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

　　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

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

　　采用傳統重錘平衡裝置的鏜床，是通過一個與主軸箱質量相當的平衡重錘進行平衡，重錘安裝于立柱內腔，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生了變化，使得各個鋼絲繩的受力發生變化;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-滑枕質心位置前移，前吊點鋼絲繩拉力增大，主軸箱出現搭頭現象，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出鋼絲繩的受力變化及主軸箱的搭頭現象，因此將立柱與主軸箱用旋轉副連接。

　　表1 具體約束類型表

　　為主軸箱和滑枕之間的約束添加Motion驅動，驅動類型為位移，使用step函數定義滑枕的伸入伸出，讓滑枕10s內先伸出1.2m，停留10s后再縮回，具體函數為：

　　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，需要填寫的參數有：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 聯合仿真模型建立

　　2.1 液壓缸電液控制系統模型

　　根據液壓原理圖在AMESim中搭建如圖4所示的液壓缸電液控制系統模型。其中電磁換向閥處于P-B常開狀態，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“創建界面框圖”功能建立聯合仿真接口，確認輸入和輸出參數。接口類型為“co-simulation”，這是以多體動力學軟件為主，AMESim為輔的聯合仿真方式。其中輸入參數為液壓缸上的力force，輸出參數即從多體動力學軟件傳遞過來的參數有滑枕的位移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“linear2signal3”上，形成力、速度和位移的信號閉環。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，得到的數值接近0時說明滑枕前后高度一致，主軸箱為調平狀態，反之主軸箱不水平，需要調節圖中的PID模塊及初始值k的數值。

　　圖4 液壓缸電液控制系統聯合仿真模型

　　2.2 多體動力學軟件中的聯合仿真接口設置

　　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)。在多體動力學軟件中新建數個狀態變量，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，讀取Y Array中從AMESim輸出的信號，其他狀態變量分別使用step、DZ、DM、VR等函數讀取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合仿真接口設置就完成了。

　　3 聯合仿真結果分析

　　AMESim中設置系統仿真時間為45s、時間間隔為0.01s。多體動力學軟件中新建仿真腳本，同樣設置系統仿真時間為45s、時間間隔為0.01s。聯合仿真數據通信時間間隔為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。

　　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，整個系統大概需要4s時間來達到平衡，0-4s時間段的數據可以忽略不計處理。

　　(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，期間發生了主軸箱的搭頭現象，隨著滑枕停止運動，短時間內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，主軸箱達到調平狀態。整個運動過程中，滑枕前后點z向位移差最大為0.6mm。

　　4 結語

　　(1)為了解決鏜床滑枕運動過程中出現的搭頭現象，構建了鏜床主軸箱平衡錘機構的機電液耦合仿真系統模型，并進行了滑枕運動過程中主軸箱平衡控制的聯合仿真研究，仿真結果表明機電液耦合仿真系統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構建了電液控制系統模型，并對電磁比例減壓閥實施了閉環反饋控制，仿真結果表明：液壓缸的實際位移較好地跟蹤了主軸箱的傾斜位移，較好地實現了主軸箱自動調平控制，為后續的試驗研究提供了理論基礎。

　　參考文獻

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

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

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