新型直驱数控转塔刀架运动学和动力学仿真外文文献翻译

附录 1：外文翻译新型直驱数控转塔刀架运动学和动力学仿真戴远行，张天瑞，张学伟，于天保东北大学机械工程学院中国沈阳daiweixlsina.cn, tianjiangruixue126.com,xuewzhang163.com, tbyumail.neu.edu.cn关键词：运动学建模，数控刀塔工具，DDRDDR 全称是DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM，双倍速率 SDRAM)，虚拟样机技术。摘要：构建新型直接驱动数控转塔刀架的三维模型，并将该模型引入 ADAMSADAMS，即机械系统动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）， 该软件是美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）（现已并入美国 MSC 公司） 开发的虚拟样机分析软件进行运动学和动力学仿真。在运动学模拟中，观察直接驱动的数控转塔刀架的运动过程，并将运动部件的轨迹绘制成一条曲线。模拟在实际情况下数控转塔刀架力的状态，计算轴向载荷，并验证动力学模拟中的夹紧力。介绍有优势的数控转塔刀架通常基于液压系统，与传统液压系统相比，它在许多方面也取得了明显的进步，但还可以继续提升。将直接驱动技术应用于数控转塔刀架的设计中， 不仅可以减少结构部件的数量，还可以提高转塔刀架的可靠性。它可以广泛应用于下一代数控转塔刀架的设计。本文提出了一种新型的数控转塔刀架，可以通过端齿分度表精确定位，在 DDR 伺服电机和主轴安装花键，刀具位置可以通过绝对编码器识别。使用液压驱动装置实现数控转塔刀架的锁定和解锁功能，可通过压力传感器检测这种状况。如图 1 所示，数控系统发出刀具选择指令后，数控转塔刀架控制系统将会计算出旋转方向和步数，然后伺服驱动器从数控系统接收指令，驱动电机。伺服驱动器与内部编码器大致对齐数控转塔刀架，端齿分度台将确保定位精度。图 1.控制示意图数控转塔刀具三维模型Pro/Engineer Wildfire3.0 可以使用 MechPro2005 插件接口与 ADAMS2005 无缝连接，因此我们可以在 Pro/E 环境中很快的将 3D 模型引入 ADAMS 并获得高质量的图片。如果我们通过像 IGES 这样的中间格式将 3D 模型引入到 ADAMS 中，则会在零件的表面上发现一些皱纹。基本上所有的 3D 建模软件都可以通过中间格式将 3D 模型引入 ADAMS。但有一个问题，就是当一个由螺栓连接部件组成的组件被引入到 ADAMS 中时。它会散落在许多没有连接的分离的部件之间。为了在 ADAMS 环境中模拟，我们需要添加很多的固定约束来连接这些部件来满足要求。增加这么多的固定约束不仅给我们带来了沉重的工作量，而且对分析结果也会造成不利影响。A.驱动模型。驱动模型由外转子，内定子，外壳，法兰，星型联轴器和编码器组成。DDR 伺服电机提供扭矩来控制旋转和转换。额定转矩 T，转子直径 D 和转子长度 L 之间的公式如下。T D2 L（1）这意味着我们应该增加转子的长度和直径来获得充分的扭矩。大多时候，我们使用内部转子，虽然外部转子电机在相同尺寸的情况下可以提供较大的扭矩。B.运动模型。运动模型是数控转塔刀架的重要组成部分，端齿分度台可精确定位数控转塔刀架。如图 3 所示，活塞与推动液压油沿轴向移动锁定盘实现锁定解锁功能1。整体组装的效果如图 4 所示。虚拟模型的运动学模拟，也被称为装配系统有复杂多变的关系部件的运动联合仿真分析运动。运动学分析与外力无关。为了方便地观察和添加固定约束，如图 5 所示，将模型引入 ADAMS 后我们设置不同类型的透明度。图 2.驱动模型图 3.运动模型图 4.三维模型刚体运动学模拟虚拟模型的运动学模拟，也被称为装配系统有复杂多变的关系部件的运动联合仿真分析运动。运动学分析与外力无关。为了方便地观察和添加固定约束，如图 5 所示，将模型引入 ADAMS 后我们设置不同类型的透明度。图 5.转塔刀架虚拟模型图 6.活塞位移和转子角度顺序在完成ADAMS 系统设置后，添加约束和运动，我们需要定义模型零件的运动功能2。当数控转塔刀架接收到转移指令时，液压缸向后拉动锁定盘（活塞冲程为 10mm，设计速度为 50mm/s）。传感器发出“松开”信号 30ms 后。由伺服电机驱动的数控转塔刀架转到预期的角度（这个运动模拟中有四个工作台，数控转塔刀架应该转 180 度，电机加速时间为 0.1s，转速是 30r/min）。然后停止电机，30ms 后，液压缸向前推动锁定盘，压力传感器发出一个“锁定”信号。这是刀具转换过程3。IF 功能用于模拟伺服电机和液压缸的运动功能，其格式为：IF (exp r1:exp r2,expr3,exp r4)（2）为了方便描述，我们研究圆盘对每个工作站的时间，以及它从第二秒开始。如图 7 所示，从 2s 到 2.2s，活塞移动 10mm 来实现锁定盘的脱离。从 2.2s 到 3.32s，圆盘旋转 180 度，因此此时活塞应该停在 10mm 处。在 3.32 秒时，圆盘转到预期的工作位置，活塞开始回到初始位置，活塞从 3.32s 到 3.52s 移动了 10mm，并通过驱动锁定圆盘实现了端齿分度台的锁定。图 7.主活塞在四个站的位移图图 8.转子在四个站的角位移图活塞位移功能是：我们需要为活塞设置一个平移运动：以转子为例（图 8）：电机旋转的 IF 功能表示为：设置步数为 1000，持续 5 秒。我们得到角速度/角位移的时间曲线如图 9，和位移/ 速度曲线如下图所示（图 10）。图 9.转子角速度/角度曲线图 10.主活塞位移/速度曲线转子旋转曲线的功能是分段功能。我们可以从图 10 中得出，关键点不是光滑的， 从而会带来影响。我们从转子角加速度曲线可以看出，在 2.2s，2.3s，3.22s，3.32s， 角加速度值几乎失真。其原因应该是曲线不能在这些点二阶求导。刚体动力学模拟刀具受到三个方向的力，主切削力，进给力和推力4。这些力与切削速度，进给速度，材料，刀具参数等很多因素有关。在不失一般性的情况下，我们在转塔刀架的设计中使用极限参数。我们在刀尖设置一个标记点，然后将这一点处的力投影到 XYZ 三个轴上，主切削力 Fz =22535.21N，进给力 Fx 0.6Fz =15774.65N，刀尖圆的半径 b=266.25mm。Fz = 13521.13N，后推力 Fy 0.7在旋转圆盘和锁定圆盘之间添加“Solid to Solid”接触，设置接触参数和步数为1000。通过使用默认方程求解器模拟 4 秒钟，然后绘制端齿分度表上的接触力随时间变化的曲线5。图 11.转塔力学图图 12.接触力曲线我们可以从图 12 中看出刀具突然受到三个方向的力， 使 Fx 达到最大值， 即70571.324N，然后下降到平均值 56533N。动态仿真结果适用于设计的可承受范围内6。总结和结论在本文中，IF 功能用于模拟伺服电机和液压缸的运动功能，所以有一些误差是可以理解的。但在实际应用中，伺服驱动器可以平稳，快速的启动和停止电机。通过分析数控转塔刀架的运动学，新型数控转塔刀架可以准确的完成所有刀具更换过程中预期的功能。参考文献1G.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).65-71.2Y.Shibui and Nagano (JP),Method and device for controlling tool selecting operation of turret tool postP,United States Patent US2005/0262976A1,2005,Dec.3Shibui and Yutaka(Saku,JP),Method and device for controlling tool selecting operation of turret tool postP,United States Patent WO2004/018150,2007,Dec.4S.Lee,S.Han and H.Lee,Assessment of the tool post reliability of a high-stiffness turning machineJ,Journal of Mechanical Science and Technology,2007,(21):1244-1252. 5O.Y.Taek,Design of precision angular indexing system for calibration of rotarytables”J,Journal of Mechanical Science and Technology,2012,(3):847-855. 6K.K.Tan and A.S.Putra.Control system in servo drives J,Drives and Control forIndustrial Automation,2011,105-142.附录 2：外文原文54