五自由度并联机床虚拟样机建模与仿真

chinamazha

引言

并联机床的刀具在笛卡尔坐标系中的运动是可控关节伺服运动的非线性映射，这种关系导致并联机床运动非常复杂，只凭计算数据很难直观、准确地判断刀具的位置和姿态。利用虚拟样机来代替物理样机对产品进行创新设计、测试与评估，可大大缩短产品的开发周期，降低研制成本，并能及时改进产品的设计质量。因此开展并联机床虚拟样机的研究十分必要。

在五自由度并联机床的设计方案基础上，在三维机械CAD软件SolidWorks平台下应用OLE接口技术实现该并联机床虚拟样机的数控加工仿真。

1 并联机床机构

5-UPS/PRPU并联机床机构是三移动、两转动五轴并联机构，由动平台、定平台以及连接动平台和定平台的分支等组成。动平台通过5个结构完全相同的驱动分支UPS(虎克铰-移动副-球副)以及1个约束分支PRPU(移动副-转动副-移动副-虎克铰)与定平台相连接。约束分支限制了动平台绕其自身法线的转动。通过改变5个驱动杆的杆长，动平台可在一定范围内实现不同的位置和姿态，使安装在动平台上的刀具完成3轴至5轴的切削加工。机床的机构简图如图1所示。

2并联机床虚拟样机实体建模

并联机床实体模型的建立是仿真和分析的前提，完成总体设计、概念设计和尺度综合后，在三维机械CAD软件平台下按照机床的实际尺寸，进行样机实体建模。整个建模过程采用自下而上和并行工程的建模策略，分2个层面完成。第1层面为零件的个体造型(按照零件的实际设计尺寸)，第2个层面根据Team work的思想，利用三维机械CAD软件的自动管理文档功能实时监控样机的设计过程，并模拟机床实际装配过程进行机床零部件的装配。还可利用三维机械CAD软件的渲染功能对3D模型进行色彩、材质、纹理、光照处理，以增强虚拟样机的真实感。

3并联机床数控加工仿真系统

仿真系统利用VB 6.0的OLE技术与SolidWorks实现通讯，具体过程:以应用程序VB 6.0作为后台控制，SolidWorks作为前台图形显示，将SolidWorks作为VB 6.0的链接对象，VB 6.0应用程序将一定的数据处理后，调用SolidWorks对象的各种方法(即API函数)，由SolidWorks对象将处理后的数据作为实体建模参数建立模型，从而实现实体图形的仿真显示。按照上述方法实现的仿真，其内在机制是根据运动的要求改变实体模型的内部数据，而不是传统方法所采用的图像重画或图像覆盖等手段，因而仿真的过程不会出现模型的闪动、跳动现象，动作的连贯性好。

3.1数控加工仿真系统结构

数控加工仿真的目的是通过观察各铰链及各部件的相对运动状态，来检验杆件之间以及动平台和杆件之间是否发生千涉，校验并联机床的轨迹规划结果是否正确，同时实现对零件可加工性和机床刀具加工参数的合理性评价。并联机床数控加工仿真系统的结构如图2所示。

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3.2数控加工仿真数据流模型

在数控加工仿真系统中，首先选定加工所用的刀具和刀柄，调入毛坯，根据所要加工零件的模型进行刀具的轨迹规划，生成相应的NC代码;然后经并联机床的后置处理器将其转换为驱动杆的杆长值，用驱动杆的杆长值控制机床虚拟加工，仿真过程中将刀具和毛坯模型进行布尔差运算，模拟材料的去除过程，同时记录加工过程，并进行干涉碰撞检验，主要检验加工过程中各杆件的杆长极限约束，球铰和虎克铰的转角极限约束;最后给出仿真报告，并生成并联机床加工所用的数控代码。仿真系统数据流如图3所示，其中翻译模块设计了一个通用绘图函数包，此函数包是仿真系统与三维CAD软件SolidWork，的直接通讯接口，将SolidWorks的底层图形函数封装为翻译模块可以直接调用的高级绘图指令。

3.3运动仿真的实现

按照机床的实际尺寸在三维CAD软件SolidWorks平台下建立并联机床样机实体模型;然后，读取仿真NC程序，提取其中的刀位数据，并对刀位数据进行粗插补后得到细化的刀位数据，应用反解数学模型得到对应刀具位姿时各个驱动杆的杆长值;最后调用三维CAD软件SolidWorks的API函数把各个驱动杆伸长到规定的值。由于装配约束的作用，刀具在5个驱动杆的驱动下将得到正确的位姿。

3.4刀具轨迹显示的实现方法

零件的数控加工程序经过粗插补得到细化的刀位数据以后，从中取出刀尖点位置坐标数据，将刀尖点位置坐标按样条曲线连接形成刀具轨迹线，并在图形显示器上显示出来。运动仿真过程中刀具模型与刀位轨迹组合显示，随着刀具模型单步或连续地移动，刀具轨迹也单步或连续地显示。

3.5材料切除过程三维实体图形仿真的实现

采用计算机图形仿真数控设备的加工过程，就是模拟刀具在一定形状的毛坯上按照数控程序所规定的走刀路线对毛坯进行切削加工的过程，从图形处理的角度来看，就是刀具沿规定路径走刀所形成的扫描体与坯实体的布尔减运算。在三维机械CAD软件SolidWorks环境下，根据NC程序中刀尖点的坐标值创建刀具路径，据所选刀具类型创建刀具纵向截面后，使用"切除-扫描"命令即可形成刀具沿规定路径对毛坯的切削模拟显示。这样形成的刀具扫描体还不完整，在路径的终点处还应有一个刀具本身所形成的包络体与毛坯的布尔减运算，如此连续扫描切除即可产生完整、真实的切削过程。NC加工过程的动画显示是以单条加工指令的处理来分步实现的，没有采用多帧连放的完全动画显示，而是直接将每步加工结果显示出来。

3.6三维刀具和刀柄库的开发

刀具和刀柄标准件库系统主要由三维参数化标准件图素库、标准件特性参数库、用户界面及管理系统组成。通过对标准球头铣刀和标准平底铣刀名称的选择，自动显示出该刀具的关键参数，并在机床装配体中设计出该刀具的三维实体模型;根据自定义刀柄(与刀具相连)的关键参数，在机床装配体中自动生成刀具和刀柄的三维装配体模型，完成对机床样机中刀具和刀柄的参数化设计，从而实现5-UPS/PRPU并联机床数控加工仿真中自动换刀的操作。平底铣刀设计和安装刀柄的平底铣刀设计的操作过程与球头铣刀的相同，生成的实体模型如图4,5所示。

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4数控加工仿真实例

通过并联机床运动仿真系统操作界面可以完成对加工所用刀具的定义、加工所用刀柄的定义、加工毛坯的定义、仿真NC文件的选择、刀具轨迹的显示验证、加工控制(刀具回零、运动仿真、暂停、恢复断点、停止仿真)，并且具有数据显示(刀尖点位置坐标显示、刀具姿态显示、驱动杆长度显示)、仿真进度显示、仿真所用刀具信息显示等功能。球冠加工刀具轨迹及加工仿真如图6所示。

用5-UP5/PRPU并联机床实际样机在石蜡坯料上进行了球冠的铣削实验，铣削刀具采用X16的球头铣刀。结果表明效果较好，实现了对复杂曲面的五坐标加工，实际加工得到的球冠成品精度较高，如图7所示。

5并联机床动力学仿真

并联机床的动力学分析包括机构动力学模型建立、受力分析、惯性力计算、动力平衡及动力响应等方面。动力学分析在5自由度并联机床的设计与控制中起非常重要的作用，是确定机床主要结构参数的基础。并联机构动力学模型是一个多自由度和多变量、高度非线性、多参数藕合的复杂系统。本文利用SolidWorks造型软件与ADAMS机械系统动力学分析软件进行数据交换，把装配后的机床虚拟样机模型图调人到ADAMS环境中;应用ADAMS软件，根据机械系统模型，采用Newton-Euler方法建立系统的动力学方程并求解。

动力学仿真时，已知刀具的运动求5个电动机的驱动力，需要先确定电动机输出的位移曲线，这就需要通过测点的运动路径，反解出与刀具运动轨迹相对应的杆长变化曲线。在已建立的运动学分析模型中，对刀尖点施加点运动驱动，当刀尖点按照某种曲线运动时，可以利用ADAMS的测量工具，测出五杆的杆长变化曲线，在ADAMS的后置处理器中，将得到的曲线转化成B样条曲线，作为机构动力学仿真时的驱动位移输入。解除刀尖点运动驱动，在各驱动杆移动副添加驱动，将相应的B样条曲线输入，进而实现各驱动的添加。这时在刀尖点上设置载荷，就可以进行动力学分析。

图8所示为机床动平台受切削力作用前后，在X =1000 mm的平面内画圆时的驱动力曲线，图中数字表示驱动杆序号，其中圆半径r=100mm，机床画圆的合加速度a=400 mm/s2; Y,Z方向运动的位置函数分别为Y = rcos(ωt)和Z=rsin(ωt);在整个运动过程中，动平台的αβ角始终保持为0°。如图8a所示，当机床不受切削力负载作用时，在画圆过程中5个驱动力变化各不相同，但都依正弦或余弦曲线规律变化，这与运动位置函数为正弦和余弦是对应的。可以看出，在没有负载时，仍然是f1的数值最大。如图8b所示，当机床受到切削力负载作用时，在画圆过程中，动平台受加速度和外力的共同影响，使得5个杆驱动力的变化大不相同.其中第5杆驱动力曲线变化平缓，而其他4个驱动力大致呈现正弦和余弦曲线变化，驱动力f1的数值也不总是最大。

由图8可以发现，对于同一运动，在有外力作用时，5杆驱动力变化曲线的曲率相对于无外力作用时有很大的变化，但是总的变化趋势大致相同，这是因为所施加的外力相对于定坐标系的变化也呈现出正弦和余弦的变化规律，它导致了各驱动力变化曲线的频率。和初始角沪变化，但并不改变其总的变化规律。

6结束语

在三维CAD软件SolidWorks平台下应用OLE接口技术实现了并联机床虚拟样机的数控加工仿真、刀具轨迹的显示验证、仿真过程中自动换刀和毛坯的自动设计，从而真实、完整、合理地模拟了机床的整个加工过程;通过ADAMS软件实现了机床的动力学分析和仿真。为实际机床提供了结构设计参数，对特定加工过程进行了预演，避免了因干涉等原因造成的不必要经济损失。

xa-djm

从设计到仿真很完整的例子，多谢分享！

guozonghui888

挺好的，不过放在二次开发板块更好吧。