2. 4车铣加工中心仿真结果与分析

基于虚拟样机的车铣加工中心仿真主要包括运动学仿真、动力学 仿真。运动学仿真可以检验所建的虚拟样机模型是否正确，是否发生 干涉，同时可以对机床在运动中位移、速度、加速度进行评估。动力学 仿真可以预测在加工过程中电机的驱动力大小，同时可以通过多刚体 和多柔体系统在运动过程中对驱动力误差分析。因此对车铣加工中心 运动学和动力学进行仿真是非常有必要的。

2.4.1车铣加工中心的运动学仿真分析

通过运动学仿真可以观察机床在运动过程中干涉现象的发生，以 检验机构设计是否合理，从而可以修改和完善机床的设汁。其中运动 学仿真是使机床的虚拟样机模型按照要求作机械运动，从而检验机床 的各运动部件的运动轨迹是否满足设计要求。运动学分析是在不考虑 力的作用情况下研究机械系统的各部件的位置、速度。车铣加工中心 在空间上进行螺旋线轨迹的正逆运动仿真研究。
将上述运动规律按驱动方式加载到刀头点，进行逆动力学的仿真。 滑板、横滑板、动力刀架沿着X、Y、Z合成方向的位移曲线和速度曲 线，如图2. 9和图2. 10所示。

按照刀头点的运动规律可以在虚拟样机的后处理模块中求得滑 板、横滑板、动力刀架的运动曲线，并通过后处理的函数功能，利用函数 将三个部件运动曲线表示出来，然后将所得运动曲线函数再加载到三 个部件的电机上，关闭刀头点的驱动改为电机的驱动，进行正运动学仿 真，所得刀头点的位移、速度和加速度曲线如图2. 11所示。

仿真结果分析:①由逆运动学可以看出，对于刀具末端按所给的螺 旋线运动时，可以看出其曲线的形成是由滑板、横滑板、动力刀架共同 完成的，存在相同的周期性，仿真结果符合加工轨迹要求;②从正运动 学的仿真结果图中可以看出，运动平稳。ADAMS对机构进行运动学仿 真，符合正逆运动学的运动关系，同时也验证了虚拟样机模型的运动部 件之间符合我们设计的机构运动关系，这为后续的车铣加工中心的动 态特性提供了基础条件。

2.4.2基于多柔体的动力学仿真分析

通过动力学仿真可以获得车铣加工中心电机驱动力，为电机的参 数选择提供了参考依据，通过多柔体和多刚体仿真可以获得两种情况 下的驱动力和刀尖位移轨迹，因此进行动力学仿真分析是非常有意义 的。在对刚体进行仿真分析时，其铣削加工可分为两种情况:种是 空载，机床在进给时的速度和加速度达到该机床设计极限，即 速度为〇. 5m/s,加速度为1^，测得电机所需的驱动力；第二种 是刀具匀速进给i，=〇.4m/s，同时受到铣削力的作用。对于不同材质 的铣刀加工不同材质的工件，当加工参数确定后，可利用相应的公 式1183来计算切削力。下面以高速工具钢（W18Ci4V)材质的立铣刀端 面铣削45#钢工件为例进行切削力分析。

经过汁算和仿真可知种的驱动力大于第二种驱动力，所以研 究种情况有重要参考价值的。现在以种情况进行仿真，图2.12是刀具的速度（0.5m/s)和加速度（lg)是以正弦和余弦曲线进给。在ADAMS中给定位移运动方程以刀具沿X方向运动为例，具体设置如下:车铣加工中心在运动过程中，以工作空间搜索的方法，获得滑板、 横滑板、动力刀架上的电机驱动力，具体仿真结果如图2. 13所示， 该结果可以为电机参数的选择提供参考依据。

在获得驱动力基础上，按照上面方法分别进行多刚体和多柔体仿 真分析，具体结果如图2. 14所示，其中图2. 14(a)为在Z方向上的多 刚体和多柔体的驱动力对比曲线图，为了对比清楚可以对两条曲线做 差运算，从而获得图2. 14(h);图2. 14(c)为F方向的驱动力对比曲线 图；图2. 14( d)为Z方向的驱动力对比曲线图。

图2. 15所示为在多刚体和多柔体模型中铣刀位移轨迹曲线图，其中图2. 15(a)为在Z方向的多刚体和多柔体的位移曲线对比图，为了 对比清楚可以对两条曲线做差运算，从而获得图2. 15(b);图2. 15(c) 为义方向的差运算后的铣刀位移曲线图；图2. 15(d)为F方向差运算 后的铣刀位移曲线图。

从图2. 14和图2. 15仿真结果可以看出：①多柔性体受力明显比 多刚件的大些，获得的仿真结果与实际更接近，因此对驱动电机参数的 选择以多柔体仿真结果更准确；②虚拟样机在运动过程中开始的时候 受到的驱动力有突变现象的发生，尤其在拐点处，可能是加速造成的; ③从切削原理角度讲，由于机床刚度是恒定的，切削力越大，则产生的 柔性体差值也就越大;④根据在移动过程中刀具位移轨迹误差添加到 数控系统中，有利于补偿车铣加工中心的形位误差，提高了机床加工 精度。

2. 5本章小结

(1)采用虚拟样机技术和有限元方法相结合建立多柔体的仿真系 统。具体通过ADAMS和ANSYS软件协同建模，将车铣加工中心关键 部件转化成柔性体，与其他部件形成刚柔耦合系统。

(2)基于多柔体系统的车铣加工中心运动学仿真分析和动力学仿 真分析。不仅可以观察机床在运动过程中是否干涉现象的发生，而且 为加工中心的电机参数的选择提供了参考依据。通过多柔体与多刚休 虚拟样机动力学仿真对比分析，柔性体驱动力比刚性体驱动力大很多， 采用多柔休系统仿真更能反映实际情况。

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