车铣加工中心结构特点和刚体建模
2.1车铣加工中心结构特点
本章介绍的车铣加工中心属于五轴车铣复合加工中心，如图2. 1 所示。可实现x方向、y方向、z方向移动；主轴可实现无级调速及恒 速切削，主轴电机可作c轴转动控制，形成任意角度的c轴；动力刀架 上可装铣刀主轴，形成-90°~ +90°范围转动。因此该机床可实现五轴联动加工，一次装卡不仅可完成轴类或盘类零件全部工序，而且适合复杂曲面零件的加工。
该加工中心的床身采用部分水平和部分45°倾斜角度组成，不仅适合高速强力切削及精度保持性，而且布局排屑流畅，便工?操作。滑板可沿着z方向移动;横滑板在滑板上沿1方向移动；动力刃架在横滑板上沿着45°移动，形成虚拟“y”轴，可实现车、铣、钻及偏心加工该机床虚拟“y”结构，克服了以往加工中心的许多不足，防止了立杵的受力不很合理、大余量切削时力矩大等现象，w为容易引起机床机械系统的 振动，强力切削加工时这种优点显而易见（没有刀架在y轴上形成悬 臂梁），从而影响加工精度及工件表面粗糙度；同时i轴拖动重力轻， 易于控制。
2.2车铣加工中心刚体建模
adams软件具有建模功能，对简单的机械结构来说，直接在ad- ams/view建模不仅方便、快捷，而且有利于对该机构仿真分析。但复 杂零件的建模并不是a1mms的强项，这样将花费大量的时间在建模 上，并会大大降低adams仿真和分析效率。要想得到零件的准确质 量和质心，可以通过其他擅长复杂零件建模的软件进行建模求解，将结 构导人到adams中。solidworks具有强大的三维机械设计功能，同时 该软件也*支持参数化设计，使得机械设计工程师能快速地绘制草 图，尝试运用各种特征与不同尺寸，使生成的三维实体模型接近于实际 物体；另外solklworks与adams软件之间具有无缝接门，导人方便。 本文根据沈阳机床集闭某型号的图纸设计要求，采用solidworlcs建立 三维实体模型，如图2. 2所示，该模型在实际图纸基础上进行了简化， 然后导人到adams软件中，形成车铣加工中心的虚拟样机模型。ad- ams 软件中零件形状描述得越精确 ，自动求解的零件质量和质心位置 也越精确，所得仿真结果越可靠。因此正确处理solkiworks与adams 之间的模型转换是确保仿真效果的一项关键技术。对于sdidworks与 aimms之间的模型转换，除了定义好零部件的长度和密度单位，还应需要注意如下关键问题。
2. 2.1简化模型及转换
对于一个复杂的机械系统，通常要建立数万个甚至更多的三维实 体零件模型，这些零部件在装配完成后，要根据运动关系和研究目的， 简化为由数个刚体组成的刚体模型。一个刚体可能仅包含一个零件，也可能包括数十个甚至上百个零部件，这就需要把准备定义为一个刚 体的多个零件进行简化，使其合并为一个零件，这样就使各个零部件之 间的关系变得简洁明了[55]。adams与sdidworks共同支持的三种主 要图形交换格式分别是step格式、1ges格式和parasolicl格式。本文 采用的pamsoud格式，它是eds公司开发的几何造型核心系统，现已 成为开发、中等规模cad系统及商品化cad/cam/cae软件的 标准，sdidworks和adams均采用其作为儿何核心。在图形文件交换 时釆用parasolid格式可以防止数据丟失，这对仿真结果的正确性和有 效性有重要的影响，因此采用parasolid作为两个软件进行数据交换的 纽带具有显而易见的优势。利用parasdid格式导入到ai〕ams/view 的车铣加工中心模型，与在solidworks中的模型对比，缺失了机床的约 朿信息、零件的材料信息、零件的质量和零件的名称，这些信息在ad- ams/view中很容易修改，这样就为我们进行下一步的仿真分析提供 了非常好的基础。将在solidworks中建好的车铣加工中心模型导人到 adams中，具体步骤如下：
(1 )在solidworks的file下拉菜準中，选择另存为，出现对话框 后，选择保存类型为parawlid格式，单击保存。这里需要注意的是，文 件名不能为中文。
(2)在adams中选择file下拉菜单中的import,弹出file import 对话框，然后选择导人文件的格式，文件的保存位置和导入图形的界面 名称，单击0k即可导入模型。
2.2.2施加约束和动力
(1)施加固定约束：根据车铣加工中心实际的工作状态，将给模型 的床身与地面施加固定约束，然后将主轴箱和台尾与床身固定在一起。 在主工具箱上，选择固定约束图标，然后选择要固定的床身和地面以及 同定点，完成固定约束的设置。
(2)施加转动约束：根据机床的实际运动状态，需要在各个轴旋转 施加转动约束，在运动副工具箱中选择转动约朿图标，然后选择要连接 的两个部件，后选择施加约束的位置和方向，完成施加转动约朿。
(3)施加移动约朿：机床在运动时，刀尖点的运动主要是依靠滑 板、横滑板、动力刀架上电机驱动而移动，因此要在滑板、横滑板、动力 刀架处施加移动副。移动副的施加和前面的约束施加方法相同，先在 约束工具箱上选择移动约束副，然后选择要连接的两个部件，后选择 施加约束的位置和方向。
(4)创建车铣加工中心的运动轨迹:在主工具箱上，用右键选择零 件图标，然后在弹出的工具箱中，选择折线图标，在刀尖点位置创建运 动轨迹，并加一个固定副使其与地面相固定，另外再加一个线约束，使 刀尖点约束在给定的轨迹上。
(5)施加运动：在运动副工具箱中选择旋转运动图标，然后选择要施加运动的约束副，选择单点运动图标，然后选择运动轨迹的方向，修 改运动速度。
为了使仿真更接近于实际机床的工作状态，要对机床末端刀尖点 施加中.作用力，选择作用力i:具图标，在设置栏选择：应在run_time- 38direction设置栏，选择力的作用方式bohymoving,然后将力加在机械手 末端的标记坐标workpoint上，确定力的方向，施加力的大小。建好仿 真模塑后，便确认选择tool下拉菜单的modelverify，以确认模型的正 确性及自由度，
2.2.3虚拟样机模型的验证
由于solidworks建模可能存在一个问题，按照装配图纸将零部件 进行装配，但完成的装配不一定符合仿真的要求，这样将模型导入到 adams中就会给虚拟样机带来一些问题:如装配关系存在问题，零部件的尺寸单位不一致等问题。这就要求我们对已完成的adams模型 进行装配检査。这种装配检查主要包括以下儿个方面 :
(1)机构的拓扑关系变化是否在装配图上体现出来；
(2)装配中是否有干涉；
(3)检査各个零部件的密度信息；
(4)对机械系统中对称零部件的质量几何特征进行检査对比。
因而要想获得精确的仿真模型，就要对adams建立的装配模型 进行检査、简化等处理，这样才能便于后面的仿真。模型的验证是对建立的机床模型是否合理和有效，主要包括以下方面。
1)机构的自由度验证
自由度是机构学中的一个重要的概念，是进行机构设计时应首先解决的关键问题，确定了自由度，才能确定系统的驱动和控制，因此自 由度的验证至关重要。
2)判断机构输入选取是否合理
可以合理性判断是机构学中一个重要且复杂的问题，输人选取的 不合理，车铣加工中心将不能实现给定的运动，会发生干涉和重复，因 此判断车铣加工中心机构输人选取是否合理是有必要的。adams中 自带有检测工具，可以检测出机构的自出度及各个部件和约束情况，建 立的虚拟样机模型验证结果，如图2. 5所示，从图可以看出所建立的车铣加工中心虚拟样机模型结构比较复杂，构件多，简化部分比较少，接 近实际的机构模型，自由度数目为5，没有干涉的现象产生。三维模型 的建模对提高车铣加工中心实际加丁的成功率是十分重要的，并可以 为进一步的运动学和动力学分析奠定基础。
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本章介绍的车铣加工中心属于五轴车铣复合加工中心，如图2. 1 所示。可实现x方向、y方向、z方向移动；主轴可实现无级调速及恒 速切削，主轴电机可作c轴转动控制，形成任意角度的c轴；动力刀架 上可装铣刀主轴，形成-90°~ +90°范围转动。因此该机床可实现五轴联动加工，一次装卡不仅可完成轴类或盘类零件全部工序，而且适合复杂曲面零件的加工。
该加工中心的床身采用部分水平和部分45°倾斜角度组成，不仅适合高速强力切削及精度保持性，而且布局排屑流畅，便工?操作。滑板可沿着z方向移动;横滑板在滑板上沿1方向移动；动力刃架在横滑板上沿着45°移动，形成虚拟“y”轴，可实现车、铣、钻及偏心加工该机床虚拟“y”结构，克服了以往加工中心的许多不足，防止了立杵的受力不很合理、大余量切削时力矩大等现象，w为容易引起机床机械系统的 振动，强力切削加工时这种优点显而易见（没有刀架在y轴上形成悬 臂梁），从而影响加工精度及工件表面粗糙度；同时i轴拖动重力轻， 易于控制。
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adams软件具有建模功能，对简单的机械结构来说，直接在ad- ams/view建模不仅方便、快捷，而且有利于对该机构仿真分析。但复 杂零件的建模并不是a1mms的强项，这样将花费大量的时间在建模 上，并会大大降低adams仿真和分析效率。要想得到零件的准确质 量和质心，可以通过其他擅长复杂零件建模的软件进行建模求解，将结 构导人到adams中。solidworks具有强大的三维机械设计功能，同时 该软件也*支持参数化设计，使得机械设计工程师能快速地绘制草 图，尝试运用各种特征与不同尺寸，使生成的三维实体模型接近于实际 物体；另外solklworks与adams软件之间具有无缝接门，导人方便。 本文根据沈阳机床集闭某型号的图纸设计要求，采用solidworlcs建立 三维实体模型，如图2. 2所示，该模型在实际图纸基础上进行了简化， 然后导人到adams软件中，形成车铣加工中心的虚拟样机模型。ad- ams 软件中零件形状描述得越精确 ，自动求解的零件质量和质心位置 也越精确，所得仿真结果越可靠。因此正确处理solkiworks与adams 之间的模型转换是确保仿真效果的一项关键技术。对于sdidworks与 aimms之间的模型转换，除了定义好零部件的长度和密度单位，还应需要注意如下关键问题。
2. 2.1简化模型及转换
对于一个复杂的机械系统，通常要建立数万个甚至更多的三维实 体零件模型，这些零部件在装配完成后，要根据运动关系和研究目的， 简化为由数个刚体组成的刚体模型。一个刚体可能仅包含一个零件，也可能包括数十个甚至上百个零部件，这就需要把准备定义为一个刚 体的多个零件进行简化，使其合并为一个零件，这样就使各个零部件之 间的关系变得简洁明了[55]。adams与sdidworks共同支持的三种主 要图形交换格式分别是step格式、1ges格式和parasolicl格式。本文 采用的pamsoud格式，它是eds公司开发的几何造型核心系统，现已 成为开发、中等规模cad系统及商品化cad/cam/cae软件的 标准，sdidworks和adams均采用其作为儿何核心。在图形文件交换 时釆用parasolid格式可以防止数据丟失，这对仿真结果的正确性和有 效性有重要的影响，因此采用parasolid作为两个软件进行数据交换的 纽带具有显而易见的优势。利用parasdid格式导入到ai〕ams/view 的车铣加工中心模型，与在solidworks中的模型对比，缺失了机床的约 朿信息、零件的材料信息、零件的质量和零件的名称，这些信息在ad- ams/view中很容易修改，这样就为我们进行下一步的仿真分析提供 了非常好的基础。将在solidworks中建好的车铣加工中心模型导人到 adams中，具体步骤如下：
(1 )在solidworks的file下拉菜準中，选择另存为，出现对话框 后，选择保存类型为parawlid格式，单击保存。这里需要注意的是，文 件名不能为中文。
(2)在adams中选择file下拉菜单中的import,弹出file import 对话框，然后选择导人文件的格式，文件的保存位置和导入图形的界面 名称，单击0k即可导入模型。
2.2.2施加约束和动力
(1)施加固定约束：根据车铣加工中心实际的工作状态，将给模型 的床身与地面施加固定约束，然后将主轴箱和台尾与床身固定在一起。 在主工具箱上，选择固定约束图标，然后选择要固定的床身和地面以及 同定点，完成固定约束的设置。
(2)施加转动约束：根据机床的实际运动状态，需要在各个轴旋转 施加转动约束，在运动副工具箱中选择转动约朿图标，然后选择要连接 的两个部件，后选择施加约束的位置和方向，完成施加转动约朿。
(3)施加移动约朿：机床在运动时，刀尖点的运动主要是依靠滑 板、横滑板、动力刀架上电机驱动而移动，因此要在滑板、横滑板、动力 刀架处施加移动副。移动副的施加和前面的约束施加方法相同，先在 约束工具箱上选择移动约束副，然后选择要连接的两个部件，后选择 施加约束的位置和方向。
(4)创建车铣加工中心的运动轨迹:在主工具箱上，用右键选择零 件图标，然后在弹出的工具箱中，选择折线图标，在刀尖点位置创建运 动轨迹，并加一个固定副使其与地面相固定，另外再加一个线约束，使 刀尖点约束在给定的轨迹上。
(5)施加运动：在运动副工具箱中选择旋转运动图标，然后选择要施加运动的约束副，选择单点运动图标，然后选择运动轨迹的方向，修 改运动速度。
为了使仿真更接近于实际机床的工作状态，要对机床末端刀尖点 施加中.作用力，选择作用力i:具图标，在设置栏选择：应在run_time- 38direction设置栏，选择力的作用方式bohymoving,然后将力加在机械手 末端的标记坐标workpoint上，确定力的方向，施加力的大小。建好仿 真模塑后，便确认选择tool下拉菜单的modelverify，以确认模型的正 确性及自由度，
2.2.3虚拟样机模型的验证
由于solidworks建模可能存在一个问题，按照装配图纸将零部件 进行装配，但完成的装配不一定符合仿真的要求，这样将模型导入到 adams中就会给虚拟样机带来一些问题:如装配关系存在问题，零部件的尺寸单位不一致等问题。这就要求我们对已完成的adams模型 进行装配检査。这种装配检查主要包括以下儿个方面 :
(1)机构的拓扑关系变化是否在装配图上体现出来；
(2)装配中是否有干涉；
(3)检査各个零部件的密度信息；
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因而要想获得精确的仿真模型，就要对adams建立的装配模型 进行检査、简化等处理，这样才能便于后面的仿真。模型的验证是对建立的机床模型是否合理和有效，主要包括以下方面。
1)机构的自由度验证
自由度是机构学中的一个重要的概念，是进行机构设计时应首先解决的关键问题，确定了自由度，才能确定系统的驱动和控制，因此自 由度的验证至关重要。
2)判断机构输入选取是否合理
可以合理性判断是机构学中一个重要且复杂的问题，输人选取的 不合理，车铣加工中心将不能实现给定的运动，会发生干涉和重复，因 此判断车铣加工中心机构输人选取是否合理是有必要的。adams中 自带有检测工具，可以检测出机构的自出度及各个部件和约束情况，建 立的虚拟样机模型验证结果，如图2. 5所示，从图可以看出所建立的车铣加工中心虚拟样机模型结构比较复杂，构件多，简化部分比较少，接 近实际的机构模型，自由度数目为5，没有干涉的现象产生。三维模型 的建模对提高车铣加工中心实际加丁的成功率是十分重要的，并可以 为进一步的运动学和动力学分析奠定基础。
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