畢俊喜，任 昭，田春雨

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

0 引言

虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototyping Technology)是20世紀(jì)80年代迅速興起的一項(xiàng)基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)者首先通過(guò)三維建模軟件在計(jì)算機(jī)上對(duì)所要設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)物理建模，而后將模型導(dǎo)入相關(guān)的仿真分析軟件(如美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司的ADAMS、德國(guó)航天局的SIMPACK等)進(jìn)行可行性分析和優(yōu)化仿真，根據(jù)分析結(jié)果不斷改進(jìn)優(yōu)化方案，從而縮短研發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本。

1 三維建模

在眾多的物理建模軟件當(dāng)中，美國(guó)Parametric Technology Corporation(PTC)公司于2009年發(fā)布的Pro/Engineer野火版系列最新版本Pro/E5.0憑借其獨(dú)特的參數(shù)化建模和強(qiáng)大的集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)功能成為虛擬樣機(jī)建模中最理想的三維軟件。該數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由支撐槽、導(dǎo)軌滑塊、絲杠螺母副、軸承座、工作臺(tái)等組成，其XYZ三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸由于位置不同所選用零部件的參數(shù)也略有不同，如表1所示;根據(jù)已知零部件的主要參數(shù)利用Pro/E 5.0中的實(shí)體造型特征，如拉伸特征、打孔特征、切槽特征等生成主要的零部件。在零部件建模時(shí)遵循簡(jiǎn)化原則，即略去一些不影響整體性能的特征，如倒角，螺紋等。

在進(jìn)行裝配時(shí)，由于各部件都是由螺栓固定的規(guī)則形體，故可直接用插入、配對(duì)和對(duì)齊等進(jìn)行約束，約束定義唯一不一樣的是滑塊在導(dǎo)軌上的裝配［1］，由于滑塊要在導(dǎo)軌上滑行，所以需要用到滑動(dòng)桿約束，即以導(dǎo)軌為軸，分別選取滑塊上的點(diǎn)和面與之配合，并且確定滑塊的零位置，以及最大最小位移。其進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，其裝配好的樣機(jī)如圖2。

表1 零部件主要參數(shù)

圖1 進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 虛擬樣機(jī)模型

2 對(duì)關(guān)鍵部位有限元分析

在進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)時(shí)，最關(guān)鍵的部分莫過(guò)于Y軸支撐槽與Z軸支撐槽的連接部分，故需要對(duì)Z軸支撐槽與Y軸支撐槽的連接部位做靜力分析。目前美國(guó)ANSYS公司研發(fā)的ANSYS軟件憑借其強(qiáng)大而廣泛的分析功能已成為計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的主流有限元分析軟件之一，其最新版本ANSYS Workbench 12.1 提供了 Pro/E5.0 無(wú)縫連接接口［2］，即在運(yùn)行ANSYS的情況下，在Pro/E5.0中建立的模型可直接在 Pro/E5，0進(jìn)入 ANSYS Workbench的 Project Schematic界面。筆者利用ANSYS Workbench 12.1中的靜力學(xué)模塊對(duì)Z軸支撐槽做線性靜力學(xué)分析。其基本分析流程如圖3。

圖3 分析流程

經(jīng)測(cè)量Z軸上所有零部件的質(zhì)量為86.5 kg，固定底座的六個(gè)螺栓受傾覆力矩，為提升Z軸支撐槽的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在支撐槽背部加裝連接板。Z軸基本尺寸為1250 mm×340 mm×45 mm，材料為HT200，密度為7.8E+3 kg/m3，彈性模量為 110 GPa，泊松比為0.26，用SOLID42模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)床身施加約束和載荷，經(jīng)求解和后處理，如圖3 VonMises分布云圖可知:在傾覆力矩作用下，模型的最大應(yīng)力點(diǎn)位于支撐槽根部，最大應(yīng)力為42.75 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料不銹鋼的屈服強(qiáng)度，故該模型符合屈服強(qiáng)度要求。

圖4 等效應(yīng)力云圖

3 在Adams/view中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真

為了驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是否滿足裝配要求和速度響應(yīng)要求，故需將該模型導(dǎo)入Adams中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。首先在Pro/e中將模型另存為x_t格式，然后才可在Adams中順利導(dǎo)入［3］。由于三個(gè)方向的裝配類(lèi)似，故只需對(duì)X軸進(jìn)行動(dòng)力仿真即可。首先定義單位、重力，和材料屬性［4］，對(duì)各部件分別加固定副，旋轉(zhuǎn)副、螺紋副等約束，在兩端的軸承座位置添加傳感器，保證工作臺(tái)不會(huì)超程。對(duì)旋轉(zhuǎn)副施加轉(zhuǎn)速為360 r/min的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，對(duì)工作臺(tái)設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)［5］為STEP(TIME，0，20，1，40)［6］，施加好運(yùn)動(dòng)副后進(jìn)入Simulation模塊進(jìn)行仿真，將仿真時(shí)間設(shè)置為2 s，步數(shù)為1 000，即可進(jìn)行交互式仿真，仿真證明裝配沒(méi)有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。然后進(jìn)入后處理頁(yè)面查看工作臺(tái)的速度、加速度和位移曲線，如圖5、6?？梢钥闯鰣D中顯示的是工作臺(tái)在t=2 s時(shí)，速度達(dá)到60 mm/s，位移為60 mm，加速度達(dá)到30 mm/s2與輸入的驅(qū)動(dòng)函數(shù)相符合，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的合理性。

圖5 速度、加速度響應(yīng)圖(斜線為速度曲線，橫色為加速度曲線)

圖6 位移響應(yīng)圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于三維軟件Pro/E 5.0為平臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備按照1∶1虛擬建模、裝配，合理運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)模型關(guān)鍵部位靜力學(xué)分析，并通過(guò)ADAMS對(duì)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和分析，驗(yàn)證了平臺(tái)的合理性，實(shí)現(xiàn)了在虛擬環(huán)境中對(duì)3自由度數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，降低了開(kāi)發(fā)成本，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件部分設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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