig.2 Assembly model after pretreatment in Adam s/View

3.6 对整机的进给运动进行运动学仿真计算与动态演示

单击仿真操作对应的图标，设置好相应的选项和参数值后，单击开始按钮，软件随即在后台进行运动学仿真计算并在图形区实时显示整机运动仿真过程，实现动态演示。

整机在不同时间节点的动态演示效果如图3～图4所示。

图3 整机作进给运动第1秒末时的仿真效果Fig.3 Simulation effect of the whole machine as feed movement at the end of 1s

图4 整机作进给运动第5秒末时的仿真效果Fig.4 Simulation effect of the whole machine as feed movement at the end of 5s

3.7 对整机的进给运动进行仿真结果分析和后处理

3.7.1 使用Measure获取动件的运动特性曲线

在Adams/View该模型内，在图形区选取某一动件，单击右键，选取该对象名，如：工作台组件 （Part：gongzuotaizu），从下拉菜单选取Measure选项。在【Part Measure】对话框内视需要选取相应的选项，单击Apply按钮后，即可显示该动件拾取点（如：工作台组件质心点）处相关的运动特性测量曲线。

3.7.2 使用Adams/Postprocessor获取动件的运动特性曲线

在Adams/Postprocessor该模型内，采用左上角缺省的“Plotting”模式，依次选取所需的亮显项，单击Add Curves，图形区将以不同的颜色和线型作区别来显示所选取的动件组相关的运动特性测量曲线，效果如图5所示。

图5 工作台组件质心点处的运动特性曲线Fig.5 M otion characteristic curves at the center of the worktable com ponents

3.7.3 使用Adams/Postprocessor输出整机进给运动的仿真动画

在图5所示的界面内，将左上角设置为“Animation”动画模式，在图形区单击右键，从右键选取“Load Animation”，即可载入该整机模型，在控制面板内完成相关设置后，点击相关的播放键，对动画进行播放和控制。即：可实现向前或向后、单帧或连续、单次或循环播放。播放的同时，若点击录音键，即可同步制作动画并可保存为*.avi文件并可实现在外部播放。

3.8 动态演示与运动学仿真分析吻合性校验

从工作台组件质心点处的动态演示、前处理中运动参数设置及其运动特性曲线查证：仿真结果与理论计算吻合，满足设计要求，其它动件组的比对方法和结果类同。

4 结束语

目前进行了该款产品整机的三维建模、动态演示及各个进给运动机构的运动学仿真分析，根据仿真结果来验证设计方案、消除静态和动态的干涉。对物理样机的研制和产品的投产均起到了理论指导和实践验证作用，在合作单位中推广了先进的设计、分析一体化的理论和技术。今后将拓展来研究关键零部件直至整机的动力学特性，在Adams内进行柔性体建模、参数化建模、敏感性分析、优化分析、振动分析，甚至机、电、液一体化设计与分析等。