基于CAD技术在虚拟轴数控机床应用研究

唐 健

（重庆工业职业技术学院，重庆 401100）

0 引言

随着传统机床技术的发展，其技术已经日益成熟，加入了数控技术后机床的加工精度、自动化程度、加工范围等都很大改善。但是机床的结构还是将床身、立柱、主轴箱等串联形成，其控制比较简单。存在一些缺陷：受力或热变形不均；机床造价高、笨重、搬运困难；机床的模块化程度受限，系统也变得不可靠。到了90年代，出现了一种结合机器人技术和机床结构技术的新结构机床称为虚拟轴机床，又叫并联机床，它是机床行业的重大变革。虚拟轴机床是结合了机械制造、数控技术、空间机构学、CAD技术和计算机等的高科技。文章从虚拟轴机床的特性出发结合CAD技术，选择了较先进的ADAMS软件进行建模和运动学分析等。

1 虚拟轴数控机床

虚拟轴机床在我国已经被列入“九五”科技攻关和高课题发展规划，国家自然科学基金对其技术基础理论的研究也给予资助。随着计算机的处理能力加快，今后硬件的复杂性在向着软件方面迁移，结构简单但却智能高效的机电产品正在走向市场。虚拟轴机床在这样的大环境下发展，我们有理由相信今后必将有广阔的应用范围，成为某些领域里传统机床的重要补充。虚拟轴机床结构如图1所示，它克服了串联机床刀具自由度小、设备加工不灵活等缺点，具有以下六个特点。

1）结构简单：虚拟轴机床采用并联闭环静定或者非静定杆系，构造机械零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、电主轴、伺服电机等通用机电一体化部件组成，遇到复杂的曲面进行加工时，只要控制六杆长度就能完成。因此其结构大大简化了。

2）刚性高：虚拟轴机床是封闭性结构，因此具有高刚性和高速化，它的负荷流线短，六只连杆能承受负荷分解的拉、压力，当固定外力，应力和变形最大，两端插入其次，两端简支撑，然后是二力结构，受张力的二力结构其变形最小，因此它的刚度重量比比传统机床高。

3）加工速度高：如果改变受力方向，两力构件就是最节省的结构，移动件最小重量而且有六个致动器对它们驱动，机床高速化容易实现，并且惯性低。

4）精度高:机床采用多轴并联机构，六个可伸缩杆对刀具都可以独立控制机床位置，热对称性结构，变形较小。

图1 虚拟轴数控机床结构

5）灵活性强：机床设计灵活，既能做成通用型又能开发成专用机床，实现加工过程磨削、铣削、镗削等，使机床的多功能得以实现。

6）使用寿命长：机床结构十分合理，各种部件之间的磨损比较小，不会有铁屑等磨损、划伤导轨的内部。

2 CAD技术

2.1 CAD概述

CAD(计算机辅助设计)，是一种在数控加工生产过程中的辅助工具，它能够将大容量和处理数据的能力，计算机精确、高速的运算能力，丰富多彩的文字、图形处理和设计者的综合分析、创造性、逻辑判断能力这些都有机结合，形成一个设计理念和计算机紧密结合的系统，加快系统设计的进程。

CAD技术全面、根本的变革了传统机械制造业，发生了质的飞跃，受到全球范围的重视和关注，我国的机械行业要想得到快速发展，也必须要适应和发展 CAD技术。要努力提高CAD技术的应用水平，高度重视该技术的应用和推广，加大投入力度，使CAD技术迈上一个新台阶；要开发自主的CAD软件，加大创新，对于引入国外优秀的CAD软件还要对其进行二次开发，要适合中国国情针对机械制造业，开发出有竞争力、有特色的CAD产品。CAD是综合多门学科的新技术，包括模型设计、绘制图形、工程分析等部分，还包括软件设计和文档处理等。可见，平常我们说的计算机绘图只是CAD技术的一个部分。

CAD的机械支撑软件目前也很多，包括1）图形资源软件，是图形标准或者规范的软件包，负责供给程序图形程序包或者函数库。2）二维、三维绘图软件，负责零件的详细设计，可以分为两种方式交互式和程序调用，交互式是目前的主要形式，国内用得最多的是AutoCAD。3）几何造型，解决零件的结构设计，存储三维等相关信息。4）工程分析和计算软件，计算和优化方法库、机构分析和综合软件、系统分析软件等。

2.2 ADAMS分析

ADAMS强大的运动学、动力学分析功能，使其在工程领域备受青睐。虚拟轴机床运动的复杂性正好适合用ADAMS强大的功能对其分析，并且获得可视化结果也很快捷。ADAMS是实体建模技术，并且加入特征造型和变量技术。ADAMS对于简单零件的建模很轻松，复杂零件就需要借助UG等软件建模，再将模型放入ADAMS中做仿真分析。ADAMS提供许多模型参数化和分析的方法，自动仿真和分析，得到可视化结果，提高分析效率。

ADAMS软件创建的完全参数化的机械几何模型，采用动力学中的拉格朗日方程作为求解器，建立方程，对虚拟轴机床做出运动学、动力学分析，并且输出速度、位移、加速度等曲线。ADAMS的仿真主要用来预测机械性能、运动范围、峰值载荷等。

3 虚拟轴机床建模和分析

3.1 建立模型

为虚拟轴机床建立运动学和动力学两个模型。运动学模型机床的原理机构比真实的机床大大的简化。运动学模型如图2所示，结构非常简单，仅仅表示了球铰、虎克铰等都采用ADAMS的理想约束模型，分析机床的理想机构的运动学原理。而机床的动力学模型分为机床的外形，包括机床的整体形状，床身和立柱等固定件；运动部分如图3所示包含球铰、虎克铰和驱动轴，屏蔽不影响机床运动的组件，对于运动组件各自独立建模。虎克铰的组成为轴线垂直的两个转动副，外环相对地面进行转动，内环相对外环沿轴转动；球铰的组成稍复杂为相互垂直三个轴线的转动副，法兰盘是和动平台固连，它们和球铰座间有一个转动副，球铰座和球铰轴间为第二个转动副，与套筒之间有第三个转动副，驱动轴和套筒的细腿相固连。这和运动学模型不同，更接近于真实机床。

图2 电机运动学模型图

图3 动力学模型的运动部分模型

3.2 运动学分析

对机床模型的运动学正解进行分析，输入机床各个腿由终端计算输出的运动规律。利用ADAMS计算速度、输出位姿、各坐标轴分量都十分方便。假设给定各条腿长的运动规律：s1=50sin(t)；s3=110sin(t)；s2=80t； s4=90t；s5=120t；s6=85t。

表示第i条的腿长，单位mm，t表示时间。腿1、腿3运动为正弦，腿2、4、5、6是匀速运动，计算终端的速度和运动轨迹。

我们经过在运动学模型上对机床的仿真测试，得到终端A点的空间轴分量曲线（图4），以及终端A点的速度曲线（图4）和A点速度曲线y轴分量（图5）。图4曲线中的尖峰和低谷以及速度突变的地方都是值得重点研究和特别注意的，有可能是力和加速度会大。

图4 终端A点的速度曲线

图5 A点速度曲线y轴分量

虚拟轴数控机床的运动学正解问题可能是多解，但是当确定初始值和腿长连续变化轨迹给定的情况下，终端的构形变化是唯一的。

4 结论

本文阐述了虚拟轴机床这种将机器人和数控技术结合的机床的特点和介绍了CAD技术的发展，

选择了较好的ADAMS软件进行仿真建模和运动分析。ADAMS强大的机构分析功能可以比较全面地分析虚拟轴机床的运动学性能，以及动力学性能。在运动学分析中给定腿长的运动规律得到了正解的终端运动规律。利用动力学模型对虚拟轴机床的受力情况也同时做了分析。从实验数据可见，并联机床的输入、输出是非线性关系。并联机床和传统的串联机床是互补关系，我国还需要提高和加大对虚拟轴机床的研究，并应用到实际增强控制和决策，优化制造过程，是机械制造的未来发展方向，具有重大而深远的意义和价值。

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