大型工件超长平面铣钻专用机床的仿真分析与研究

综合利用CAD/CAE/MSS技术，对铣钻专用机床进行仿真分析和研究。通过Pro/E建立机床的实体模型，将模型输入到ADAMS中，对机床进行动力学仿真。为提高系统仿真的精度，将铣钻专用机床床身大梁柔性化，研究不同工况下，床身大梁与拖板之间的动态特性。同时，为求解床身大梁载荷提供了新的方法。

广西龙滩水电站是西部大开发的战略重点工程。在龙滩水电站工程中，要求对16m长大型闸门的水封平面进行加工。该水封平面的尺寸为160mm×16000mm，要求其表面粗糙度达到见12.5μm以下，平面度在20ml范围内不大于1.5mm。国内目前尚未具备加工这样超长大型闸门的条件。针对这种情况，我们研究和设计出一种易于制造、成本低、具有创新的大型工件超长平面铣钻专用机床。

本文综合运用了Pro/E、ANSYS和ADAMS软件对专用机床系统进行仿真分析与研究。通过真实模拟机床在工作时不同的铣削情况，对机床进行动态仿真，求解机床导轨与拖板的接触情况以及机床导轨所受的工作载荷，分析研究机床的动态特性，对仿真结果进行分析。机床系统结构体系如图1所示。

1 专用机床三维实体模型的建立

用Pro/E建立铣钻专用机床的整机模型时，首先建立所有零件模型，然后按照装配关系进行装配。由于建立整机模型的目的是将该模型传人多体动力学软件ADAMS中进行运动仿真.而ADAMS只对进行仿真的构件质量、质心位置、转动惯量有要求，而对其具体几何特征不关心。图2为用Pro/E建立的铣钻专用机床三维实体模型。

2 机床虚拟样机的仿真分析

2.1 机床刚柔耦合体的建立

为了研究床身大梁与拖板之间的碰撞及床身大梁的变形情况，将床身大梁变为柔性体，在ANSYS中建立床身大梁的有限元模型，再导人到ADAMS中，与框架式拖板装配构成刚柔耦合体。

MECHANISM/Pro模块是链接Pro/E与ADAMS的接口模块，两者采用无缝链接的方式，不需退出Pro/E应用环境，就可以将装配好的产品总成根据其运动关系定义各个刚体和施加约束，再将模型传送到ADAMS/View中，进行全面的动力学分析。

在整个机床中总共定义16个刚体，为确定刚体之间的约束，在每个刚体上定义标记点，整个机床总共定义19个标记点。装配好的模型通过Pro/E与ADAMS接口输入到ADAMS中。

ADAMS/Flex柔性分析模块是ADAMS软件包中的一个集成可选模块，它提供了ADAMS与有限元分析软件ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、I—DEAS之间的双向数据接口.利用这些软件可以建立柔性体零件的有限元模型，进行特定的有限元分析，然后生成模态中性文件。

在ANSYS中建立床身大梁的有限元模型，采用自动划分网格，单元类型为Solid92，床身大梁共计划分单元数量为42543，节点数为85875。在床身大梁上定义26个硬点，这些硬点将作为模型从ANSYS输入到ADAMS中的界面点.在ADAMS中这些点将起到连接其它构件和作为力的作用点。

在床身大梁与立柱之间定义轴套力来模拟它们之间的作用力关系，在拖板与床身大梁之间定义接触力来模拟它们之问作用力的关系，而接触力必须是在刚65与刚体之间定义，故须在床身大梁与拖板接触处施加虚拟物65，虚拟物体与床身大梁用固定副联结，在虚拟物体与拖板之间定义接触力。

2.2 铣削力计算

2.3 动力学仿真

在稳态切削的情况下，对拖板与床身大粱进行运动仿真研究。设置运行长度为1250mm，移动速度为250mm/min，时间周期为300s，wl-间步长为0.018。机床动力学仿真见图4。

由于床身大梁与框式拖板之间有7副导轨相配合，分别定义7个接触力来模拟床身大梁与框式拖板各导轨间的接触情况。在如下表所示的不同切削情况下，分别对床身大梁与框式拖板接触情况进行仿真比较。下面以第1种工况下，第一副导轨(三角形导轨)接触为例，对床身大梁与拖板问的接触力和接触力矩进行计算。

图5为三角形导轨所受的X、Y、Z方向的力。F_{X和F_{Z的大小相等，方向分别与X轴和Z轴正向相反；Fr较小，方向与运动方向相反，为导轨面的摩擦力。图6为导轨所受的绕X、Y、Z轴的力矩。其中，T_{X和T_{Z的大小基本相等，T_{X与X轴正向相同，T_{Z与Z轴正向相反；T_{r较小，方向与Y轴正向相反。由上可知，三角形导轨面为主要受力面，侧面导轨和底部导轨限制了框式拖板的倾翻。其它3种情况，用以上相同方法求解。}}}}}}}

3 结论

采用Pro/E、ANSYS、ADAMS软件对机床进行了仿真分析，由3个软件集成开发的机床虚拟样机行之有效，在一定程度上可取代物理样机。通过机床虚拟样机仿真研究，求出机床不同的切削情况和床身大梁的变形情况，并进一步求出床身大梁与拖板之问的接触力和接触矩，为计算床身大梁的载荷提供了新的方法。

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