【機械類畢業(yè)論文中英文對照文獻翻譯】新型直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架運動學(xué)和動力學(xué)仿真
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附錄 1:外文翻譯
新型直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架運動學(xué)和動力學(xué)仿真
戴遠行,張?zhí)烊穑瑥垖W(xué)偉,于天保東北大學(xué)機械工程學(xué)院
中國沈陽 daiweixl@sina.cn, tianjiangruixue@126.com,
xuewzhang@163.com, tbyu@mail.neu.edu.cn
關(guān)鍵詞:運動學(xué)建模,數(shù)控刀塔工具,[DDRDDR 全稱是 DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM,
雙倍速率 SDRAM)],虛擬樣機技術(shù)。
摘要:構(gòu)建新型直接驅(qū)動數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的三維模型,并將該模型引入 ADAMS[ADAMS,即機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),該軟件是美國機械動力公司(Mechanical Dynamics Inc.)(現(xiàn)已并入美國 MSC 公司)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件]進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真。在運動學(xué)模擬中,觀察直接驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的運動過程,并將運動部件的軌跡繪制成一條曲線。模擬在實際情況下數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架力的狀態(tài),計算軸向載荷,并驗證動力學(xué)模擬中的夾緊力。
介紹
有優(yōu)勢的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架通?;谝簤合到y(tǒng),與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比,它在許多方面也取得了明顯的進步,但還可以繼續(xù)提升。將直接驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的設(shè)計中,不僅可以減少結(jié)構(gòu)部件的數(shù)量,還可以提高轉(zhuǎn)塔刀架的可靠性。它可以廣泛應(yīng)用于下一代數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的設(shè)計。本文提出了一種新型的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架,可以通過端齒分度表精確定位,在 DDR 伺服電機和主軸安裝花鍵,刀具位置可以通過絕對編碼器識別。使用液壓驅(qū)動裝置實現(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的鎖定和解鎖功能,可通過壓力傳感器檢測這種狀況。
如圖 1 所示,數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀具選擇指令后,數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架控制系統(tǒng)將會計算出旋轉(zhuǎn)方向和步數(shù),然后伺服驅(qū)動器從數(shù)控系統(tǒng)接收指令,驅(qū)動電機。伺服驅(qū)動器與內(nèi)部編碼器大致對齊數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架,端齒分度臺將確保定位精度。
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圖 1.控制示意圖
數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀具三維模型
Pro/Engineer Wildfire3.0 可以使用 MechPro2005 插件接口與 ADAMS2005 無縫連接,因此我們可以在 Pro/E 環(huán)境中很快的將 3D 模型引入 ADAMS 并獲得高質(zhì)量的圖片。如果我們通過像 IGES 這樣的中間格式將 3D 模型引入到 ADAMS 中,則會在零件的表面上發(fā)現(xiàn)一些皺紋?;旧纤械?3D 建模軟件都可以通過中間格式將 3D 模型引入 ADAMS。但有一個問題,就是當(dāng)一個由螺栓連接部件組成的組件被引入到 ADAMS 中時。它會散落在許多沒有連接的分離的部件之間。為了在 ADAMS 環(huán)境中模擬,我們需要添加很多的固定約束來連接這些部件來滿足要求。增加這么多的固定約束不僅給我們帶來了沉重的工作量,而且對分析結(jié)果也會造成不利影響。
A.驅(qū)動模型。驅(qū)動模型由外轉(zhuǎn)子,內(nèi)定子,外殼,法蘭,星型聯(lián)軸器和編碼器組成。 DDR 伺服電機提供扭矩來控制旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換。額定轉(zhuǎn)矩 T,轉(zhuǎn)子直徑 D 和轉(zhuǎn)子長度 L 之間的公式如下。
T μ D2 L
(1)
這意味著我們應(yīng)該增加轉(zhuǎn)子的長度和直徑來獲得充分的扭矩。大多時候,我們使用內(nèi)部轉(zhuǎn)子,雖然外部轉(zhuǎn)子電機在相同尺寸的情況下可以提供較大的扭矩。
B.運動模型。運動模型是數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的重要組成部分,端齒分度臺可精確定位數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架。如圖 3 所示,活塞與推動液壓油沿軸向移動鎖定盤實現(xiàn)鎖定解鎖功能[1]。整體組裝的效果如圖 4 所示。
虛擬模型的運動學(xué)模擬,也被稱為裝配系統(tǒng)有復(fù)雜多變的關(guān)系部件的運動聯(lián)合仿真分析運動。運動學(xué)分析與外力無關(guān)。為了方便地觀察和添加固定約束,如圖 5 所示,將模型引入 ADAMS 后我們設(shè)置不同類型的透明度。
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圖 2.驅(qū)動模型 圖 3.運動模型 圖 4.三維模型
剛體運動學(xué)模擬
虛擬模型的運動學(xué)模擬,也被稱為裝配系統(tǒng)有復(fù)雜多變的關(guān)系部件的運動聯(lián)合仿真分析運動。運動學(xué)分析與外力無關(guān)。為了方便地觀察和添加固定約束,如圖 5 所示,將模型引入 ADAMS 后我們設(shè)置不同類型的透明度。
圖 5.轉(zhuǎn)塔刀架虛擬模型 圖 6.活塞位移和轉(zhuǎn)子角度順序
在完成 ADAMS 系統(tǒng)設(shè)置后,添加約束和運動,我們需要定義模型零件的運動功能[2]。當(dāng)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架接收到轉(zhuǎn)移指令時,液壓缸向后拉動鎖定盤(活塞沖程為 10mm,設(shè)計速度為 50mm/s)。傳感器發(fā)出“松開”信號 30ms 后。由伺服電機驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架轉(zhuǎn)到預(yù)期的角度(這個運動模擬中有四個工作臺,數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架應(yīng)該轉(zhuǎn) 180 度,電機加速時間為 0.1s,轉(zhuǎn)速是 30r/min)。然后停止電機,30ms 后,液壓缸向前推動鎖定盤,壓力傳感器發(fā)出一個“鎖定”信號。這是刀具轉(zhuǎn)換過程[3]。
IF 功能用于模擬伺服電機和液壓缸的運動功能,其格式為:
IF (exp r1:exp r2,expr3,exp r4)
(2)
為了方便描述,我們研究圓盤對每個工作站的時間,以及它從第二秒開始。如圖 7 所示,從 2s 到 2.2s,活塞移動 10mm 來實現(xiàn)鎖定盤的脫離。從 2.2s 到 3.32s,圓盤旋轉(zhuǎn) 180 度,因此此時活塞應(yīng)該停在 10mm 處。在 3.32 秒時,圓盤轉(zhuǎn)到預(yù)期的工作位置,
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活塞開始回到初始位置,活塞從 3.32s 到 3.52s 移動了 10mm,并通過驅(qū)動鎖定圓盤實現(xiàn)了端齒分度臺的鎖定。
圖 7.主活塞在四個站的位移圖 圖 8.轉(zhuǎn)子在四個站的角位移圖
活塞位移功能是:
我們需要為活塞設(shè)置一個平移運動:
以轉(zhuǎn)子為例(圖 8):
電機旋轉(zhuǎn)的 IF 功能表示為:
設(shè)置步數(shù)為 1000,持續(xù) 5 秒。我們得到角速度/角位移的時間曲線如圖 9,和位移/速度曲線如下圖所示(圖 10)。
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圖 9.轉(zhuǎn)子角速度/角度曲線 圖 10.主活塞位移/速度曲線
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)曲線的功能是分段功能。我們可以從圖 10 中得出,關(guān)鍵點不是光滑的,從而會帶來影響。我們從轉(zhuǎn)子角加速度曲線可以看出,在 2.2s,2.3s,3.22s,3.32s,角加速度值幾乎失真。其原因應(yīng)該是曲線不能在這些點二階求導(dǎo)。
剛體動力學(xué)模擬
刀具受到三個方向的力,主切削力,進給力和推力[4]。這些力與切削速度,進給速度,材料,刀具參數(shù)等很多因素有關(guān)。在不失一般性的情況下,我們在轉(zhuǎn)塔刀架的設(shè)計中使用極限參數(shù)。我們在刀尖設(shè)置一個標(biāo)記點,然后將這一點處的力投影到 XYZ 三個軸上,主切削力 Fz =22535.21N,進給力 Fx ≈0.6 Fz = 13521.13N,后推力 Fy ≈0.7
Fz =15774.65N,刀尖圓的半徑 b=266.25mm。
在旋轉(zhuǎn)圓盤和鎖定圓盤之間添加“Solid to Solid”接觸,設(shè)置接觸參數(shù)和步數(shù)為1000。通過使用默認(rèn)方程求解器模擬 4 秒鐘,然后繪制端齒分度表上的接觸力隨時間變化的曲線[5]。
圖 11.轉(zhuǎn)塔力學(xué)圖
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圖 12.接觸力曲線
我 們可以從圖 12 中看出刀具突然受到三個方向的力,使 Fx 達到最大值,即70571.324N,然后下降到平均值 56533N。動態(tài)仿真結(jié)果適用于設(shè)計的可承受范圍內(nèi)[6]。
總結(jié)和結(jié)論
在本文中,IF 功能用于模擬伺服電機和液壓缸的運動功能,所以有一些誤差是可以理解的。但在實際應(yīng)用中,伺服驅(qū)動器可以平穩(wěn),快速的啟動和停止電機。通過分析數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的運動學(xué),新型數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架可以準(zhǔn)確的完成所有刀具更換過程中預(yù)期的功能。
參考文獻
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附錄 2:外文原文
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