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并联机床虚拟样机建模与动力学仿真

1引言

虚拟样机技术的本质是多体系统动力学，综合了多体动力学、多领域物理系统理论、结构有限元理论、控制理论等学科，其根本目的是应用计算机图形技术进行机械系统的动力学分析与仿真，研究复杂系统的运动规律。运用虚拟样机技术，在产品的开发初期无需制造物理样机就可以真实模拟设计的产品在虚拟工程环境下的特性和运行情况，测试、评估产品的多种设计、装配和开发方案，并根据结果进行不断优化和改进。虚拟样机技术的应用，产品的设计效率大大加快，产品的质量大幅度提高，产品的研发成本明显降低，产品的竞争力得到了最大程度的增强。由于具备了上述优点，虚拟样机技术受到了当前各国制造业的高度重视，得到了广泛的推广和应用。

ADAMS是由美国MDI公司开发的、世界上目前使用范围最广、最负盛名的虚拟样机分析软件。在ADAMS软件中，用户通过建立机械系统的参数化几何模型和动力学方程，可以对虚拟机械系统进行运动学、静力学、动力学、多刚体和多柔体分析，在后置处理模块中输出所需要的测试结果曲线。ADAMS软件提供了一个很好的集成环境，方便系统的动力学建模和仿真结果的观察。

在建立了6PUS-UPS并联机床的动力学方程之后，应该对其正确性进行验证。本章在ProE中建立了该并联机床的实体模型，其尺寸和并联机床实际的结构尺寸相同。然后将建好的实体模型导入到MSC-ADAMS中对其进行动力学仿真，将仿真结果与理论结果进行对比分析。由于实际工作中存在摩擦力，本章在虚拟样机模型中的各个关节处都添加摩擦力，对并联机床进行摩擦力建模，使仿真模型更加符合实际情况，更好的研究并联机床的动力学特性。

26PUS-UPS并联机床虚拟样机建模

2.1创建实体模型

在ADAMS/View中可以直接创建几何元素，也可以利用ADAMS提供的CAD模型数据接口来导入CAD软件的模型，专业的CAD软件在建立模型时比较简便，对于复杂的模型可以很快建立起来，将其导入到ADAMS/View中得到相应的模型。

本文通过在ProE中依据6PUS-UPS并联机床的实际尺寸绘制各零部件模型，然后按照机床各个零件之间的相对运动关系将各零件进行装配，得到并联机床的三维实体模型，如图4-1所示。

图4-16PUS-UPS并联机床实体模型

Fig.4-1Enitymodelof6PUS-UPSPMT

该模型与实际加工制造零部件完全吻合，将此三维实体模型转换为Parasolid格式并导入到ADAMS/View中，将各构件重命名并定义各个构件的材料属性。

2.2创建约束和驱动

在ADAMS中的运动分为低副、高副和基本副，其中低副有旋转副、移动副、圆柱副、球铰副、平面副、等速副、万向节（胡克副）、螺杆副、齿轮副、耦合副和固定副。6PUS-UPS并联机床模型中用到了其中的固定副、旋转副、移动副和螺旋副。

6PUS-UPS并联机床模型主要由六根PUS分支，中间约束分支，动平台，底座构成。底座与大地用固定副相连。PUS分支由伺服电机、导轨，滑块，连杆四个主要部分组成，其中伺服电机固定在导轨上。在丝杠和丝杠螺母之间采用螺旋副来确定丝杠螺母机构之间运动关系，螺距值指定为10mm。滑块与连杆通过虎克铰来连接，而机床模型中的虎克铰关节是采用轴线垂直的两个转动副来替代的。连杆与动平台通过球铰来连接，球铰也是用三个转动副来替代的。中间约束分支(UPS)也是通过球铰与动平台相连接的。

ADAMS提供了旋转和滑移两种驱动，旋转驱动只能添加到旋转副和圆柱副上，滑移驱动只能添加到滑移副和圆柱副上。本机床在丝杠和导轨之间的转动副上添加转动驱动，带动丝杠旋转，实现滑块的走动。已知刀具(或动平台)运动，通过并联机床的运动学反解求出对应刀具位姿的各滑块的位移(i=1,2,…,6)，然后，计算出各个滑块走的位移与初始位姿时各滑块的位置的差Δ和走到当前所用的时间，然后将它们保存为csv的格式以创建样条曲线的方式导入该虚拟样机模型，然后将生成的样条曲线作

图4-26PUS-UPS并联机床的Adams模型

Fig.4-2Adamsmodelofthe6PUS-UPSPMT

为驱动位移输入添加到各个驱动上去，驱动各分支杆运动从而实现并联机床预期的运动。

这样就利用Adams/View建立了整个机构的虚拟样机模型，如图4-2所示。

定义摩擦力

由于并联机床在实际工作中存在摩擦力，其任意相互接触并具有相对运动关系的构件之间都存在摩擦，为了使仿真模型更加符合实际情况，需要在各个运动关节根据支撑、接触和润滑情况分别定义摩擦力。

ADAMS虚拟样机模型可以在球面副、虎克铰、旋转副、滑移副和圆柱副上设置相应的摩擦力系数，加载相应的摩擦力，这里不再详细说明。值得注意的是，螺