精密機床進給系統(tǒng)的振動分析

全套設計（圖紙）加扣扣194535455精密機床進給系統(tǒng)的振動分析摘要對于生產精密零部件的機床，進給系統(tǒng)的優(yōu)良會決定加工零件的性能。本課題對精密機床的進給系統(tǒng)的研究，可以為機床進給機構的設計與生產提供一個參考依據。本論文對精密機床進給系統(tǒng)的研究中選取JCS-018型立式加工中心的進給機構為例展開建模、仿真、分析而得出結果，該機床所選用的進給驅動機構為滾珠絲杠副，滾珠絲杠副從目前使用上來看是當今使用得較為廣泛的機械傳動進給機構。本文首先對機床的進給驅動系統(tǒng)及機床本體進行模型分析，在分析的基礎上將機床結構部件進行簡化，使得分析的模型簡便可靠，然后運用三維建模軟件SolidWorks建立起簡化了的JCS-018型立式加工中心的整機，及主要研究的進給機構的三維實體模型，再通過SolidWorks軟件與ADAMS軟件之間的數(shù)據對接交換口，將該機床模型導入到ADAMS軟件中，從而得到簡化的立式加工中心的虛擬樣機模型，作為本課題研究的精密機床進給系統(tǒng)的模型。根據虛擬樣機的多剛體運動學與動力學理論，對JCS-018型立式加工機床的模型進行運動學和動力學的仿真分析。從虛擬樣機中的仿真分析，從中找到影響機床進給過程振動的最大因素，探討影響振動的因素，從而得出在機床進給系統(tǒng)的設計與生產上應該注意的問題。關鍵字：進給系統(tǒng)；滾珠絲杠副；虛擬樣機；仿真分析；振動因素

VibrationanalysisofprecisionmachinefeedsystemsABSTRACTFortheproductionofprecisionpartsofthemachinetool,feedsystemwilldeterminethegoodperformanceoftheparts.Theresearchonthefeedsystemoftheprecisionmachinecanprovideareferenceforthedesignandproductionofthemachinefeedmechanism..Inthispaper,theresearchofprecisionmachinetoolfeedsystemselectedfeedingmechanismofJCS-018verticalmachiningcenterforexamplestartedmodeling,simulation,analysisandgettheresult,themachinefeedsystemforballscrewpair,ballscrewdeputyfromtheuseofperspectiveisnowthewidelyusedmechanicaltransmissionfeedmechanism.Inthispaper,firstanalysisofthemachinefeeddrivesystemandthemachinebodymodel,intheanalysisitisinthebasisofthestructureofthemachinepartsaresimplified,makestheanalysisofthemodelissimpleandreliable,andthenusethe3DModelingSoftwareSolidworksbuildsimplifiedtheJCS-018verticalmachiningcentermachine,andmainlystudiesthefeedmechanism,throughthedatabetweenSolidWorksandADAMSsoftwaredockingportforexchange,themachinemodelisimportedintoADAMSsoftware,resultinginthevirtualprototypemodelofsimplifiedverticalmachiningcenter,astheresearchofprecisionmachinetoolfeedingsystemmodel.Accordingtothemulti-bodykinematicsanddynamicstheoryofvirtualprototype,thekinematicsanddynamicssimulationofthemodelofJCS-018verticalmachineiscarriedout.Fromthevirtualprototypesimulationanalysis,fromwhichtofindthebiggestfactorthatimpactthevibrationoftheprocessofmachinefeedandtoexplorethefactorsinfluencingthevibration,sowecandrawaconclusionthattheproblemsshouldbepaidattentiontointhedesignandproductionofmachinefeedsystem.KeyWords:Feedsystem;Ballscrewpair;Virtualprototype;Dynamicsanalysis;Vibrationfactors

目錄HYPERLINK第1章緒論 5HYPERLINK1.1課題的研究背景 5HYPERLINK1.2課題研究意義 6HYPERLINK1.3國內外對機床進給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 6HYPERLINK1.4課題的研究擬采用的方案 7HYPERLINK第2章虛擬樣機技術的理論基礎與計算方法 7HYPERLINK2.1ADAMS軟件簡介 7HYPERLINK2.2機械系統(tǒng)分析原理 8HYPERLINK2.3本課題應用ADAMS的仿真的主要步驟 9HYPERLINK2.4本章小結 10HYPERLINK第3章基于SolidWorks機床進給機構的簡化與建模 10HYPERLINK3.1模型的簡化 10HYPERLINK3.2三維幾何造型軟件的選取 11HYPERLINK3.3簡化了的實體模型建立 11HYPERLINK第4章機床進給系統(tǒng)虛擬樣機的建造與運動學仿真 13HYPERLINK4.1系統(tǒng)虛擬樣機的建造過程 13HYPERLINK4.2系統(tǒng)運動仿真響應 14HYPERLINK4.3本章小結 16HYPERLINK第5章機床進給系統(tǒng)的動力學仿真及結果分析 16HYPERLINK5.1系統(tǒng)樣機的動力學參數(shù)設置 17HYPERLINK5.2系統(tǒng)樣機柔性絲杠軸的設置 17HYPERLINK5.2.1剛柔混合模型原理 17HYPERLINK5.2.2柔性體絲杠的生成 17HYPERLINK5.3剛柔混合模型的仿真 17HYPERLINK5.4本章小結 17HYPERLINK第6章結論 17HYPERLINK參考文獻 17三維圖

第1章緒論1.1課題的研究背景精密和超高精密加工技術現(xiàn)今成為了機械加工領域重要的技術發(fā)展方向，而實現(xiàn)高精密加工的必要條件就是要具備有高精度、性能好的數(shù)控加工設備。而機床的進給系統(tǒng)作為各種數(shù)控設備的核心組成部分，其在加工過程中的機床平穩(wěn)性和相關的性能問題會直接關系到機床的加工精度、工件表面質量和生產效率[1]。當今的精密機床在進給系統(tǒng)上存在著一些不同，通常其所需要的工作狀況，定位精度，工作量的大小等方式進行機床的進給系統(tǒng)的選擇，盡管精密機床的種類很多，而從當前的形式來看，主流的進給驅動系統(tǒng)的結構形式大概可分為以下幾種[2]：（1）直線電機進給驅動系統(tǒng)：直線電機形式的驅動進給是近年來被考慮著重應用于精密與高精密機床的進給形式，很多發(fā)達國家在機械領域對直線電機進給驅動的研究都加大了力度，在應用上也廣為推薦。因為直線電機形式的驅動進給從理論上可以實現(xiàn)進給系統(tǒng)的零傳動，結構上取消了從動力源到工作臺的全部中間傳動環(huán)節(jié)，使機床的傳動鏈的長度近乎縮短為零，實現(xiàn)了傳動幾乎直接從電動機到工作臺。（2）并聯(lián)虛擬軸進給驅動系統(tǒng)：這種形式的進給驅動完全不同于傳統(tǒng)的機床結構，并聯(lián)虛擬軸機床的床身、主軸箱、工作臺、立柱等機床的零部件布局情況跟其虛擬軸相匹配的結合，其驅動的方式是一種六桿式的進給運動形式。并聯(lián)虛擬軸機床同傳統(tǒng)數(shù)控機床相比起來，盡管這種形式的傳動有著剛度比較大，響應速度較快，加工速度快的一些優(yōu)點，但同樣的，也有當前限制其發(fā)展的弊端，因為有效的小范圍的工作加工空間，加工精度并不比傳統(tǒng)機床高多少，數(shù)控編程和誤差補償還比較復雜，使其在目前的應用范圍也不是很廣[3]。（3）滾珠絲杠進給驅動系統(tǒng)：可以說數(shù)控機床的發(fā)展，促使了滾珠絲杠副的應用，滾珠絲杠能成為數(shù)控機床的較理想的進給機構是因為滾珠絲杠作為進給系統(tǒng)的傳動方式具備著成本低，工作穩(wěn)定性能可靠，并且具有相當高的傳動比。盡管滾珠絲杠副對工件表面質量的變化不夠敏感，但其良好的性能比起于相對小的弊端，顯得在精密機床的使用上，應用滾珠絲杠是個性價比相對不錯的選擇，因此在精密機床的使用上滾珠絲杠進給傳動就很普及[4]。針對研究的課題，為了得出一個與實際現(xiàn)狀機床進給系統(tǒng)運用的比較普及的進給系統(tǒng)的振動分析，本課題選取JCS-018型立式加工中心的進給系統(tǒng)作為研究對象，滾珠絲杠副正是JCS-018型立式加工中心所用的進給系統(tǒng)，對JCS-018型立式加工中心進行建模仿真分析，就可以得出對滾珠絲杠進給系統(tǒng)在機床的性能研究結果。近年來，隨著計算機技術的飛躍式的發(fā)展，計算機輔助技術也跟隨著進步，在一些軟件技術上不僅可以使用三維設計軟件生成概念中的零件模型，還可以虛擬各種過程。如今可以看到用很多相當成熟的三維設計軟件技術建立機床的各種零部件，并進行組裝和修改，在計算機上建立起與模擬實際情況的數(shù)控機床實體模型，并對所建樣機進行仿真，輸出在實際物理樣機要花很長的時間才能完成的測試數(shù)據。在虛擬樣機對建立的模型可以進行動力學和運動學分析，可以輸出想測試元素的運動學和動力學數(shù)據分析。若是進行產品的設計可以很快的分析對比出多種方案，通過優(yōu)化分析得出最優(yōu)方案的選擇，這樣就可以縮短了產品的開發(fā)周期和產品投入使用的時間[5]。1.2課題研究意義通過運用虛擬樣機對機床的進給系統(tǒng)的仿真分析，會得到機床進給機構的一系列性能分析結果，從而可以清楚影響機床進給過程中振動的因素，而讓滾珠絲杠進給系統(tǒng)設計者和生產者對此類進給系統(tǒng)應該在平時工作中注意的問題,這是本課題研究的最重要的意義所在。本課題的另外研究意義在于以虛擬樣機技術為工具對進給系統(tǒng)進行仿真分析，可以結合機床各向進給運動的耦合關系對機床工作的影響，這是物理樣機無法比擬的，不單只對一個運動關系進行振動分析，而是可以結合所有運動對機床的影響來進行分析。通過ADAMS虛擬樣機進行試驗，就很快的取得相應的試驗結果數(shù)據，通過對結果數(shù)據分析對比，就會發(fā)現(xiàn)振動的因素，如此，就縮短了要在實際中對物理樣機進行實驗的而得出機床的振動相關的問題所用的時間。1.3國內外對機床進給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 目前國內外針對機床進給系統(tǒng)的研究問題已經進行較長的一段時間，但針對機床的進給系統(tǒng)的振動問題還不夠深入，在機床的進給系統(tǒng)主要還停留在對機床進給系統(tǒng)規(guī)范化模型的設計、建模、分析和優(yōu)化等問題上。多領域物理系統(tǒng)的建模仿真技術一直都是各國研究的關注點，也是機械領域尚未很成熟的一個模塊，現(xiàn)在的虛擬樣機仿真技術更側重應用于機械系統(tǒng)的性能分析與優(yōu)化設計方面[6]。虛擬仿真技術在當前對機床進給系統(tǒng)的研究使用上來看，多是以應用Modelica的多領域物理系統(tǒng)建模仿真技術為理論基礎，這個正是虛擬樣機技術的理論核心，而進行建立系統(tǒng)的動力學模型，并進行對機床進給系統(tǒng)的多領域仿真。國內外在機床進給系統(tǒng)性能上的研究，一般都建立針對系統(tǒng)動力學為研究的模型上，再對系統(tǒng)進行虛擬樣機試驗便可快捷測試出所研究系統(tǒng)的性能，從當前的形式看來，多領域系統(tǒng)仿真技術和實現(xiàn)機床進給系統(tǒng)規(guī)范化仿真模型的建立，以及提高樣機模型的仿真精度，將會成為往后的研究要點。國內外研究比較多的是工件加工過程仿真，模擬數(shù)控加工過程包括幾何和物理兩部分仿真內容，進行幾何仿真一般是在忽略掉切削力參數(shù)和其他因素對加工的影響仿真得出的結果往往是要進行加工的數(shù)控程序和刀具位移軌跡參數(shù)，進行幾何仿真也可以反映到對工件進行加工時的碰撞和干涉等情況。國內外對幾何仿真加工的研究比較有成果，并探索出具有很大價值的一些仿真模塊及仿真軟件。但是對物理仿真的研究還不到位，物理仿真一般包含加工精度分析，切削過程出現(xiàn)的熱效應，切削力作用下的系統(tǒng)彈性變形、夾緊變形，以及關于機床整體的動態(tài)、靜態(tài)分析等問題。事實上，在傳感器技術和測試技術沒有得到較好發(fā)展的情況下，對物理仿真的研究都有局限性，國內外的該項研究都還不能滿足先進加工制造技術的發(fā)展需求，仍存在著適用用高速加工過程模型柔性化問題難以解決，與幾何仿真未能完美銜接等問題[7]。虛擬樣機技術在當前已經獲到了廣泛的推薦應用，特別是一些發(fā)達國家在一些重要的經濟產業(yè)上使用的力度很大，目前應用的很常見的制造領域有汽車制造業(yè)、機械電子工業(yè)以及一些通用的機械領域。在國內，虛擬樣機技術主要應用于一些精尖技術領域，常見的工程領域還未普及。近年來，國內部分研究人士將虛擬樣機技術結合于常見的機械設備設計研發(fā)當中，可以看到一些研究出來的成果，對這項技術的應用還有很多方面，現(xiàn)在研究于機床的設計與研發(fā)的事業(yè)單位都采用虛擬樣機技術進行參數(shù)化的設計，以方便產品的優(yōu)化設計，從而加快產品投入市場的時間[8]。1.4課題的研究擬采用的方案本課題首先建立起JCS-018型立式加工中心的進給系統(tǒng)零部件的三維實體模型，并建立機床的裝配模型，建模工具為SolidWorks軟件。由于SolidWorks具有參數(shù)化的實體設計功能，而ADAMS虛擬樣機在對模型仿真分析中，簡單的機構組合更容易進行分析得出較為精準的數(shù)據。因此，在進行三維建模的過程中，還應該考慮到在ADAMS軟件中把實體模型導入之后的操作運行，所以要對JCS-018型立式加工中心的相關零部件進行簡化操作，再對JCS-018型立式加工中心的進給系統(tǒng)在ADAMS中進行建模仿真，再到虛擬樣機中進行仿真結果分析與輸出。具體步驟為：（1）將機床模型進行簡化及機床模型建立。根據JCS-018型立式加工中心的結構部件的設計圖紙，在SolidWorks軟件里建造該機床的三維實體簡化模型，再搭建好機床的裝配模型。（2）機床虛擬模型的建立。三維模型建立后，通過ADAMS的交換接口技術，將三維實體模型導入，形成所研究的虛擬樣機模型。(3)虛擬樣機模型進給系統(tǒng)的運動學、動力學仿真。通過設置樣機的構件間的特性，工作狀態(tài)的設定，添加好構件間的約束、激勵、外力作用。以機床的進給加工過程為運動仿真過程，從而得到虛擬機床的實驗結果，對機床的工作臺的運動學、動力學進行輸出得到分析數(shù)據。(4)對運動仿真出來的結果進行分析找出影響機床進給系統(tǒng)振動的因素。通過虛擬樣機中的仿真數(shù)據的計算分析，結合實際中的機床進給過程的振動情況進行比較，總結出影響機床的進給系統(tǒng)振動的原因。第2章虛擬樣機技術的理論基礎與計算方法2.1ADAMS軟件簡介ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）的全稱是機械系統(tǒng)自動動力學分析軟件，是一款集樣機建模，仿真分析，求解，及可優(yōu)化設計技術于一體的運動仿真分析軟件。在當今世界上頗具盛名得到最廣使用的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件，其虛擬樣機運動仿真的精度和可靠性是很多其他仿真軟件不可比擬的。應用ADAMS，可以很方便地建造起多樣化的實體模型，再結合多剛體系統(tǒng)動力學分析原理進行運動仿真計算。ADAMS是美國MechanicalDynamics,Inc．(MDI)公司生產的軟件，與一些計算機輔助建模虛擬仿真軟件相比，可以突出ADAMS強大的運動學和動力學分析功能，把強大的建模、仿真和分析功能以人性化的人機交換方式為用戶使用。ADAMS軟件模塊包括ADAMS/View,ADAMS/Solver等組件。ADAMS/View是ADAMS的一個核心模塊，在這個模塊可以建造各種模型，設定各種參數(shù)，模擬所要研究的系統(tǒng)模型的各種運動和運行狀態(tài)，還可以對所建樣機進行仿真分析，測試樣機的性能問題，輸出多種數(shù)據方案，以便確定設計產品的最優(yōu)化參數(shù)[9]。ADAMS為用戶提供強大的具有交互式的圖形環(huán)境、零件庫、約束庫、力庫、函數(shù)庫等，對于創(chuàng)建好的機械系統(tǒng)動力學模型，ADAMS利用拉格朗日方程建立一系列的系統(tǒng)動力學微分方程和代數(shù)方程，可以有效、穩(wěn)定的解決系統(tǒng)的剛性及柔性問題。所以可以對相關系統(tǒng)的樣機進行靜力學、運動學和動力學的仿真分析，并可以測試出系統(tǒng)的各種性能，輸出位移、速度、加速度、有相關力的曲線和仿真動畫等數(shù)據，可以有效解決用戶對系統(tǒng)的分析問題，ADAMS的使用價值體現(xiàn)在當今的各種設備的設計、生產、使用上，產品的更人性化了[10]。2.2機械系統(tǒng)分析原理在ADAMS中對機械系統(tǒng)中分析的理論核心是多體系統(tǒng)動力學，由任意有限個剛體組成的系統(tǒng)是多剛體系統(tǒng)動力學主要的研究對象，對系統(tǒng)研究較多的是多剛體動力學，ADAMS在這方面的研究是比較成熟的。多剛體系統(tǒng)動力學與多柔體動力學是多體系統(tǒng)動力學兩個基礎理論。系統(tǒng)中剛體之間通常是以理想完整約束、非完整約束、定常約束或非定常約束形式的約束連接起來。研究這些系統(tǒng)的動力學問題可能需要建立與系統(tǒng)相關的非線性運動方程、能量方程、運動學表達式以及其他一些相關量的表達式。多柔體系統(tǒng)動力學的研究對象是由大量剛體以及柔體組成的系統(tǒng)，全為柔性體的系統(tǒng)在現(xiàn)實中是不存在的[11]。目前在ADAMS中應用最成熟的是多剛體系統(tǒng)動力學。每個樣機模型都對應著有不同的拉格朗日運動方程，ADAMS會根據樣機系統(tǒng)的模型，自動生成樣機系統(tǒng)的拉格朗日運動方程。對與系統(tǒng)中的每個剛體，都可以列出6個廣義坐標帶乘子的拉格朗日方程及相應的約束方程。(2-1)式中—系統(tǒng)動能表達式；—描述系統(tǒng)的廣義坐標；—系統(tǒng)的約束方程；—在廣義坐標方向的廣義力；—的拉格朗日乘子矩陣。在ADAMS的數(shù)據處理中，數(shù)值的計算采用修正的Newton-Raphson迭代算法，使得該軟件很快、準確地求解出運動學和靜力學等一系列的非線性代數(shù)方程。對于動力學微分算法，可以根據系統(tǒng)的各種特性，而選用不同的積分方程。對于剛性系統(tǒng)，采用變系數(shù)的BDF（BackwardsDifferentiationFormulation）剛性積分法程序，在數(shù)據的處理上算是自動變階、變步長的預估校正法（Predict-Evaluate-Correct-Evaluate,PECE）,在積分過程的每一步中都采用了修正的Newton-Raphson迭代算法；對于高頻系統(tǒng)，通常采用坐標分配法和Adams-Bashforth-Adams-Moulton方法。與ADAMS的數(shù)據處理相對應，ADAMS/Solver中也包括了三個功能強大的數(shù)據求解器[12]：ODE求解器，求解微分方程，處理數(shù)據采用剛性積分法。非線性求解器，求解代數(shù)方程，采用了Newton-Raphson迭代算法。線性求解器，求解線性方程，采用稀疏矩陣技術以提高數(shù)據處理效率。ADAMS中多體系統(tǒng)動力學理論與計算機技術的高度結合，以笛卡兒坐標和歐拉角參數(shù)來描述物體的空間位置。采用剛性積分算法與微分算法解決了稀疏矩陣和劃分體的求解問題，其關鍵模塊主要有ADAMS/View與ADAMS/Solver，ADAMS/View模塊提供設定模型參數(shù)的設計庫，ADAMS/Solver模塊提供多種功能成熟的求解器，可以對所建樣機模型進行運動學、靜力學、動力學仿真分析。2.3本課題應用ADAMS的仿真的主要步驟（1）建立機床模型建立機床的虛擬樣機模型時，先要了解機床的零部件的各種特性，然后在ADAMS中定義樣機模型零部件的質量、密度、轉動慣量等物理特性和機床的工作狀態(tài)。在ADAMS創(chuàng)建虛擬模型的方法通常有兩種：一是使用ADAMS/View中提供的零件庫元素定義模型；另一個是由專業(yè)的三維實體建模軟件(如Pro/E，UGSolidworks)，可以建立一個完美的模型，再將建好的實體模型通過設定的接口技術導入到ADAMS中?？梢郧宄罢邇H適用于形狀比較簡單的零部件，后者可以方便的建立形狀復雜的零部件，選擇第二種有較大的優(yōu)勢[13]。（2）樣機進給狀態(tài)的設定在建立的樣機模型中，結合機床在實際中的運行狀態(tài)，添加與之相關的運動約束、機床的工作臺在加工所受到的作用力。再按照機床的設定添加驅動的激勵。（3）模型仿真分析對樣機模型進行運動仿真，檢驗所建的樣機是否與實際運行規(guī)律相符，然后在ADAMS中計算測試的所要研究構件的位移、速度、加速度等運動學特性和相關的動力學特性。（4）模型細化及仿真結果輸出結合所要研究的問題，在經過初步的模型仿真后，就可以對模型進行添加研究要素，添加樣機約束與激勵，將模型按研究細化，如添加物體間的摩擦系數(shù)，以柔性體替換掉剛性體，對物體施加作用力與作用力矩等再進行運動仿真，為使虛擬樣機與實際研究的狀況相接近，在對樣機的仿真分析審核多次后將結果輸出。2.4本章小結本章主要對ADAMS分析的理論基礎多體動力學作了簡要介紹，并引出多剛體動力學系統(tǒng)與柔性系統(tǒng)多體動力學的拉格朗日算法。最后簡要說明本研究課題在ADAMS中進行操作的一般流程。第3章基于SolidWorks機床進給機構的簡化與建模3.1模型的簡化在虛擬樣機中的模型務必要盡量簡化，減少模型的零件數(shù)，盡量使模型中沒有相對運動關系的相鄰構件盡量構為一體，當然要保證虛擬樣機要按照所設置狀態(tài)的完整性與相對運動性，也不能盲目的追求簡化而省略掉與機床功能相違背的結構和構件，使得所建模型對研究分析沒有了意義，應包含所要作研究的一切元素，建立的模型最好包含有研究所需的系統(tǒng)機構[14]。當樣機中的構件的質量、質心位置、轉動慣量與實際構件的這些對應特征相同時，根據ADAMS軟件的求解算法原理可知，樣機在ADAMS中仿真出來的結果是等價于實際的機床的情況的。結合簡化的要求與分析，在本課題中，對所研究的進給系統(tǒng)及機床模型進行必要的簡化：將一些沒有相對運動的零部件直接以一個構件來進行處理，而且在樣機的模型中省略與研究無關的零件，若是對所研究的進給系統(tǒng)有相互間的作用力，在模型中通過添加作用力來達到效果。一些零部件也忽略掉部分特殊的幾何形狀特性，而在ADAMS中進行仿真的構件的質量、密度、質心位置、轉動慣量等需要的參數(shù)就從實際的機床零部件中計算提取。這樣就使得仿真的速度加快，針對性更直接[15]。JCS-018型立式加工中心的機械零部件比較多，在建模的過程中，根據機床結構特點，分為立柱組件、滑座、傳動系統(tǒng)組件、滑臺、機座、主軸箱體等多個構件進行建模。一些零部件模型又可根據相對于地面的運動關系進行劃分，劃分的情況如圖3-1所示。表3-1JCS-018型立式加工中心的部件相對運動劃分運動實體工作臺，拖板組件，箱體組件，電主軸架，橫梁組件，滾珠絲杠組件靜止實體立柱組件，底座，滑座組件所研究的機床在ADAMS中沒有相對運動的緊貼著的兩兩零部件若沒有相對運動，則組建成一個構件。以零部件之間是否存在相對運動關系，將部件合理的組建成一個構件，虛擬樣機可分為如表3-2所示的幾個部分。表3-2虛擬樣機中的構件組合情況部件名稱包含的部件主軸箱體刀具庫、主軸箱拖板拖板機座機座、底座立柱立柱、導軌主軸主軸、刀具絲杠螺母雙絲桿螺母、滾珠機床的進給傳動系統(tǒng)有多個零部件組成的復雜機構，劃分成X、Y、Z軸三個方向的進給傳動，由于機床的進給是三個軸的傳動實現(xiàn)的。在進行運動學和動力學仿真時要注意到多個運動部件之間的相互耦合作用，通過虛擬樣機技術為研究手段對機床的研究就可以避免只對個別零件的分析而忽略多個部件間的相互耦合作用，比起以物理樣機為實驗研究，這就是虛擬技術的優(yōu)勢所在，如此可以得到較為準確的關于系統(tǒng)的分析數(shù)據輸出[16]。也突出了課題對機床進給系統(tǒng)的研究采用樣機虛擬仿真技術的必要性和優(yōu)越性。3.2三維幾何造型軟件的選取對于本課題的樣機模型，仿真分析的研究是從三維模型的建立起步，因此，建造一個好的模型就比較重要。如今，比較成熟的三維CAD模型建造軟件有很多種，選取一個方便、操作容易的軟件建?？梢约涌煅芯康倪M程。由于ADAMS與CAD的接口模塊ADAMS/Exchange支持IGES、STEP、DXF/DWG、parasolid等圖形交換格式，而在ADAMS支持的圖形交換格式中，Parasolid格式文件具有獨特的優(yōu)點，并且Parasolid格式可以包含整個裝配體，這是其他格式文件無法實現(xiàn)的。而ADAMS軟件自身也采用Parasolid技術為核心進行實體建模。如此，當ADAMS與同樣采用可以以Parasolid格式的SolidWorks文件進行數(shù)據交換時，通過Parasolid格式交換數(shù)據將非常方便。所以，可以選取三維建模軟件SolidWorks作為建模軟件，此軟件自身也具備有人機交互性很好的特點[17]。3.3簡化了的實體模型建立使用SolidWorks軟件對JCS-018型立式加工中心進給系統(tǒng)及相關部件進行建模，首先要建立各個零件的模型，然后由一定的關系進行裝配成為機床模型。建造這個整機模型，然后將該模型導入到多體動力學軟件ADAMS中使得機床虛擬樣機很快的建成，ADAMS對仿真的構件的質量、質心、轉動慣量有嚴格的要求，而對構件的具體形狀的細節(jié)不作過多要求，所建的模型只要具備與實際機床的物理特性相同的條件，在ADAMS中做出來的分析結果是沒有差別的本課題的模型都是三維實體，這些實體的創(chuàng)建方法主要用到一般的幾何形體特性的拉伸、掃描、旋轉、材料切除等方法。下面為所建造的部分重要部件的零件實體圖：圖3-1滾珠絲杠模型圖3-2滾珠絲杠在滑座的裝配然后通過所有建立起來的實體零件組裝成的裝配體如下：圖3-3整體裝配體模型第4章機床進給系統(tǒng)虛擬樣機的建造與運動學仿真本課題研究的機床進給傳動系統(tǒng)是通過多個零部件組成的復雜傳動機構,通過Solidworks軟件將建好的裝配三維模型導入到ADAMS軟件的過程中，Solidworks把組裝好的裝配體另存為parasolid（以*.x_t為文件后綴名）的文件格式，保存在名字全為英文名的存儲空間中，以備反復調用來作研究于檢驗。4.1系統(tǒng)虛擬樣機的建造過程下面就是在ADAMS軟件中虛擬樣機建立的過程和步驟：（1）在ADAMS軟件中通過File—import打開保存好的parasolid文件。（2）虛擬樣機工作環(huán)境的設定，把樣機所在的重力場環(huán)境設定好與樣機工作狀態(tài)的垂直方向一致，把樣機部件渲染好。（3）部件的材料屬性、質心、彈性模量、泊松比、密度等重新賦值添加。下表為機床進給零部件的材料屬性及性能系數(shù)：表4-1機床部件材料屬性參量彈性模量（E/MPa）密度ρ()泊松比μ材料構件名稱導軌1.13×73500.23HT300工作臺0.9×71500.3HT250橫梁0.9×71500.3HT250滾珠絲杠2.1×78500.21GCr15滑枕0.9×71500.3HT250（4）對樣機添加約束。根據實際中機床各個零部件的空間和運動關系，將樣機中的相關部件的運動關系按照實際的情況約束好。約束是虛擬樣機的重要內容，保證仿真運動的順利實現(xiàn)，ADAMS提供常用的幾種類型約束：基本的約束、常用鉸約束、高副約束。針對本機床的研究用到的約束有：固定約束、轉動副、移動副、圓柱副、關聯(lián)副以及一些高副約束。（5）載荷的添加。ADAMS中有4種類型的力，第1種是常見作用力如常用到的力和力矩等。第2種是柔性連接力，如彈簧力，軸套力等。第3種是接觸力，為相互接觸的部件在運動時提供的相互作用力。第4種是特殊力。這里用到的載荷為：X、Y、Z三軸方向上的電機旋轉力矩，工作臺在主軸刀具的進給旋轉時產生的壓力和旋轉力矩，導軌作用面間的摩擦力等。（6）檢查連接和約束的正確與否。利用仿真軟件自檢工具檢查是否存在有不恰當?shù)倪B接和約束、沒有約束的構件、樣機的自由度等構件間的相互關系。（7）激勵的添加。根據實際情況對虛擬樣機中的X、Y、Z軸三個方向的絲杠軸添加旋轉電機。在添加完好各種約束關系后先保存一下整體的虛擬樣機，以便往后的調用分析與比較。4.2系統(tǒng)運動仿真響應在ADAMS中利用JCS-018型立式加工中心簡化模型的虛擬樣機進行仿真如圖4-1所示。由于工件的裝夾是在工作臺上，通過Z軸主加工軸上的刀具對工件進行加工，因此，對機床工作臺的運動學輸出，也可以近似的反映到工件上。設置運動仿真的EndTime為5.0，Step為50，對工作臺進行運動學曲線輸出，如圖4-2：圖4-1ADAMS中的樣機圖4-2工作臺的運動學輸出4.3本章小結本章以多剛體系統(tǒng)的模型對JCS-018型立式加工中心的進給系統(tǒng)虛擬樣機進行運動學仿真從工作臺的運動學輸出可以看到，所建造的虛擬樣機的運動學按照實際情況的空運行狀態(tài)運行，輸出的運動學曲線正確，建造的虛擬樣機符合。第5章機床進給系統(tǒng)的動力學仿真及結果分析結合所有在ADAMS中的操作，本課題的關鍵是動力學分析研究的樣機，則所進行的步驟如圖5-1：機械系統(tǒng)建模：1.幾何建模機械系統(tǒng)建模：1.幾何建模2.添加運動副和運動約束3.施加載荷仿真分析：1.設置測量的仿真輸出仿真分析：1.設置測量的仿真輸出2.進行仿真分析仿真結果分析：1.回放仿真結果仿真結果分析：1.回放仿真結果2.繪制仿真結果曲線驗證結果分析：1.添加實驗數(shù)據驗證結果分析：1.添加實驗數(shù)據與實際情況的類比出入？與實際情況的類比出入？是是否精致樣機系統(tǒng)參數(shù)：1.增加摩擦力，改進載荷精致樣機系統(tǒng)參數(shù)：1.增加摩擦力，改進載荷2.定義柔性物體和連接重復仿真分析重復仿真分析得出影響機床進給振動的原因得出影響機床進給振動的原因圖5-1仿真步驟總結5.1系統(tǒng)樣機的動力學參數(shù)設置JCS-018型立式加工中心的設計參數(shù)如表5-1：表5-1參數(shù)行程（mm）加減速時間（s）移動負載質量（kg）快速移動速度（m/min）傳動方式方向X軸7500.11507014滾珠絲杠Y軸4000.1902314滾珠絲杠Z軸180-6500.1124404滾珠絲杠在得知滾珠絲杠（X、Y、Z軸）的參數(shù)：X軸方向上絲杠的長度為980mm，Y軸絲杠長度為660mm，Z軸絲杠長度為750mm；直徑和螺紋間距統(tǒng)一為40mm，10mm；工作臺允許負載：500kg；進一步計算機床進給系統(tǒng)的質量和慣量如表5-2：表5-2指標質量（kg）總慣量Jr（）加減速時間（s）轉矩（N.m）方向X軸150700.01690.145.58Y軸90230.08240.1161.87Z軸124400.05320.1100.135.2系統(tǒng)樣機柔性絲杠軸的設置在多剛體系統(tǒng)動力學問題中，所有構件都被假定為剛體，但隨著機械運動速度和機構工作精度的提高，以及構件質量的減輕，構件彈性成為不可忽略的因素。針對本機床的進給系統(tǒng)的研究上，在機床的進給運動過程中，絲杠部件在經歷大的剛性轉動的同時，會出現(xiàn)有彈性變形現(xiàn)象，而且這兩種運動高度耦合作用于一個構件上。對本系統(tǒng)動力學分析而言，因為在高速情況下，結構本身的彈性變形與宏觀剛體運動同等重要，特別是對于加工中心這樣的精密裝備，機構的剛度對加工有重要影響，在大載荷加減速情況下，機構受力后會有較大的變形，就會存在著振動問題。因此，要進行更為精準的仿真，必須考慮一些機床零部件的彈性形變，把有彈性形變的構件作柔性化處理，以柔性體替換掉剛體，可以更真實的反映機構運動時的動態(tài)特性，使分析出來的構件的振動情況更準確。5.2.1剛柔混合模型原理1）柔性體仿真的數(shù)學模型和運動微分方程為了計算出構件彈性變形時對構件間運動的影響，這里將有彈性形變的構件進行柔性化處理，以混合坐標來描述柔性體的形位變化情況，必要對柔性構件建立一系列浮動坐標系。當此構件的形位發(fā)生變化時，這些浮動坐標也會跟著變化，這樣構件的形位變化的描述就成了浮動坐標系大范圍的運動與相對于構件坐標系變形的疊加的結果，而這些浮動的系列坐標又如同無數(shù)個小剛體的坐標，把這些大范圍浮動系列剛體坐標與柔性體的結點坐標結合就建立柔性構件的動力學數(shù)學模型。具體建模過程中，要將構件的浮動坐標進行固化，把彈性變形以某種邊界條件下的結構動力學有限元分析進行合理離散成為柔性體，再按照多剛體系統(tǒng)動力學的研究方法建立柔性體的離散系統(tǒng)數(shù)學模型[14]。2）柔性體的表示在ADAMS中，要對有彈性形變的構件進行合理化處理，就要把柔性體離散成若干單元，就有了若干個組合小剛體。當用有限多個結點的自由度表示離散物體的有限多個自由度，那么這些單元的結點彈性形變就可近似地用少量線性模態(tài)組合表示。當用常見的笛卡爾坐標X=（x，y，z）和反映剛體方位的歐拉角來表示這些物體在坐標系中的位置，則以上模態(tài)坐標用q=來表示，那么柔性體的廣義坐標可表示成：則柔性體上任一結點處的位置向量就可表示成： （5-1）式中，A表示物體坐標系到慣性參考系的轉換矩陣；是結點在物體坐標系中未變形時的位置；表示對應于結點的移動自由度的模態(tài)矩陣子塊。柔性體的動能可表示為 （5-2）式中，是結點i的模態(tài)質量；是結點i的模態(tài)慣量。4）多柔體動力方程柔性體的運動方程從下列拉格朗日方程導出： （5-3）式中，為約束方程；為對應于約束方程的拉格朗日乘子；為拉格朗日方程定義的廣義坐標；Q為投影到上的廣義力；L為拉格朗日項定義為L=T-W，T和W分別表示動能和勢能；表示能量損耗函數(shù)。將求得的T、W、代入拉格朗日方程，得到最終的運動微分方程為 （5-4）式中,、為柔性體的廣義坐標及時間導數(shù)；、為柔性體的質量矩陣及時間導數(shù)；為質量矩陣對柔性體廣義坐標的偏導數(shù)，是一個（）（）（）維張量，為模態(tài)函數(shù)。5.2.2柔性體絲杠的生成在ADAMS中，建立柔性體常用到的有3種方法：柔性梁連接法、自動柔性化法和引入模態(tài)中性文件法。在這里為了方便化操作，就直接在ADAMS軟件中在生成，采用了柔性梁連接法。離散柔性梁連接的原理即等同于把一根剛性桿劃分為N段剛性微段，那么這根桿就成了一個有(N-1)段有彈性的單元桿連成的柔性梁桿模型。這些微斷的劃分可以根據研究的需要選擇，一般微段的數(shù)目越多就越能模擬實際變形情況。使用離散梁構件柔性生成的方法優(yōu)勢是操作簡便，計算速度較快。但是離散柔性連接件的變形是柔性桿連接的變形，并不完全是小剛性構件的變形，離散梁方法的剛彈模型雖然也計算彈性與結構阻尼的對柔性體影響，但忽略了慣性力的影響，無法直接求出彈性位移，因此精度相對于引入模態(tài)中性文件法較低。但是課題的研究是將絲杠進行柔性處理，該絲杠相對整個機床來看，可以近似成一根長的有些區(qū)別的桿體。針對本機床的模型，把X、Y、Z軸的絲杠作柔性體化處理，其中X軸柔性體絲桿在虛擬樣機中的生成如圖5-2所示：圖5-2X軸絲杠的柔性體化5.3剛柔混合模型的仿真在建成的剛柔混合機床進給系統(tǒng)模型中行運動仿真，再看模型的動力學性能。為了該機床的進給系統(tǒng)在運行的振動情況，這里假定該加工中心進行銑削時的運行，仍選擇工作臺的穩(wěn)定性能測試為輸出，為了使樣機的工作狀態(tài)與實際情況更貼切，在工作臺上添加一個垂直向下的重力F=200N,表示工作臺上的工件的重力，再加上一個與主軸旋轉方向一致的旋轉力矩T=850N.m，表示加工時的刀具作用于工件（工作臺）的力矩。選擇輸出工作臺的位移輸出曲線，以仿真EndTime為5.0,Step為50。得到圖5-3的曲線：圖5-3工作臺的位移輸出可以看到絲杠換成了柔性體后，在隨著運轉的速度的加快后，在垂直于工作臺方向的位移上有了大幅的上升。如此可知工作臺的工作穩(wěn)定性與進給構件的剛度有著相當大的聯(lián)系。而樣機的工作臺在完全是剛性體的傳動中的幅度變化不是很大。針對本課題的研究，為了得出進給系統(tǒng)的振動因素，先作假設剛度，運動零部件間的摩擦是影響機床振動的原因，對系統(tǒng)進行了以下研究：（1）調整絲杠組件的剛度值。一般情況下剛度和彈性模量是不一樣的兩物理量，彈性模量是微觀物質的性質，剛度是宏觀物質的性質，但在沒有拉伸壓縮的特殊情況下，彈性模量可以等同于剛度。把絲杠和絲杠螺母的彈性模量在原來的基礎上以減小一倍，和增大一倍兩種情況下的工作臺加速度輸出曲線輸出對比分析，選擇分析類型為工作臺的振動加速度曲線,因為工作臺的加速度是其振動位移的二階導數(shù)，選擇位移輸出可能其變化不是很明顯，但選擇其加速度為輸出時，工作臺在運行時的微妙變化都會在輸出中明顯的反映出來，圖5-4是原來沒有修改彈性模量的輸出，圖5-5是把彈性模量減小一倍()的輸出，圖5-6是彈性模量增加一倍()的輸出,可以發(fā)現(xiàn)工作臺的最大振動加速度有了顯著變化。在進行多次的手動定量設定彈性模量的數(shù)值后，將輸出的數(shù)據繪制成一個整體的，有關于工作臺的振動最大加速度絕對值與彈性模量的數(shù)值變化的曲線圖，如圖5-7（橫坐標是彈性模量數(shù)值，單位是；縱坐標是加速度數(shù)值，單位是）：圖5-4剛度()與摩擦系數(shù)的工作臺加速度輸出圖5-5剛度()的工作臺加速度輸出圖5-6剛度()的工作臺加速度輸出圖5-7工作臺振動加速度絕對值與剛度值變化關系通過多次的手動設置絲杠和絲杠那個螺母的剛度值由小到大的變化，可以看到機床的工作臺的振動最大加速度的絕對值有不斷減小的趨勢，但加速度的方向相反，說明工作臺的振動更劇烈了。通過對比可以做出結論，工作臺的振動和絲杠與絲杠螺母的剛度密切相關，滾珠絲杠副是這個機床的主要的進給機構，所以進給系統(tǒng)的剛度是影響振動的因素，剛度越大振動的影響就越小。（2）調整工作臺與導軌，絲杠與絲杠螺母和絲杠與軸承只間的摩擦系數(shù)同等程度的變化。因為這些構件間在工作時都是會產生動摩擦，初始的動摩擦系數(shù)，對這些構件的動摩擦系數(shù)以增加一倍（），和減小一倍（）的情況進行仿真再對工作臺的加速度曲線進行輸出，輸出分別為圖5-8和圖5-9，發(fā)現(xiàn)了一些變化。當對這些機構間的摩擦系數(shù)進行一系列手動賦值，然后對工作臺的最大振動加速度輸出，得到一系列數(shù)據，再把摩擦系數(shù)與工作臺振動最大加速度的絕對值進行整理成為一個曲線圖如圖5-10所示（橫坐標是摩擦系數(shù)值；縱坐標是加速度數(shù)值，單位是）。圖5-8摩擦系數(shù)的工作臺加速度輸出圖5-9摩擦系數(shù)的工作臺加速度輸出圖5-10運動構件間的摩擦系數(shù)與工作臺振動加速度的絕對值關系觀察看到圖5-9的曲線變化情況，可以看到運動構件間的動摩擦系數(shù)按在小于兩構件間靜摩擦系數(shù)增加的情況下，工作臺的振動最大加速度的絕對值有著不斷增大的趨勢，工作臺的加速度絕對值越大，方向相反，則工作臺的振動越劇烈。當之間的摩擦效果較小時，這會使得振動的趨向于緩和。因此，可以分析得出運動構件間的摩擦系數(shù)對振動有著影響因素。5.4本章小結本章對機床的進給系統(tǒng)的絲杠進行了柔性化處理，使機床形成一個剛柔混合系統(tǒng)更加貼切與實際的機床，然后針對本課題的研究對機床的振動進行探索性手動更改有可能影響進給系統(tǒng)振動的數(shù)據，在進行數(shù)據輸出是發(fā)現(xiàn)了機床的進給系統(tǒng)的振動是與機構的剛度關系較大，與有運動關系的構件間的摩擦系數(shù)也有關。第6章結論通過在ADAMS虛擬樣機的運動學、動力學及絲杠柔性結合整個機床的剛性體的仿真分析。得出了以下的結論：（1）提高機床進給系統(tǒng)構件的傳動剛度，有助于減少機床的振動，提高機床的進給穩(wěn)定性。在虛擬樣機的進給系統(tǒng)構件的剛度上，當使得機床的構件材料，以及密度可以改變時，當反應到機床的進給系統(tǒng)穩(wěn)定性上，機床構件的剛度越高穩(wěn)定性能越好。（2）減小機床的傳動機構間的摩擦力，可以使得機床的穩(wěn)定性能顯著提高，工作臺的振動也顯著減少。在機床進給構件的相互作用件，如導軌面間的摩擦，轉動元件的摩擦，當設置構件間的摩擦系數(shù)變小時，可以顯著看到機床進給系統(tǒng)的振動減少。對于以上，在機床的虛擬樣機上發(fā)現(xiàn)的使得進給系統(tǒng)振動的不穩(wěn)定因素，為了滿足機床進給系統(tǒng)在穩(wěn)定性上，那么提高機床的進給系統(tǒng)的穩(wěn)定性的主要措施有：（1）從整體上提高機械系統(tǒng)結構的傳動剛度，特別是進給系統(tǒng)各個部件的剛度。盡量消除傳動元件之間的間隙，傳動元件之間的間隙也會使得進給系統(tǒng)的整體剛度減小。盡可能縮短系統(tǒng)進給傳動鏈的長度，縮短進給傳動運動鏈的長