五自由度并联机床虚拟样机建模与仿真

    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。