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虚拟样机技术在立式回转电火花线切割机床研制中的应用

发布日期:2016-02-23 来源: 中国机械设备网 查看次数: 61 作者:[db:作者]

核心提示:  分析。基于虚拟样机技术,进行了零件的实体建模、样机的虚拟装配、运动学和动力学仿真。  0前言随着科学技术的发展,工程设计的理论、方法和手段发生了很大变化。近年来,集计算机设计、分析、仿真技术于一体

  分析。基于虚拟样机技术,进行了零件的实体建模、样机的虚拟装配、运动学和动力学仿真。

  0前言随着科学技术的发展,工程设计的理论、方法和手段发生了很大变化。近年来,集计算机设计、分析、仿真技术于一体的虚拟样机技术,引起了人们的广泛重视,并越来越多地应用于工程设计实践。

  虚拟样机技术是在产品设计开发过程中,在计算机上建造出产品的模型,并进行仿真分析,预测产品的性能,进而改进产品的设计,提高产品性能的一种新的设计方法。数字化的虚拟样机技术是对传统设计方法的一次历史性的革命,以其为基础的现代设计方法的出现,改变了传统以物理样机为基础的设计,大大减少了昂贵而费时的物理样机制造及试验过程,设计人员可直接在计算机进行快速分析,比较多种设计方案,进行优化,在设计中及时发现问题,提高产品质量,缩短开发周期,降低开发成本。电火花线切割加工技术随着科学技术的发展得到了极大的发展,并且成为一种重要的特种加工方法,已经在模具制造及其它零件制造领域中得到了广泛的应用。立式回转电火花线切割机床是一种新型线切割机床,在研制中笔者充分运用了虚拟样机技术,通过零部件的虚拟制造和装配,以及运动学和动力学仿真分析,在产品开发的上游阶段,及时发现产品设计中的不足之处,从而极大的缩短了产品的开发周期,提高了产品的开发质量,降低了开发成本。

  1立式回转电火花线切割机床的设计特点立式回转电火花线切割加工技术与传统的快走丝线切割加工和慢走丝电火花线切割加工均不同,首先,立式回转电火花线切割加工比传统的两种电火化线切割加工多了一个运动一电极丝的回转运动;其次,电极丝的走丝速度介于快走丝和慢走丝速度之间,为12m/s.该机床主要由床身、数控坐标工作台、走丝系统、工作业循环系统、脉冲电源等组成。由于加工过程中电极丝增加了旋转运动,所以立式回转电火花线切割与其他类型线切割机床相比较,最大的区别在于走丝系统即机床的主运动系统,立式回转电火花线切割机床的走丝系统由收丝端和放丝端是两套结构完全相同的旋转头组成,采用立式安装的方式,分别对称的安装在线架的两端,作为走丝机构,实现电极丝的高速旋转运动和低速往复走丝运动的复合运动。两套主轴头之间的区域为有效加工区域。除走丝系统外,机床其他组成部分与常见的高速走丝机床相同。

  2虚拟样机技术在机床研制用的应用2.1虚拟设计及仿真分析三维虚拟设计环境下的机械产品设计已不再停留在传统的原理符号设计阶段,它具有直观性和可视性。在机械系统的可行设计方案形成以后,零件的三维结构设计、系统的可装配性设计、可靠性设计、虚拟装配、三维实体的仿真运动干涉检查等都可在面向对象的环境下,具体化、三维化和逐步完善。因此,三维设计环境下的虚拟设计是一种系统创新设计,设计的结果便是一种可视化的概念样机。在对机械系统进行虚拟设计的过程中,对机械系统主要进行3种不同性质的仿真分析:静力学分析、动力学分析和运动学分析。对机械产品进行虚拟设计和仿真分析,可以简化机械产品的设计过程,大幅度缩短产品的开发周期,大量减少产品开发费用和成本,明显提高产品质量,获得最优化的设计产品。

  2.2机床零件实体建模及虚拟装配零部件的虚拟三维建模,是建立装配与仿真等各项工作的基础。成熟的CAD三维几何造型软件能快速、方便地设计和生成三维模型。虚拟部件必须包含颜色、材质、外表纹理等外在特征以显示真实的外观,同时还必须包含质量、重心位置、转动惯量等内在特征以进行精确的机械系统动力学仿真运算。在机床的开发过程中,选用Pro/eWildfire2.0作为三维造型软件。其具体步骤如下:先对机床零件进行三维建模,即按照零件的实际尺寸画出三维图形,如所示为立式回转电火花线切割机床的线架零件图。在所有零件三维建模完成后可利用该软件进行装配,在装配图的环境下,采用自顶向下的装配思路建立装配模型,首先对机床各部件进行装配模拟,最后进行机床总体装配,为机床整机装配图。在机床的虚拟装配全部完成后,可以利用Pro/e中的视图功能中的局部放大、旋转及装配体工具条内的部件运动、旋转等功能,从不同方向直观地检查有无干涉情况,并且还可以使用Pro/E的静态干涉分析功能,检查装配体各个零部件之间的相对位置关系是否存在干涉。在机床研制中,采用虚拟样机技术,帮助设计人员及早地发现、解决问题,把设计风险降到了最小。

  线架机床整机装配。3关键件的有限元分析利用Pro/e软件进行三维实体建模后,再利用ANSYS10.0有限元分析软件,对机床的关键零部件进行网格划分和计算分析,然后根据ANSYS分析所得到的结果,判断设计是否合理,以期达到最优化的设计。

  在Pro/e软件环境下设计的立式回转电火花线切割机床的虚拟样机,可以在ANSYS环境下进行结构静力分析和结构动力分析等。应用ANSYS有限元分析软件来分析机床关键零部件所受到的外加载荷,分析出最大应力、位移、扭矩和固有频率,进而判断设计是否符合要求。如果在ANSYS环境下得到的计算数据证明机床虚拟样机的某个零部件不能满足设计要求,那么只需回到Pro/e软件环境下修改原有的设计,直到满足设计要求为止,从而避免了传统产品开发中经常出现的设计、试制、修改、再设计、再试制、再修改的过程,这样可以缩短产品开发周期,提高产品开发质量,确保产品一次开发成功,降低产品成本。如为机床线架在ANSYS软件中的网格划分,采用SOLID92单元,共划分为7559个有限元单元;经模态分析,该线架模态分析的结果见表1.表1机床线架前5阶模态分析结果阶数固有频率/Hz最大振幅/mm由于机床上激振力的频率一般不会太高,因而只有最低几阶模态的固有频率才有可能与激振频率重合或接近;高阶模态的固有频率已远高于可能出现的激振力的频率,一般不可能发生共振,对于加工质量影由表1的结果可以看出,机床线架的前4阶固有频率很接近,其中第3阶振型对应的最大振幅最大为0.3709mm.7为线架前四阶振型图;由中可以看出线架的第3振型表现为线架的下悬臂端的上下振动,如果达到或接近3阶频率,则线架的下悬臂端刚性较差,而且较大的振幅也将使电极丝的垂直度有变化,进而影响机床的加工精度,所以需要根据机床所受到的激振频率,通过各种途径来提高线架的固有频率。由分析结果也可知5阶振型以后的频率相对较高,对线架的振动影响相对较小。

  2.4运动学、动力学仿真采用ADAMS作为机床进给系统的动力学仿真支撑。ADAMS软件可以利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型。该模型既可以是在ADAMS软件中直接建造的几何模型,也可以是从其它CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。先把在Pro/e软件环境下建好的立式回转电火花线切割机床整机模型,经干涉检查后,经过Pro/E与ADAMS之间的无缝接口MECHANISM/Pro将CAD数据输入到ADAMS中。为把上述立式回转电火花线切割机床虚拟样机导入到ADAMS中的模型,再根据各个零部件的装配关系,给虚拟样机添加适当的约束与驱动,实现要求的运动仿真和动力学分析。

  3结论缩短了立式回转电火花线切割机床的开发周期。按照传统的开发模式,机床的可装配性和功能性试验都是基于物理样机的,往往需经过设计-试制-修改-再设计-再试制-再修改的多次反复的过程,这无疑延长了机床的开发周期。

  提高了开发质量。在虚拟样机环境下,通过虚拟装配和运动学、动力学仿真分析,可进行静态干涉检查和动态干涉检查,确保了样机的可装配性,根据各种动态性能分析结果,可及时对虚拟样机进行改进设计,直至其满足预定的设计要求。

  降低了开发成本。传统的开发模式存在一个严重的弊端,就是一般要到机床研制的下游阶段,才能发现上游阶段存在的问题,经过几轮的修改才能完成机床的开发任务,从而造成人力,物力资源的极大浪费。在立式回转电火花线切割机床的研制中通过运用虚拟样机技术,确保了机床研制的一次成功。

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