虚拟环境下并联机床的建模与仿真
1 前言并联机床具有结构简单、刚性好、用材少、重量轻、适应性强等优点。从机床结构学的观点看，并联机床与传统机床的本质区别在于刀具在笛卡儿系中的运动是可控关节伺服运动的非线性映射。这种关系往往导致设计工作较传统机床更为复杂，且必须依赖计算机完成。虚拟设计是虚拟制造技术的重要组成部分。利用这种技术可高效准确地在计算机上实现可视化的“数字机床”，进而为样机性能、功能和外观的评价提供了有利的手段。
本文结合天津大学机械工程学院正在开发研制的3-HSS型并联机床，以Mechanical Desktop (MDT) R2.0+SuperSky-3D及与之无缝连接的Working Model 3D 3.0为开发平台，实现了对虚拟样机的三维实体建模和运动学仿真。
2 3-HSS型并联机床工作原理
如图1所示，3-HSS型并联机床由动平台，静平台和三对立柱—滑鞍—支链组成；每条支链中含三根平行杆件，各杆件一端与滑鞍，另一端与动平台用球铰连接，滑鞍在伺服电机和滚珠丝杠螺母副驱动下，沿安装在立柱上的滚动导轨作上下运动。考虑到各支链中三根杆件两两构成平行四边形结构，故可有效地约束动平台转动自由度，使其仅提供沿笛卡儿坐标的平动。
1.伺服电机 2.高速电主轴 3.滚动导轨 4.滚珠丝杠 5.滚珠螺母与滑鞍
6.三杆平行四边形单元 7.球铰 8.刀具 9.动平台
图1 3-HSS型并联机床传动简图
3 样机实体建模
在完成总体设计、概念设计与尺度综合以及初步机械设计后，采用了MDTR2.0+SuperSky-3D集成环境进行样机三维实体建模。考虑到MDT所提供的功能，整个建模过程采用自下而上和并行工程的建模策略，分为两个层面完成。第一层面为零件个体造型，第二层面则根据Team work的思想，利用SuperSky-3D自动管理文档功能实时监控样机设计过程，并模拟实际装配顺序进行机床部装和总装。
MDT采用结构模型法进行实体建模。该方法将立方体、圆柱体、圆锥体等作为基本体素配置在三维空间内，通过对基本体素的布尔操作(和、差、积、交、并)描述和表达复杂物体的三维形状信息。为了实现全参数化设计，在建模中利用尺寸驱动表功能，首先在Excel中建立主参数数据表，使之与MDT动态连接，而后在定义零件尺寸约束时输入参数名即可。当零件尺寸需作部分变更时，只需对原数据表作简单修改。图2示出了用结构模型法建造动平台实体模型的全过程。
图2 动平台实体造型过程
根据上述手续完成单体零件三维实体造型后，便可模拟机床的部装和总装。装配时利用MDT面配合(mate face)、线配合(mate line)、面齐平(flush face)、线齐平(flush line)、插入(insert)、偏距(offset)等基本操作，以实现各零部件间的相对装配关系。图3示出了整个机床的装配过程。基于三维实体模型，还可利用MDT渲染功能对3D模型进行色彩、材质、纹理、光照处理，以增强虚拟样机的真实感，以便对造型进行评价和修改。
图3 虚拟样机装配过程
此外，因MDT环境提供有IGES/STEP/SAT/STL等三维模型数据输出格式，故还可与其它商用CAE软件(如Working Model 3D, ANSYS等)进行无缝数据交换，以完成诸如运动学与动力学仿真，干涉检验以及动、静刚度预估等工作。
4 运动学仿真
运动学仿真的目的是通过考察各铰链及各部件的相对运动状态，检验支链是否发生干涉以及校核数控加工程序是否正确。此外，还可考察和评价系统的速度和加速度特性。为此，基于Working Model 3D刚体动力学仿真平台，首先将虚拟样机的MDT装配约束转化为WM3D的运动约束，并根据运动副自由度数目设定相应的附加约束，以构成完整的运动约束集合。因在MDT环境下装配虚拟样机时，只需将两根与滑鞍相连的平行杆件插入球铰座便可确定其它七根杆的位置，故在WM3D环境下需加入对这七根杆件与球铰座的运动约束。值得提及的是，在处理运动约束时，必须准确设定铰链类型及其位置坐标，以便对约束的处理正确无误。在此基础上，即可根据CAM模型并借助位置和速度逆解模型生成滑鞍位置和速度数据文件，并作为WM3D的输入驱动机构运动。图4示出了3-HSS虚拟样机在f500mm圆周上作周向进给运动的瞬时状态。
图4 虚拟样机作f500mm圆周向进给运动
5 结束语
基于MDTR2.0+SuperSky-3D和Working Model 3D，将虚拟设计技术用于并联机床的设计，为3-HSS型并联机床样机的一次研制成功提供了可靠的保证。该机床样机已于1999年10月在第六届中国国际机床展览会上展出。
文章关键词： 机床
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