基于ADAMS的3-TPS混联机床动态特性分析

孟祥志，赵柏庆

(1.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳 110819; 2.沈阳自动控制研究设计院，辽宁沈阳 110016)

基于ADAMS的3-TPS混联机床动态特性分析

孟祥志1，赵柏庆2

(1.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳 110819; 2.沈阳自动控制研究设计院，辽宁沈阳 110016)

利用ADAMS软件对3-TPS型混联机床进行振动测试分析和加工仿真分析，建立了机床动态仿真分析的刚柔耦合模型，分析了机床在各个方向的振动特性，仿真分析了切削力下机床刀尖位置的位移偏差。结果表明，该机床Y、Z方向的振动响应较大，X向的响应较小;在铣削力作用下，刀尖点位移产生了明显的偏移，致使机床的加工精度降低。

混联机床;ADAMS;振动;动态特性

并联式机器人机床是机器人技术与机床技术相结合产生的高科技产品，随着机床日益向高速、高效和高精度发展，其振动性能的优劣是影响机床性能的重要因素。如何提高并联机床的抗振性能已经成为这类机床的关键技术［1］。因此对并联机器人机床进行动态性能研究具有十分重要的意义。

对并联机器人的动力学模型进行理论分析时由于不确定的因素很多，需要进行诸多简化，很难建立准确的动力学模型。同时，对其进行激振测试实验时也很难排除干扰因素从而找出机床的薄弱环节，因此把理论分析和仿真测试紧密地结合起来，是优化并联机器人结构和测试动态特性的有效途径。文中利用ADAMS软件对并联机床进行振动分析和切削加工仿真。

1 机床模型

图1是3-TPS型立卧转换式混联机床。该机床机构的动静平台之间配置一个由两个平行四边形组成的平行机构，平行机构限制了动平台两个方向的转动，使动平台只能作3个方向的移动和1个派生的转动运动。机构动平台的法线与水平面成45°角配置，安装在动平台上的主轴部件可以绕动平台的法线方向转动，使主轴的轴线可以立卧转换［2］。

图1 混联机床结构

2 机床振动模型的建立

振动分析主要在频域或时域内计算系统某些点的响应和系统的模态，通过振动分析和模态分析来确定如何降低或抑制系统的振动响应。在ADAMS的振动仿真分析模块ADAMS/Vibration中可对系统进行多方面的测试［3－4］。

由于混联机床的结构复杂，而ADAMS的建模功能不够强大，因此，应用Solidworks对并联机床进行三维建模，将建立的并联机床模型存为 Parasolid (*.x_t)格式导入ADAMS中，然后修改模型的颜色、材料特性和施加运动副约束。再利用ADAMS/View的模型自检工具对模型进行自检。并联机床在施加完约束后，在一些转动副位置出现了冗余约束，处理的办法是用点线副来替代旋转副，确保系统没有过约束，否则在振动分析或动力学分析时会出现错误报警。

3 刚柔耦合系统的建立

3-TPS混联机床动力学系统实质上是一个多柔性体系统，柔性部件对系统的动态特性有很大影响，因此在进行激振仿真测试之前需要对一些关键部件进行刚柔转换。

机床的动、静平台与驱动杆分支及平行机构相比，其刚度很大，因此可将动、静平台视为刚体。由机床的结构可以看出3个驱动杆的长度直径比很大，为细长杆结构，应将其作为柔性体。平行机构为机床的几何约束链，其组成构件的变形将直接影响整机的精度，平行机构中小拉杆2与其他杆相比截面尺寸较小，刚度较差，对整机精度影响较大，故视为柔性体(图2)。由于模型中的柔性体对仿真速度有很大的影响，为了提高仿真速度，一般只考虑将重要构件由刚性体转为柔性体，而其他的构件仍视为刚体。所以在本机床系统中只将3个驱动杆和平行机构中的小拉杆作为柔性体，形成刚柔耦合系统。

ADAMS/Flex中的柔性体可采用模态中性文件(Modal Neutral File)来描述。在ADAMS中建立柔性体的方法有两种:一是利用ADAMS/AutoFlex模块直接生成模态中性文件;二是利用有限元软件如ANSYS等生成模态中性文件，再利用ADAMS/Flex模块与有限元分析软件之间的数据接口来完成数据传输。由于ANSYS软件分析精度高并且与ADAMS有良好的接口，故采用ANSYS来生成仿真所需的模态中性文件。将零件模型存为x_t格式，导入ANSYS中生成实体模型，经分析后生成.mnf格式的模态中性文件，再导入ADAMS中替换刚性体，添加相关运动副和驱动，就建立了刚柔耦合系统。并联机床刚柔混合模型如图2所示，其中小拉杆2和3根伸缩杆1、3、4为柔性体。

图2 机床的刚柔耦合模型

4 振动仿真分析

文中主要分析3-TPS混联机床的切削振动，因此机床在铣削加工过程中，刀尖点是振源的主要输入点。将铣削力设为仿真输入通道激振器的输入信号，在切削过程中，刀尖的位移响应将直接影响工件的加工质量，因此将刀尖点位移作为输出通道研究对象。

以机床应用铣刀顺铣加工工件为例，此时作用在机床结构上的激振力来自铣刀的铣削力，铣削力的大小可视为正弦激振力的幅值。

本文采用硬质合金立铣刀铣削加工碳钢，根据文献［5］估算切削力如下:

主切削力

式中:ae为铣削宽度，取ae=5 mm;

af为每齿进给量，af=0.05 mm/齿;

ap为铣削深度，ap=2 mm;

dt为铣刀直径，dt=20 mm;

z为铣刀齿数，z=4。

取切削速度v=1.0 m/s，则刀具转速

在刀尖点处施加切削力激励信号，采用快速正弦扫描激振法作振动分析，初始相位为0，刀尖点的响应以位移响应量给出，构成机构频响应分析图。

选择0.01～500 Hz作为扫描测试频段，以1 Hz作为分析步长细化频带，采用快速正弦扫频的方法对样机模型进行频响应分析，振动仿真完成后，在ADAMS的后处理模块中可得到系统在0.01～500 Hz内的频响应曲线。

在ADAMS/PostProcessor后处理模块中可得到刀尖点在X、Y、Z、Mag方向的频响应曲线如图3所示。

图3 机床的幅频响应曲线

由ADAMS后处理中的自动捕捉功能捕捉幅频响应曲线可得，X方向在频率为44.06 Hz时响应最大，达到2.172×10－5mm，随后在167.49 Hz时响应较大，为3.134×10－6mm;Y方向在频率为85.51 Hz时的响应为0.061 6 mm;Z方向在频率为85.51 Hz时的响应为0.033 1 mm;空间合成方向在频率为85.51 Hz时的响应为0.068 8 mm;X方向响应其数量级相对于其他方向非常小，故可忽略。

5 铣削力下刀尖点的位移轨迹偏差

机床在加工过程中受铣削力后，由于伸缩杆等细长杆件的弯曲变形，刀尖点位移轨迹与理想状态会产生偏差，下面从这个角度对并联机床进行动态特性分析。

让机床动平台做螺旋上升运动，运动过程中在刀尖点处施加铣削力，比较机床空载与切削加工运行过程中刀尖点的位移变化情况。

比较方法如下:首先令机床空载运行，得到刀尖点的位移曲线，然后在刀尖点施加铣削力，模拟机床铣削加工过程，再生成刀尖点的位移曲线。以机床空载运行时刀尖点的位移曲线为基准，用机床受铣削力后生成的刀尖点位移曲线与机床空载时刀尖点的位移曲线作差后取绝对值得到切削加工过程中刀尖点的位移偏差曲线。偏差越大，说明机床振动越严重。

刀尖点作锥螺旋线运动的参数方程为

进行一次10 s，300步的运动仿真，得到机床刀尖点的空间运动轨迹如图4所示。

图4 刀尖点的运动轨迹

仿真过程中，分别测量3根驱动杆的杆长随时间变化情况，在ADAMS/PostProcessor中生成3条杆长随时间变化的曲线，并将它们分别生成为3条样条曲线，然后去掉刀尖点的单点运动激励，在3个驱动杆上分别施加直线驱动，定义驱动的位移曲线与样条曲线相同，再进行运动仿真，此时刀头运动轨迹与在刀尖点施加单点运动激励时吻合，这时如在刀尖点施加载荷，就可以进行动力学分析了。实际这是应用ADAMS软件，由运动学反解求解并联机构运动学正解的过程［6］。在3个驱动杆的驱动下，可以得到机床空载状态下刀尖点X、Y、Z、Mag方向的位移曲线。

假设机床在螺旋上升运动过程中仍为铣削加工，铣削参数选择与上一节相同，铣削方向为顺铣，则根据上一节中求得的主切削力 (平均切削力)值，并根据文献［5］计算得:

式中:FH为与进给方向相反的水平分力，即为铣削进给抗力;

FVe为沿进给方向的垂直分力，对于周铣使工件抬起或压紧，容易引起振动;

Fa为轴向力，作用于铣床主轴，并与刀具螺旋角有关。

由于铣削过程中切屑分离时的塑性变形、刀具与被加工表面的摩擦以及刀具刀痕等原因，会使被加工表面产生微观的凹凸不平，因此会形成机床－刀具－工件系统的高频振动，这主要体现刀尖点在Z方向上会受到幅值不断变化的激振力。

为模拟铣削加工，根据以上分析计算结果，在刀尖Marker点施加各方向分力分别为:X方向700 N，Y方向700 N，Z方向为正弦激振力175+175sin (2πft)，频率f采用上一节振动分析得到的共振频率85.51 Hz。

依次分别选择X、Y、Z、Mag4个方向进行仿真，生成4个方向的刀尖点位移，分别与机床空载时的刀尖点位移曲线做差后取绝对值得到铣削力作用下刀尖点的位移偏差曲线如图5所示。

由曲线可见，机床在切削加工过程中，刀尖点位移与空载时产生偏差，说明受切削力影响，机床薄弱构件发生变形使运行不平稳导致刀尖点位移轨迹发生变化，影响加工精度。

6 结论

以3-TPS混联机床为模型，利用ADAMS软件对其动态性能进行了仿真分析。利用ADAMS/Vibration模块分析了机床铣削加工过程中，在铣削力激励下刀尖点的振动情况，得到了相应的幅频特性曲线。利用动力学分析方法研究了机床铣削运动过程中，在切削力作用下刀尖点位移偏差随时间变化曲线。结果表明，机床在切削加工过程中存在明显的振颤现象，需要改善机床的动态特性，提高抗振能力。

图5 刀尖点的位移偏差

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［5］《机床设计手册》编写组.机床设计手册［M］.机械工业出版社，1986，12:1184－1192.

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Dynamic Characteristic Analysis for 3-TPS Hybrid Machine Tool Based on ADAMS

MENG Xiangzhi1，ZHAO Baiqing2
(1.School of Mechanical Engineering＆Automation，Northeastern University，Shenyang Liaoning 110819，China; 2.Shenyang Institute of Automatic Control，Shenyang Liaoning 110016，China)

The 3-TPS hybrid machine tool was taken for vibration test analysis and simulation analysis by using the ADAMS software，and the rigid-flexible coupled model of the machine tool for dynamic simulation analysis was established.The vibration characteristics of the machine tool in each direction were analyzed，and the cutter point's position deviation under cutting force was analyzed with simulation.The results show that the vibration response in Y，Z direction of the machine tool is larger and smaller in X direction; under the action of milling force，the cutter point's displacement has appeared obvious deviation and made the machining accuracy reduced.

Hybrid machine tool;ADAMS;Vibration;Dynamic characteristics

TP242.2

A

1001－3881(2014)9－006－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.002

2013－04－28

国家自然科学基金资助项目 (51175069);中央高校基本科研业务专项资金资助 (N120403005)

孟祥志 (1972—)，男，博士，副教授，研究领域为机器人与机床技术、振动与阻尼技术、优化设计技术。E－mail:xzhmeng@mail.neu.edu.cn。