數(shù)控落地銑鏜床是機(jī)械制造業(yè)的重要制造裝備，其特點(diǎn)是批量小、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本高，因此，數(shù)控落地銑鏜床的精度可靠性的研究是保證其正常產(chǎn)出的基礎(chǔ)，同時(shí)也是企業(yè)降低維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效益的重要基礎(chǔ)。

　　文/ 武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司 張文源

　　華中科技大學(xué) 劉泓海

　　數(shù)控落地銑鏜床是機(jī)械制造業(yè)的重要制造裝備，其特點(diǎn)是批量小、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本高，因此數(shù)控落地銑鏜床的精度可靠性的研究是保證其正常產(chǎn)出的基礎(chǔ)，同時(shí)也是企業(yè)降低維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效益的重要基礎(chǔ)。

　　采用傳統(tǒng)重錘平衡裝置的鏜床，是通過(guò)一個(gè)與主軸箱質(zhì)量相當(dāng)?shù)钠胶庵劐N進(jìn)行平衡，重錘安裝于立柱內(nèi)腔，與重錘相連的鋼絲繩繞過(guò)安裝于立柱上的滑輪架，再與主軸箱相連。在滑枕伸入伸出的過(guò)程中，主軸箱-滑枕的整體重心位置發(fā)生了變化，使得各個(gè)鋼絲繩的受力發(fā)生變化;并且由滑枕W軸移動(dòng)引起的重心位置變化會(huì)導(dǎo)致滑枕搭頭、主軸箱變形，對(duì)滑枕水平移動(dòng)直線度精度影響較大。

　　隨著滑枕伸出量增加，主軸箱-滑枕質(zhì)心位置前移，前吊點(diǎn)鋼絲繩拉力增大，主軸箱出現(xiàn)搭頭現(xiàn)象，用液壓平衡法，在主軸箱的上端連接一個(gè)液壓缸，通過(guò)電液比例閥控制油壓來(lái)平衡主軸箱的重力。因此在主軸箱鋼絲繩前吊點(diǎn)處配置了一個(gè)液壓缸，通過(guò)液壓缸的伸入伸出使主軸箱保持水平。在滑枕運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，分析各個(gè)鋼絲繩的具體受力值及液壓缸的伸出量就顯得格外重要。

　　1 鏜床多體動(dòng)力學(xué)模型建立

　　使用UG軟件對(duì)鏜床零件進(jìn)行建模，包括立柱、平衡錘、滑輪架、主軸箱、滑枕、液壓缸等零部件，并裝配得到鏜床整機(jī)的三維模型，如圖1所示，導(dǎo)出為Parasolid(*.x_t)的格式。

　　圖1 UG模型圖

　　將導(dǎo)出的鏜床模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件中，為各個(gè)部件之間添加約束和驅(qū)動(dòng)，具體約束類型見(jiàn)表1。需要注意的是如果立柱與主軸箱用移動(dòng)副連接，主軸箱將只能沿立柱上下移動(dòng)，不能在滑枕伸出時(shí)體現(xiàn)出鋼絲繩的受力變化及主軸箱的搭頭現(xiàn)象，因此將立柱與主軸箱用旋轉(zhuǎn)副連接。

　　表1 具體約束類型表

　　為主軸箱和滑枕之間的約束添加Motion驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)類型為位移，使用step函數(shù)定義滑枕的伸入伸出，讓滑枕10s內(nèi)先伸出1.2m，停留10s后再縮回，具體函數(shù)為：

　　step(time,10,0,20,-1.2)+step(time,20.1,0,30,0)+step(time,30.1,0,40,1.2)+step(time,40.1,0,45,0)

　　滑枕理想位移與時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

　　圖2 滑枕位移與時(shí)間的關(guān)系

　　使用多體動(dòng)力學(xué)軟件的Machinery-Cable模塊分別建立前中后鋼絲繩及滑輪組系統(tǒng)，需要填寫的參數(shù)有：繩索起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)、滑輪半徑、滑輪寬度、滑輪中心坐標(biāo)、滑輪密度、繩索楊氏模量等。其中主軸箱的前鋼絲繩吊點(diǎn)固定在液壓缸上，最終得到的鏜床多體動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。

　　圖3 鏜床多體動(dòng)力學(xué)模型(左)和隱藏立柱的模型(右)

　　2 聯(lián)合仿真模型建立

　　2.1 液壓缸電液控制系統(tǒng)模型

　　根據(jù)液壓原理圖在AMESim中搭建如圖4所示的液壓缸電液控制系統(tǒng)模型。其中電磁換向閥處于P-B常開(kāi)狀態(tài)，使得液控單向閥常開(kāi);電磁比例減壓閥控制液壓缸的壓力。通過(guò)“創(chuàng)建界面框圖”功能建立聯(lián)合仿真接口，確認(rèn)輸入和輸出參數(shù)。接口類型為“co-simulation”，這是以多體動(dòng)力學(xué)軟件為主，AMESim為輔的聯(lián)合仿真方式。其中輸入?yún)?shù)為液壓缸上的力force，輸出參數(shù)即從多體動(dòng)力學(xué)軟件傳遞過(guò)來(lái)的參數(shù)有滑枕的位移distance、滑枕前端在z向相對(duì)于大地的距離huazhen1、滑枕后端在z向相對(duì)于大地的距離huazhen2、液壓缸速度vel、液壓缸相對(duì)于主軸箱的位移displacement。force、vel、displacement這3個(gè)信號(hào)均連接到模塊“l(fā)inear2signal3”上，形成力、速度和位移的信號(hào)閉環(huán)。force信號(hào)通過(guò)了乘以-1的比例模塊，這是為了改變輸入到多體動(dòng)力學(xué)軟件中力的方向。huazhen1和huazhen2做差，得到的數(shù)值接近0時(shí)說(shuō)明滑枕前后高度一致，主軸箱為調(diào)平狀態(tài)，反之主軸箱不水平，需要調(diào)節(jié)圖中的PID模塊及初始值k的數(shù)值。

　　圖4 液壓缸電液控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

　　2.2 多體動(dòng)力學(xué)軟件中的聯(lián)合仿真接口設(shè)置

　　在多體動(dòng)力學(xué)軟件中新建3個(gè)ARRAY，分別作為GSE(General State Equation)的U Array(輸入)、Y Array(輸出)、X Array(狀態(tài))。在多體動(dòng)力學(xué)軟件中新建數(shù)個(gè)狀態(tài)變量，與上述AMESim中的輸入輸出變量相對(duì)應(yīng)。其中force使用ARYVAL(ARRAY_y,1)函數(shù)，讀取Y Array中從AMESim輸出的信號(hào)，其他狀態(tài)變量分別使用step、DZ、DM、VR等函數(shù)讀取ADAMS中的信號(hào)，填寫到U Array中作為輸入給AMESim的信號(hào)。

　　在多體動(dòng)力學(xué)軟件的Settings-Solver-Executable設(shè)置中，將執(zhí)行器設(shè)為外部，求解器庫(kù)設(shè)為AMESim生成的.dll文件，編譯器設(shè)為C++。這樣多體動(dòng)力學(xué)軟件中的聯(lián)合仿真接口設(shè)置就完成了。

　　3 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

　　AMESim中設(shè)置系統(tǒng)仿真時(shí)間為45s、時(shí)間間隔為0.01s。多體動(dòng)力學(xué)軟件中新建仿真腳本，同樣設(shè)置系統(tǒng)仿真時(shí)間為45s、時(shí)間間隔為0.01s。聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)通信時(shí)間間隔為0.001s。運(yùn)行多體動(dòng)力學(xué)軟件的仿真腳本，兩個(gè)軟件同時(shí)進(jìn)行仿真，在仿真結(jié)束后，讀取前中后吊點(diǎn)上的力、液壓缸的位移、液壓缸壓力與滑枕伸出距離、滑枕前后點(diǎn)z向位移差等參數(shù)。

　　圖5 前中后吊點(diǎn)上的力

　　圖6 液壓缸的位移

　　圖7 液壓缸壓力與滑枕伸出距離

　　圖8 滑枕前后點(diǎn)z向位移差

　　從圖5-圖8中可以看出：

　　(1)由于多體動(dòng)力學(xué)軟件軟件的繩索一開(kāi)始不處于繃緊狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)大概需要4s時(shí)間來(lái)達(dá)到平衡，0-4s時(shí)間段的數(shù)據(jù)可以忽略不計(jì)處理。

　　(2)隨著滑枕伸出，前吊點(diǎn)鋼絲繩上的力逐漸增大，中后吊點(diǎn)鋼絲繩上的力逐漸減小，且與滑枕伸出距離近似成線性關(guān)系。滑枕停止運(yùn)動(dòng)后，鋼絲繩上的力達(dá)到平衡不再改變。三根鋼絲繩力的總和近似為固定值，等于主軸箱加上滑枕的總重力。

　　(3)滑枕伸出到最長(zhǎng)時(shí)，液壓缸共縮回了3.2mm，才使得主軸箱保持水平。

　　(4)由于前吊點(diǎn)上的力由液壓缸的壓力提供，因此液壓缸壓力也與滑枕伸出距離近似成線性關(guān)系，滑枕伸出量為0時(shí)，液壓缸壓力等于25.4bar，滑枕伸出量為1.2m時(shí)，液壓缸壓力等于51.9bar。

　　(5)在10-20s、30s-40s滑枕運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于液壓缸控制的滯后性，期間發(fā)生了主軸箱的搭頭現(xiàn)象，隨著滑枕停止運(yùn)動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)液壓缸跟隨控制信號(hào)建立平衡，滑枕前后點(diǎn)z向位移差近似為0，主軸箱達(dá)到調(diào)平狀態(tài)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，滑枕前后點(diǎn)z向位移差最大為0.6mm。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　(1)為了解決鏜床滑枕運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的搭頭現(xiàn)象，構(gòu)建了鏜床主軸箱平衡錘機(jī)構(gòu)的機(jī)電液耦合仿真系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了滑枕運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主軸箱平衡控制的聯(lián)合仿真研究，仿真結(jié)果表明機(jī)電液耦合仿真系統(tǒng)模型具有一定的可行性。

　　(2)通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)軟件向AMESim提供運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度和位移、AMESim向多體動(dòng)力學(xué)軟件輸出力驅(qū)動(dòng)，可以仿真出滑枕運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)吊點(diǎn)上鋼絲繩受力的變化情況。

　　(3)采用AMESim構(gòu)建了電液控制系統(tǒng)模型，并對(duì)電磁比例減壓閥實(shí)施了閉環(huán)反饋控制，仿真結(jié)果表明：液壓缸的實(shí)際位移較好地跟蹤了主軸箱的傾斜位移，較好地實(shí)現(xiàn)了主軸箱自動(dòng)調(diào)平控制，為后續(xù)的試驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ)。

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