數(shù)控落地銑鏜床是機械制造業(yè)的重要制造裝備，其特點是批量小、使用壽命長、維護成本高，因此，數(shù)控落地銑鏜床的精度可靠性的研究是保證其正常產(chǎn)出的基礎，同時也是企業(yè)降低維護成本，提高生產(chǎn)效益的重要基礎。

　　文/ 武漢重型機床集團有限公司 張文源

　　華中科技大學 劉泓海

　　數(shù)控落地銑鏜床是機械制造業(yè)的重要制造裝備，其特點是批量小、使用壽命長、維護成本高，因此數(shù)控落地銑鏜床的精度可靠性的研究是保證其正常產(chǎn)出的基礎，同時也是企業(yè)降低維護成本，提高生產(chǎn)效益的重要基礎。

　　采用傳統(tǒng)重錘平衡裝置的鏜床，是通過一個與主軸箱質(zhì)量相當?shù)钠胶庵劐N進行平衡，重錘安裝于立柱內(nèi)腔，與重錘相連的鋼絲繩繞過安裝于立柱上的滑輪架，再與主軸箱相連。在滑枕伸入伸出的過程中，主軸箱-滑枕的整體重心位置發(fā)生了變化，使得各個鋼絲繩的受力發(fā)生變化;并且由滑枕W軸移動引起的重心位置變化會導致滑枕搭頭、主軸箱變形，對滑枕水平移動直線度精度影響較大。

　　隨著滑枕伸出量增加，主軸箱-滑枕質(zhì)心位置前移，前吊點鋼絲繩拉力增大，主軸箱出現(xiàn)搭頭現(xiàn)象，用液壓平衡法，在主軸箱的上端連接一個液壓缸，通過電液比例閥控制油壓來平衡主軸箱的重力。因此在主軸箱鋼絲繩前吊點處配置了一個液壓缸，通過液壓缸的伸入伸出使主軸箱保持水平。在滑枕運動過程中，分析各個鋼絲繩的具體受力值及液壓缸的伸出量就顯得格外重要。

　　1 鏜床多體動力學模型建立

　　使用UG軟件對鏜床零件進行建模，包括立柱、平衡錘、滑輪架、主軸箱、滑枕、液壓缸等零部件，并裝配得到鏜床整機的三維模型，如圖1所示，導出為Parasolid(*.x_t)的格式。

　　圖1 UG模型圖

　　將導出的鏜床模型導入多體動力學軟件中，為各個部件之間添加約束和驅(qū)動，具體約束類型見表1。需要注意的是如果立柱與主軸箱用移動副連接，主軸箱將只能沿立柱上下移動，不能在滑枕伸出時體現(xiàn)出鋼絲繩的受力變化及主軸箱的搭頭現(xiàn)象，因此將立柱與主軸箱用旋轉(zhuǎn)副連接。

　　表1 具體約束類型表

　　為主軸箱和滑枕之間的約束添加Motion驅(qū)動，驅(qū)動類型為位移，使用step函數(shù)定義滑枕的伸入伸出，讓滑枕10s內(nèi)先伸出1.2m，停留10s后再縮回，具體函數(shù)為：

　　step(time,10,0,20,-1.2)+step(time,20.1,0,30,0)+step(time,30.1,0,40,1.2)+step(time,40.1,0,45,0)

　　滑枕理想位移與時間的關系如圖2所示。

　　圖2 滑枕位移與時間的關系

　　使用多體動力學軟件的Machinery-Cable模塊分別建立前中后鋼絲繩及滑輪組系統(tǒng)，需要填寫的參數(shù)有：繩索起點和終點坐標、滑輪半徑、滑輪寬度、滑輪中心坐標、滑輪密度、繩索楊氏模量等。其中主軸箱的前鋼絲繩吊點固定在液壓缸上，最終得到的鏜床多體動力學模型如圖3所示。

　　圖3 鏜床多體動力學模型(左)和隱藏立柱的模型(右)

　　2 聯(lián)合仿真模型建立

　　2.1 液壓缸電液控制系統(tǒng)模型

　　根據(jù)液壓原理圖在AMESim中搭建如圖4所示的液壓缸電液控制系統(tǒng)模型。其中電磁換向閥處于P-B常開狀態(tài)，使得液控單向閥常開;電磁比例減壓閥控制液壓缸的壓力。通過“創(chuàng)建界面框圖”功能建立聯(lián)合仿真接口，確認輸入和輸出參數(shù)。接口類型為“co-simulation”，這是以多體動力學軟件為主，AMESim為輔的聯(lián)合仿真方式。其中輸入?yún)?shù)為液壓缸上的力force，輸出參數(shù)即從多體動力學軟件傳遞過來的參數(shù)有滑枕的位移distance、滑枕前端在z向相對于大地的距離huazhen1、滑枕后端在z向相對于大地的距離huazhen2、液壓缸速度vel、液壓缸相對于主軸箱的位移displacement。force、vel、displacement這3個信號均連接到模塊“l(fā)inear2signal3”上，形成力、速度和位移的信號閉環(huán)。force信號通過了乘以-1的比例模塊，這是為了改變輸入到多體動力學軟件中力的方向。huazhen1和huazhen2做差，得到的數(shù)值接近0時說明滑枕前后高度一致，主軸箱為調(diào)平狀態(tài)，反之主軸箱不水平，需要調(diào)節(jié)圖中的PID模塊及初始值k的數(shù)值。

　　圖4 液壓缸電液控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

　　2.2 多體動力學軟件中的聯(lián)合仿真接口設置

　　在多體動力學軟件中新建3個ARRAY，分別作為GSE(General State Equation)的U Array(輸入)、Y Array(輸出)、X Array(狀態(tài))。在多體動力學軟件中新建數(shù)個狀態(tài)變量，與上述AMESim中的輸入輸出變量相對應。其中force使用ARYVAL(ARRAY_y,1)函數(shù)，讀取Y Array中從AMESim輸出的信號，其他狀態(tài)變量分別使用step、DZ、DM、VR等函數(shù)讀取ADAMS中的信號，填寫到U Array中作為輸入給AMESim的信號。

　　在多體動力學軟件的Settings-Solver-Executable設置中，將執(zhí)行器設為外部，求解器庫設為AMESim生成的.dll文件，編譯器設為C++。這樣多體動力學軟件中的聯(lián)合仿真接口設置就完成了。

　　3 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

　　AMESim中設置系統(tǒng)仿真時間為45s、時間間隔為0.01s。多體動力學軟件中新建仿真腳本，同樣設置系統(tǒng)仿真時間為45s、時間間隔為0.01s。聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)通信時間間隔為0.001s。運行多體動力學軟件的仿真腳本，兩個軟件同時進行仿真，在仿真結(jié)束后，讀取前中后吊點上的力、液壓缸的位移、液壓缸壓力與滑枕伸出距離、滑枕前后點z向位移差等參數(shù)。

　　圖5 前中后吊點上的力

　　圖6 液壓缸的位移

　　圖7 液壓缸壓力與滑枕伸出距離

　　圖8 滑枕前后點z向位移差

　　從圖5-圖8中可以看出：

　　(1)由于多體動力學軟件軟件的繩索一開始不處于繃緊狀態(tài)，整個系統(tǒng)大概需要4s時間來達到平衡，0-4s時間段的數(shù)據(jù)可以忽略不計處理。

　　(2)隨著滑枕伸出，前吊點鋼絲繩上的力逐漸增大，中后吊點鋼絲繩上的力逐漸減小，且與滑枕伸出距離近似成線性關系?；硗Ｖ惯\動后，鋼絲繩上的力達到平衡不再改變。三根鋼絲繩力的總和近似為固定值，等于主軸箱加上滑枕的總重力。

　　(3)滑枕伸出到最長時，液壓缸共縮回了3.2mm，才使得主軸箱保持水平。

　　(4)由于前吊點上的力由液壓缸的壓力提供，因此液壓缸壓力也與滑枕伸出距離近似成線性關系，滑枕伸出量為0時，液壓缸壓力等于25.4bar，滑枕伸出量為1.2m時，液壓缸壓力等于51.9bar。

　　(5)在10-20s、30s-40s滑枕運動過程中，由于液壓缸控制的滯后性，期間發(fā)生了主軸箱的搭頭現(xiàn)象，隨著滑枕停止運動，短時間內(nèi)液壓缸跟隨控制信號建立平衡，滑枕前后點z向位移差近似為0，主軸箱達到調(diào)平狀態(tài)。整個運動過程中，滑枕前后點z向位移差最大為0.6mm。

　　4 結(jié)語

　　(1)為了解決鏜床滑枕運動過程中出現(xiàn)的搭頭現(xiàn)象，構(gòu)建了鏜床主軸箱平衡錘機構(gòu)的機電液耦合仿真系統(tǒng)模型，并進行了滑枕運動過程中主軸箱平衡控制的聯(lián)合仿真研究，仿真結(jié)果表明機電液耦合仿真系統(tǒng)模型具有一定的可行性。

　　(2)通過多體動力學軟件向AMESim提供運動過程中的速度和位移、AMESim向多體動力學軟件輸出力驅(qū)動，可以仿真出滑枕運動過程中各個吊點上鋼絲繩受力的變化情況。

　　(3)采用AMESim構(gòu)建了電液控制系統(tǒng)模型，并對電磁比例減壓閥實施了閉環(huán)反饋控制，仿真結(jié)果表明：液壓缸的實際位移較好地跟蹤了主軸箱的傾斜位移，較好地實現(xiàn)了主軸箱自動調(diào)平控制，為后續(xù)的試驗研究提供了理論基礎。

　　參考文獻

　　[1]田學濤.數(shù)控落地銑鏜床滑枕和主軸箱精度補償[D].長沙：湖南大學，2018.

　　[2]劉維新,余緯,徐沖.落地銑鏜床主軸箱平衡補償系統(tǒng)故障診斷與維修[J].現(xiàn)代制造工程, 2022(002):000.

　　[3]潘賢兵,郭旭紅,華小龍,等.數(shù)控落地鏜銑床主軸箱平衡補償系統(tǒng)的設計[J].機械設計與制造, 2014(3):3.DOI:10.3969/j.issn.1001-3997.2014.03.049.

　　聯(lián)系地址：湖北省武漢市東湖新技術開發(fā)區(qū)佛祖嶺一路3號

　　電話：13349849875

　　公司名稱：武漢重型機床集團有限公司

　　郵箱：405705811@qq.com