基于Pro/E与ADAMS的数控实验平台的虚拟样机设计仿真*

毕俊喜，任 昭，田春雨

(内蒙古工业大学机械学院，内蒙古呼和浩特 010051)

0 引言

虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology)是20世纪80年代迅速兴起的一项基于产品的计算机辅助设计技术，设计者首先通过三维建模软件在计算机上对所要设计的机械系统物理建模，而后将模型导入相关的仿真分析软件(如美国机械动力公司的ADAMS、德国航天局的SIMPACK等)进行可行性分析和优化仿真，根据分析结果不断改进优化方案，从而缩短研发周期，降低产品成本。

1 三维建模

在众多的物理建模软件当中，美国Parametric Technology Corporation(PTC)公司于2009年发布的Pro/Engineer野火版系列最新版本Pro/E5.0凭借其独特的参数化建模和强大的集成产品开发功能成为虚拟样机建模中最理想的三维软件。该数控实验平台主要由支撑槽、导轨滑块、丝杠螺母副、轴承座、工作台等组成，其XYZ三个运动轴由于位置不同所选用零部件的参数也略有不同，如表1所示;根据已知零部件的主要参数利用Pro/E 5.0中的实体造型特征，如拉伸特征、打孔特征、切槽特征等生成主要的零部件。在零部件建模时遵循简化原则，即略去一些不影响整体性能的特征，如倒角，螺纹等。

在进行装配时，由于各部件都是由螺栓固定的规则形体，故可直接用插入、配对和对齐等进行约束，约束定义唯一不一样的是滑块在导轨上的装配［1］，由于滑块要在导轨上滑行，所以需要用到滑动杆约束，即以导轨为轴，分别选取滑块上的点和面与之配合，并且确定滑块的零位置，以及最大最小位移。其进给系统结构示意图如图1，其装配好的样机如图2。

表1 零部件主要参数

图1 进给系统结构示意图

图2 虚拟样机模型

2 对关键部位有限元分析

在进行零部件设计时，最关键的部分莫过于Y轴支撑槽与Z轴支撑槽的连接部分，故需要对Z轴支撑槽与Y轴支撑槽的连接部位做静力分析。目前美国ANSYS公司研发的ANSYS软件凭借其强大而广泛的分析功能已成为计算机辅助工程(CAE)的主流有限元分析软件之一，其最新版本ANSYS Workbench 12.1 提供了 Pro/E5.0 无缝连接接口［2］，即在运行ANSYS的情况下，在Pro/E5.0中建立的模型可直接在 Pro/E5，0进入 ANSYS Workbench的 Project Schematic界面。笔者利用ANSYS Workbench 12.1中的静力学模块对Z轴支撑槽做线性静力学分析。其基本分析流程如图3。

图3 分析流程

经测量Z轴上所有零部件的质量为86.5 kg，固定底座的六个螺栓受倾覆力矩，为提升Z轴支撑槽的结构强度，在支撑槽背部加装连接板。Z轴基本尺寸为1250 mm×340 mm×45 mm，材料为HT200，密度为7.8E+3 kg/m3，弹性模量为 110 GPa，泊松比为0.26，用SOLID42模块对模型进行网格划分，根据实际工况，对床身施加约束和载荷，经求解和后处理，如图3 VonMises分布云图可知:在倾覆力矩作用下，模型的最大应力点位于支撑槽根部，最大应力为42.75 MPa，远远小于材料不锈钢的屈服强度，故该模型符合屈服强度要求。

图4 等效应力云图

3 在Adams/view中进行动力学仿真

为了验证该运动平台是否满足装配要求和速度响应要求，故需将该模型导入Adams中进行运动学仿真。首先在Pro/e中将模型另存为x_t格式，然后才可在Adams中顺利导入［3］。由于三个方向的装配类似，故只需对X轴进行动力仿真即可。首先定义单位、重力，和材料属性［4］，对各部件分别加固定副，旋转副、螺纹副等约束，在两端的轴承座位置添加传感器，保证工作台不会超程。对旋转副施加转速为360 r/min的旋转驱动，对工作台设置驱动函数［5］为STEP(TIME，0，20，1，40)［6］，施加好运动副后进入Simulation模块进行仿真，将仿真时间设置为2 s，步数为1 000，即可进行交互式仿真，仿真证明装配没有出现干涉现象。然后进入后处理页面查看工作台的速度、加速度和位移曲线，如图5、6。可以看出图中显示的是工作台在t=2 s时，速度达到60 mm/s，位移为60 mm，加速度达到30 mm/s2与输入的驱动函数相符合，验证了运动平台的合理性。

图5 速度、加速度响应图(斜线为速度曲线，横色为加速度曲线)

图6 位移响应图

4 结语

基于三维软件Pro/E 5.0为平台，根据实验室已有设备按照1∶1虚拟建模、装配，合理运用ANSYS软件对模型关键部位静力学分析，并通过ADAMS对平台进行运动仿真和分析，验证了平台的合理性，实现了在虚拟环境中对3自由度数控实验平台的设计，缩短了设计时间，降低了开发成本，为后续的实验平台软件部分设计奠定了基础。

［1］ 张 楠.基于Pro/E的装载机工作装置虚拟样机与仿真分析［J］.机械工程与自动化，2014(2):32 －33.

［2］ 浦广益.ANSYS Workbench12基础教程与实例详解［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.

［3］ 陈志刚.基于Pro_E及Adams圆柱齿轮减速器的参数化建模及运动仿真［J］.机械研究与应用，2005(4):105 －109.

［4］ 陈峰华.ADAMS2012虚拟样机技术从入门到精通［M］.北京:清华大学出版社，2013.

［5］ 徐 炜.基于Pro_E和ADAMS的三自由度运动平台仿真分析［J］.现代制造工程，2010(8):7 －10.

［6］ 毛志华.基于ADAMS的道岔清筛机挖掘变幅机构的虚拟样机设计［J］.新技术新工艺，2011(8):69－72.