并联机床虚拟样机建模与动力学仿真.docx

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1、并联机床虚拟样机建模与动力学仿真1 引言虚拟样机技术的本质是多体系统动力学，综合了多体动力学、多领域物理系统理论、结构有限元理论、控制理论等学科，其根本目的是应用计算机图形技术进行机械系统的动力学分析与仿真，研究复杂系统的运动规律。运用虚拟样机技术，在产品的开发初期无需制造物理样机就可以真实模拟设计的产品在虚拟工程环境下的特性和运行情况，测试、评估产品的多种设计、装配和开发方案，并根据结果进行不断优化和改进。虚拟样机技术的应用，产品的设计效率大大加快，产品的质量大幅度提高，产品的研发成本明显降低，产品的竞争力得到了最大程度的增强。由于具备了上述优点，虚拟样机技术受到了当前各国制造业的高度重视，

2、得到了广泛的推广和应用。ADAMS是由美国MDI公司开发的、世界上目前使用范围最广、最负盛名的虚拟样机分析软件。在ADAMS软件中，用户通过建立机械系统的参数化几何模型和动力学方程，可以对虚拟机械系统进行运动学、静力学、动力学、多刚体和多柔体分析，在后置处理模块中输出所需要的测试结果曲线。ADAMS软件提供了一个很好的集成环境，方便系统的动力学建模和仿真结果的观察。在建立了6PUS-UPS并联机床的动力学方程之后，应该对其正确性进行验证。本章在ProE中建立了该并联机床的实体模型，其尺寸和并联机床实际的结构尺寸相同。然后将建好的实体模型导入到MSC-ADAMS中对其进行动力学仿真，将仿真结果与

3、理论结果进行对比分析。由于实际工作中存在摩擦力，本章在虚拟样机模型中的各个关节处都添加摩擦力，对并联机床进行摩擦力建模，使仿真模型更加符合实际情况，更好的研究并联机床的动力学特性。2 6PUS-UPS并联机床虚拟样机建模2.1 创建实体模型在ADAMS/View中可以直接创建几何元素，也可以利用ADAMS提供的CAD模型数据接口来导入CAD软件的模型，专业的CAD软件在建立模型时比较简便，对于复杂的模型可以很快建立起来，将其导入到ADAMS/View中得到相应的模型。本文通过在ProE中依据6PUS-UPS并联机床的实际尺寸绘制各零部件模型，然后按照机床各个零件之间的相对运动关系将各零件进行装

4、配，得到并联机床的三维实体模型，如图4-1所示。 图4-1 6PUS-UPS并联机床实体模型 Fig.4-1 Enity model of 6PUS-UPS PMT 该模型与实际加工制造零部件完全吻合，将此三维实体模型转换为Parasolid格式并导入到ADAMS/View中，将各构件重命名并定义各个构件的材料属性。2.2 创建约束和驱动在ADAMS中的运动分为低副、高副和基本副，其中低副有旋转副、移动副、圆柱副、球铰副、平面副、等速副、万向节（胡克副）、螺杆副、齿轮副、耦合副和固定副。6PUS-UPS并联机床模型中用到了其中的固定副、旋转副、移动副和螺旋副。6PUS-UPS并联机床模型主要由

5、六根PUS分支，中间约束分支，动平台，底座构成。底座与大地用固定副相连。PUS分支由伺服电机、导轨，滑块，连杆四个主要部分组成，其中伺服电机固定在导轨上。在丝杠和丝杠螺母之间采用螺旋副来确定丝杠螺母机构之间运动关系，螺距值指定为10mm。滑块与连杆通过虎克铰来连接，而机床模型中的虎克铰关节是采用轴线垂直的两个转动副来替代的。连杆与动平台通过球铰来连接，球铰也是用三个转动副来替代的。中间约束分支(UPS)也是通过球铰与动平台相连接的。ADAMS提供了旋转和滑移两种驱动，旋转驱动只能添加到旋转副和圆柱副上，滑移驱动只能添加到滑移副和圆柱副上。本机床在丝杠和导轨之间的转动副上添加转动驱动，带动丝杠旋

6、转，实现滑块的走动。已知刀具(或动平台)运动，通过并联机床的运动学反解求出对应刀具位姿的各滑块的位移 (i=1,2,6)，然后，计算出各个滑块走的位移与初始位姿时各滑块的位置的差和走到当前所用的时间，然后将它们保存为csv的格式以创建样条曲线的方式导入该虚拟样机模型，然后将生成的样条曲线作 图4-2 6PUS-UPS并联机床的Adams模型Fig.4-2 Adams model of the 6PUS-UPS PMT为驱动位移输入添加到各个驱动上去，驱动各分支杆运动从而实现并联机床预期的运动。这样就利用Adams/View建立了整个机构的虚拟样机模型，如图4-2所示。2.3 定义摩擦力由于并联

7、机床在实际工作中存在摩擦力，其任意相互接触并具有相对运动关系的构件之间都存在摩擦，为了使仿真模型更加符合实际情况，需要在各个运动关节根据支撑、接触和润滑情况分别定义摩擦力。ADAMS虚拟样机模型可以在球面副、虎克铰、旋转副、滑移副和圆柱副上设置相应的摩擦力系数，加载相应的摩擦力，这里不再详细说明。值得注意的是，螺旋副只能用来定义丝杠和丝杠螺母的移动和转动之间的螺旋运动关系，并不能在其上定义摩擦力和摩擦力矩。为了模拟并联机床在实际工作中的真实摩擦，需要在传动丝杠的旋转轴线方向上定义一个一维力矩，来等效螺旋副由于摩擦所产生的阻力矩。根据滑块在导轨的上下滑动情况和轴向力方向，并联机床丝杠螺母机构的受

8、力分析情况可以归纳为四种情况，如图4-3所示。 图4-3 并联机床丝杠螺母机构的受力分析Fig.4-3 The force analysis of the lead screw and nut of the PMT上面的受力分析可总结为下面两种模型，如下图4-4所示： 图4-4 并联机床丝杠螺母机构的受力分析 Fig.4-4 The force analysis of the lead screw and nut of the PMT摩擦力矩分别为： (4-1)式中 丝杠与螺母之间的摩擦系数丝杠的螺纹半径(mm)丝杠的螺旋升角(rad)摩擦力(N)丝杠的轴向力(N)丝杠上定义的阻力矩计算公式中

9、实时变化的参数仅为轴向力和滑块的移动方向，这两个参数可以通过在并联机床模型中定义传感器实时获取，这样通过式(4-1)就可以求解出摩擦阻力矩的大小并加载到丝杠模型上，最终建立并联机床各关节的摩擦力模型。3 6PUS-UPS并联机床虚拟样机动力学仿真在ADAMS中建好该6PUS-UPS并联机床虚拟样机模型后，便可以对其进行动力学仿真了。在仿真的过程中，首先在ADAMS/Solver(求解器模块)中对并联机床虚拟样机进行运动学和动力学仿真分析，然后在ADAMS/PostProcessor(专用后处理模块)中进行后处理，观察仿真结果，绘制试验曲线。下面按照在第3章规划好的几种不同的运动轨迹对该并联机床

10、进行动力学仿真分析，旨在模拟并联机床的运动，验证第3章理论计算的准确性，预测并联机床在真实的运动过程中可能出现的问题，指导结构设计。3.1 机床的平动分析（1）未加摩擦力时并联机床动力学仿真分析让并联机床平动走圆，仿真得到各驱动分支的驱动力矩曲线如图4-5所示。从图4-5可以看出，由于机构本身以及动平台运动轨迹的对称性，在并联机床作圆周曲线运动的过程中，驱动力矩变化曲线受运动轨迹曲线函数的影响，六个分支的驱动力矩变化大致都按照正余弦曲线规律变化，而且6个杆的驱动力矩大小变化区间一致，只是在相位上有差别。其中1杆、3杆和5杆，2杆、4杆和6杆的驱动力矩曲线的变化一致。图4-5 并联机床平动走圆时

11、各驱动分支的驱动力矩曲线Fig.4-5 Curves of the driven torque while is circling 通过将图4-5得到的ADAMS仿真输出结果和第3章图3-4的MATLAB理论计算的结果进行比较，可以证明并联机床的理论计算模型是正确的，ADAMS仿真模型是准确的，通过计算或者仿真的结果对并联机床进行分析是可行的。（2） 添加摩擦力时并联机床动力学仿真分析为使动力学仿真更符合实际情况，各构件之间的摩擦力不能忽略。在各个构件关节处添加摩擦力，再一次对该并联机床进行动力学仿真，考察摩擦力对驱动力矩的影响。图4-6为六个滑块在并联机床平动走圆时滑块速度随时间变化的曲线。

12、从速度仿真变化曲线上可以看出，各滑块的速度变化平稳连续，机床在走圆过程中运动状态比较稳定，说明机构具有不错的运动学性能。图4-7为六个滑块在动平台做匀速圆周运动时驱动力矩随时间变化的曲线。对比图4-6和图4-7中的曲线可知，在模型中添加了摩擦力之后，各分支在滑块运动换向时会造成驱动力矩不同程度的突变，幅值也有增加。图4-6 滑块速度曲线Fig.4-6 Curves of the velocity of each slider图4-7 并联机床平动走圆时各驱动分支的驱动力矩变化曲线Fig.4-7 Curves of the driven torque while is circling3.2 机

13、床的姿态变化分析下面讨论并联机床动平台姿态角和分别发生变化时驱动力矩的变化情况。（1） 未加摩擦力时并联机床动力学仿真分析当机床姿态角按变化时，仿真得到各驱动分支的驱动力曲线如图4-8所示。从图中可以看出，由于机床动平台此时是绕x轴转动，所以1杆和4杆、2杆和3杆、5杆和6杆驱动力矩分别相同。图4-9给出了相应的驱动力矩曲线，方向与力相反，其变化趋势和对应驱动力矩一致。图4-8 动平台变化时驱动力变化曲线Fig.4-8 Curves of the driven force changing with 图4-9 动平台变化时驱动力矩变化曲线当机床姿态角按变化时，仿真得到各驱动分支的驱动力曲线如图

14、4-10所示。从图中可以看出，由于机床动平台此时是绕y轴转动，所以1杆和4杆、2杆和3杆、5杆和6杆大小变化区间一致，只是在相位上有差别。图4-11给出了相应的驱动力矩曲线，方向与力相反，其变化趋势和对应驱动力矩一致。图4-10 动平台变化时驱动力变化曲线图4-11 动平台变化时驱动力矩变化曲线（2） 添加摩擦力时并联机床动力学仿真分析在各个构件关节处添加摩擦力，按照之前规划好的特定运动轨迹再一次对该并联机床进行动力学仿真。当动平台姿态角发生改变时得到的各滑块速度曲线如图4-12所示，驱动力矩曲线如图4-13所示。对比两图中的曲线可知，在模型中添加了摩擦力之后，各分支在滑块运动换向时会造成驱动

15、力矩不同程度的突变，驱动力矩峰值也会比无摩擦情况下大。 当动平台姿态角发生改变时得到的各滑块速度曲线如图4-14所示，驱动力矩曲线如图4-15所示。对比图4-14和图4-15中的曲线可知，在模型中添加了摩擦力之后，各分支在滑块运动换向时会造成驱动力矩不同程度的突变，驱动力矩峰值也会比无摩擦情况下大。图4-12 动平台变化时滑块速度变化曲线图4-13 动平台变化时驱动力矩变化曲线图4-14 动平台变化时滑块速度变化曲线图4-15 动平台变化时驱动力矩变化曲线4 小结本章应用机械系统动力学仿真软件ADAMS建立了6PUS-UPS并联机床虚拟样机模型，实现了并联机床的动力学仿真。通过对比仿真输出曲线和第3章的理论计算曲线，互相验证了虚拟样机模型中的准确性和理论计算的正确性。