大型工件超長平面銑鉆專用機(jī)床的仿真分析與研究
綜合利用CAD/CAE/MSS技術(shù)，對(duì)銑鉆專用機(jī)床進(jìn)行仿真分析和研究。通過Pro/E建立機(jī)床的實(shí)體模型，將模型輸入到ADAMS中，對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。為提高系統(tǒng)仿真的精度，將銑鉆專用機(jī)床床身大梁柔性化，研究不同工況下，床身大梁與拖板之間的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，為求解床身大梁載荷提供了新的方法。
廣西龍灘水電站是西部大開發(fā)的戰(zhàn)略重點(diǎn)工程。在龍灘水電站工程中，要求對(duì)16m長大型閘門的水封平面進(jìn)行加工。該水封平面的尺寸為160mm×16000mm，要求其表面粗糙度達(dá)到見12.5μm以下，平面度在20ml范圍內(nèi)不大于1.5mm。國內(nèi)目前尚未具備加工這樣超長大型閘門的條件。針對(duì)這種情況，我們研究和設(shè)計(jì)出一種易于制造、成本低、具有創(chuàng)新的大型工件超長平面銑鉆專用機(jī)床。
本文綜合運(yùn)用了Pro/E、ANSYS和ADAMS軟件對(duì)專用機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析與研究。通過真實(shí)模擬機(jī)床在工作時(shí)不同的銑削情況，對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，求解機(jī)床導(dǎo)軌與拖板的接觸情況以及機(jī)床導(dǎo)軌所受的工作載荷，分析研究機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。機(jī)床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。
1 專用機(jī)床三維實(shí)體模型的建立
用Pro/E建立銑鉆專用機(jī)床的整機(jī)模型時(shí)，首先建立所有零件模型，然后按照裝配關(guān)系進(jìn)行裝配。由于建立整機(jī)模型的目的是將該模型傳人多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真.而ADAMS只對(duì)進(jìn)行仿真的構(gòu)件質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有要求，而對(duì)其具體幾何特征不關(guān)心。圖2為用Pro/E建立的銑鉆專用機(jī)床三維實(shí)體模型。
2 機(jī)床虛擬樣機(jī)的仿真分析
2.1 機(jī)床剛?cè)狁詈象w的建立
為了研究床身大梁與拖板之間的碰撞及床身大梁的變形情況，將床身大梁變?yōu)槿嵝泽w，在ANSYS中建立床身大梁的有限元模型，再導(dǎo)人到ADAMS中，與框架式拖板裝配構(gòu)成剛?cè)狁詈象w。
MECHANISM/Pro模塊是鏈接Pro/E與ADAMS的接口模塊，兩者采用無縫鏈接的方式，不需退出Pro/E應(yīng)用環(huán)境，就可以將裝配好的產(chǎn)品總成根據(jù)其運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義各個(gè)剛體和施加約束，再將模型傳送到ADAMS/View中，進(jìn)行全面的動(dòng)力學(xué)分析。
在整個(gè)機(jī)床中總共定義16個(gè)剛體，為確定剛體之間的約束，在每個(gè)剛體上定義標(biāo)記點(diǎn)，整個(gè)機(jī)床總共定義19個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。裝配好的模型通過Pro/E與ADAMS接口輸入到ADAMS中。
ADAMS/Flex柔性分析模塊是ADAMS軟件包中的一個(gè)集成可選模塊，它提供了ADAMS與有限元分析軟件ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、I—DEAS之間的雙向數(shù)據(jù)接口.利用這些軟件可以建立柔性體零件的有限元模型，進(jìn)行特定的有限元分析，然后生成模態(tài)中性文件。
在ANSYS中建立床身大梁的有限元模型，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格，單元類型為Solid92，床身大梁共計(jì)劃分單元數(shù)量為42543，節(jié)點(diǎn)數(shù)為85875。在床身大梁上定義26個(gè)硬點(diǎn)，這些硬點(diǎn)將作為模型從ANSYS輸入到ADAMS中的界面點(diǎn).在ADAMS中這些點(diǎn)將起到連接其它構(gòu)件和作為力的作用點(diǎn)。
在床身大梁與立柱之間定義軸套力來模擬它們之間的作用力關(guān)系，在拖板與床身大梁之間定義接觸力來模擬它們之問作用力的關(guān)系，而接觸力必須是在剛65與剛體之間定義，故須在床身大梁與拖板接觸處施加虛擬物65，虛擬物體與床身大梁用固定副聯(lián)結(jié)，在虛擬物體與拖板之間定義接觸力。
2.2 銑削力計(jì)算
2.3 動(dòng)力學(xué)仿真
在穩(wěn)態(tài)切削的情況下，對(duì)拖板與床身大粱進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真研究。設(shè)置運(yùn)行長度為1250mm，移動(dòng)速度為250mm/min，時(shí)間周期為300s，wl-間步長為0.018。機(jī)床動(dòng)力學(xué)仿真見圖4。
由于床身大梁與框式拖板之間有7副導(dǎo)軌相配合，分別定義7個(gè)接觸力來模擬床身大梁與框式拖板各導(dǎo)軌間的接觸情況。在如下表所示的不同切削情況下，分別對(duì)床身大梁與框式拖板接觸情況進(jìn)行仿真比較。下面以第1種工況下，第一副導(dǎo)軌(三角形導(dǎo)軌)接觸為例，對(duì)床身大梁與拖板問的接觸力和接觸力矩進(jìn)行計(jì)算。 #p#page_title#e#
圖5為三角形導(dǎo)軌所受的X、Y、Z方向的力。FX和FZ的大小相等，方向分別與X軸和Z軸正向相反；Fr較小，方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，為導(dǎo)軌面的摩擦力。圖6為導(dǎo)軌所受的繞X、Y、Z軸的力矩。其中，TX和TZ的大小基本相等，TX與X軸正向相同，TZ與Z軸正向相反；Tr較小，方向與Y軸正向相反。由上可知，三角形導(dǎo)軌面為主要受力面，側(cè)面導(dǎo)軌和底部導(dǎo)軌限制了框式拖板的傾翻。其它3種情況，用以上相同方法求解。
3 結(jié)論
采用Pro/E、ANSYS、ADAMS軟件對(duì)機(jī)床進(jìn)行了仿真分析，由3個(gè)軟件集成開發(fā)的機(jī)床虛擬樣機(jī)行之有效，在一定程度上可取代物理樣機(jī)。通過機(jī)床虛擬樣機(jī)仿真研究，求出機(jī)床不同的切削情況和床身大梁的變形情況，并進(jìn)一步求出床身大梁與拖板之問的接觸力和接觸矩，為計(jì)算床身大梁的載荷提供了新的方法。
