新型直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真外文文獻(xiàn)翻譯

附錄 1：外文翻譯 新型直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真 戴遠(yuǎn)行，張?zhí)烊穑瑥垖W(xué)偉，于天保東北大學(xué)機(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)分析軟件]進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真。在運(yùn)動學(xué)模擬中，觀察直接驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的運(yùn)動過程，并將運(yùn)動部件的軌跡繪制成一條曲線。模擬在實(shí)際情況下數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架力的狀態(tài)，計(jì)算軸向載荷，并驗(yàn)證動力學(xué)模擬中的夾緊力。 介紹 有優(yōu)勢的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架通常基于液壓系統(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(jìn)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(jì)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(jì)。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(jī)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(shí)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(jì)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(jī)。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。 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。基本上所有的 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(gè)問題，就是當(dāng)一個(gè)由螺栓連接部件組成的組件被引入到 ADAMS 中時(shí)。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(jī)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 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(shí)候，我們使用內(nèi)部轉(zhuǎn)子，雖然外部轉(zhuǎn)子電機(jī)在相同尺寸的情況下可以提供較大的扭矩。 B.運(yùn)動模型。運(yùn)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(shí)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(yùn)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(yùn)動聯(lián)合仿真分析運(yùn)動。運(yùn)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 2.驅(qū)動模型 圖 3.運(yùn)動模型 圖 4.三維模型 剛體運(yùn)動學(xué)模擬 虛擬模型的運(yùn)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(yùn)動聯(lián)合仿真分析運(yùn)動。運(yùn)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(yùn)動，我們需要定義模型零件的運(yùn)動功能[2]。當(dāng)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架接收到轉(zhuǎn)移指令時(shí)，液壓缸向后拉動鎖定盤（活塞沖程為 10mm，設(shè)計(jì)速度為 50mm/s）。傳感器發(fā)出“松開”信號 30ms 后。由伺服電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架轉(zhuǎn)到預(yù)期的角度（這個(gè)運(yùn)動模擬中有四個(gè)工作臺，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架應(yīng)該轉(zhuǎn) 180 度，電機(jī)加速時(shí)間為 0.1s，轉(zhuǎn)速是 30r/min）。然后停止電機(jī)，30ms 后，液壓缸向前推動鎖定盤，壓力傳感器發(fā)出一個(gè)“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(jī)和液壓缸的運(yùn)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(gè)工作站的時(shí)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(shí)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(shí)活塞應(yīng)該停在 10mm 處。在 3.32 秒時(shí)，圓盤轉(zhuǎn)到預(yù)期的工作位置， 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(shí)現(xiàn)了端齒分度臺的鎖定。 圖 7.主活塞在四個(gè)站的位移圖 圖 8.轉(zhuǎn)子在四個(gè)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(gè)平移運(yùn)動： 以轉(zhuǎn)子為例（圖 8）： 電機(jī)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(shí)間曲線如圖 9，和位移/ 速度曲線如下圖所示（圖 10）。 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(diǎn)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(diǎn)二階求導(dǎo)。 剛體動力學(xué)模擬 刀具受到三個(gè)方向的力，主切削力，進(jìn)給力和推力[4]。這些力與切削速度，進(jìn)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(jì)中使用極限參數(shù)。我們在刀尖設(shè)置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，然后將這一點(diǎn)處的力投影到 XYZ 三個(gè) 軸上，主切削力 Fz =22535.21N，進(jìn)給力 Fx ≈0.6 Fz =15774.65N，刀尖圓的半徑 b=266.25mm。 Fz = 13521.13N，后推力 Fy ≈0.7 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(shí)間變化的曲線[5]。 圖 11.轉(zhuǎn)塔力學(xué)圖 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(gè)方向的力， 使 Fx 達(dá)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(jì)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(jī)和液壓缸的運(yùn)動功能，所以有一些誤差是可以理解的。但在實(shí)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(jī)。通過分析數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的運(yùn)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(xiàn) [1]G.Patterson and T.Koseki,"Simple Modelling and Prototype Experiments for a New High-Thrust Low-Speed Permanent-Magnet Disk Motor.J.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS,2011,(47).65-71. [2]Y.Shibui and Nagano (JP),"Method and device for controlling tool selecting operation of turret tool post"[P],United States Patent US2005/0262976A1,2005,Dec. [3]Shibui and Yutaka(Saku,JP),"Method and device for controlling tool selecting operation of turret tool post"[P],United States Patent WO2004/018150,2007,Dec. [4]S.Lee,S.Han and H.Lee,"Assessment of the tool post reliability of a high-stiffness turning machine"[J],Journal of Mechanical Science and Technology,2007,(21):1244-1252. [5]O.Y.Taek,"Design of precision angular indexing system for calibration of rotary tables”[J],Journal of Mechanical Science and Technology,2012,(3):847-855. [6]K.K.Tan and A.S.Putra.Control system in servo drives [J],Drives and Control for Industrial Automation,2011,105-142. 附錄 2：外文原文 54