動態(tài)模擬輔助設(shè)計在CNC 四軸切削中心機之應(yīng)用

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1、動態(tài)模擬輔助設(shè)計在CNC四軸切削中心機之應(yīng)用作者：王樹根(2001-10-08)；推薦：徐業(yè)良(2001-10-12)。附註：本文發(fā)表於中國機械工程學(xué)會第十八屆學(xué)術(shù)研討會。動態(tài)模擬輔助設(shè)計在CNC四軸切削中心機之應(yīng)用摘要本文敘述一CNC四軸臥式切削中心機系統(tǒng)之高階機構(gòu)動態(tài)模擬、結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)量測之整合電腦輔助設(shè)計案例。文中先敘述立體機構(gòu)動態(tài)系統(tǒng)之建構(gòu)、不同應(yīng)用軟體轉(zhuǎn)檔、模型運動界面及限制條件設(shè)定；而在關(guān)鍵設(shè)計審查階段，應(yīng)用機構(gòu)動態(tài)模擬來描述機能極限、驗證動態(tài)滿意度，包括以刀具運動軌跡之動畫，模擬高速工具機系統(tǒng)之機構(gòu)控制，確認動態(tài)立體空間邊界與預(yù)防干涉設(shè)計；接著再輔以結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)量測來驗證機械

2、結(jié)構(gòu)參考性指標；最後由伺服控制實驗獲得改善定位精密度的方法。後續(xù)並將配合界面量測數(shù)據(jù)及工具機經(jīng)驗數(shù)據(jù)，從機構(gòu)實值動態(tài)模擬以獲取各組件於額定規(guī)格運動時，所產(chǎn)生的動態(tài)歷程和最大作用力量，作為進行後續(xù)機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化或強健化設(shè)計的依據(jù)。關(guān)鍵字：模擬輔助設(shè)計，機構(gòu)動態(tài)模擬，工具機，干涉預(yù)測。1.前言機構(gòu)動態(tài)模擬分析在國外已有廣泛應(yīng)用，如Baum和Ramakrishnan[1997]針對船體立體模型之模擬技巧，很忠實且熟慮地展示出使用環(huán)境可能遭遇狀況，事先在設(shè)計過程耦合結(jié)構(gòu)動態(tài)分析、干涉?zhèn)蓽y、製程模擬、和工程料表；Zhang和Chen[1993]發(fā)表NC車床切削動畫模擬專家系統(tǒng)程式，檢測機構(gòu)初步設(shè)計之運動干

3、涉；1http://designer.mech.yzu.edu.tw/動態(tài)模擬輔助設(shè)計在CNC四軸切削中心機之應(yīng)用Luck[1994]發(fā)表四連桿機構(gòu)運動分析演算法，同時以動畫技巧表現(xiàn)運動過程。Ichikawa等人[1991]應(yīng)用CAE套裝軟體ADAMS，模擬分析卡車底盤與板彈簧大變形的動態(tài)控制性和穩(wěn)定性。Tang[1994]整合CAE套裝軟體環(huán)境，以統(tǒng)計實際動態(tài)模擬適應(yīng)性，預(yù)估變動趨勢，不經(jīng)實驗即可作決策判斷。使用機構(gòu)動態(tài)模擬的優(yōu)點可避免人為設(shè)計錯誤、增加結(jié)構(gòu)安全性和易於檢視性、縮短研發(fā)時程。本文敘述切削中心機系統(tǒng)研發(fā)之機構(gòu)動態(tài)模擬、結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)量測之整合電腦輔助設(shè)計過程，並且以一CNC三軸

4、向四軸同動臥式切削中心機為例穿插於本文中。文中先敘述立體機構(gòu)動態(tài)系統(tǒng)之建構(gòu)、應(yīng)用不同軟體轉(zhuǎn)檔、模型運動界面及限制條件設(shè)定；在關(guān)鍵設(shè)計審查階段，應(yīng)用機構(gòu)動態(tài)模擬來描述機能極限、驗證動態(tài)滿意度，包括以刀具運動軌跡之動畫，模擬高速工具機系統(tǒng)之機構(gòu)控制，確認動態(tài)空間邊境干涉與設(shè)計修訂；接著再輔以結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)量測來驗證機械結(jié)構(gòu)參考性指標；最後說明經(jīng)由伺服控制實驗獲得改善定位精密度的心得。後續(xù)並將配合界面量測數(shù)據(jù)及工具機經(jīng)驗數(shù)據(jù)，從機構(gòu)實值動態(tài)模擬以獲取各組件於額定規(guī)格運動時，所產(chǎn)生的動態(tài)歷程和最大作用力量，作為進行後續(xù)機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化或強健化設(shè)計的依據(jù)。案例CNC三軸向四軸同動臥式切削中心機初期先完成其主

5、軸刀具二維試驗機動態(tài)模擬、結(jié)構(gòu)分析與模態(tài)量測等進度，中期先完成建立三維四軸同動系統(tǒng)動態(tài)模擬案例，從模擬應(yīng)付突發(fā)失控動態(tài)事件中，尋得改善受衝擊時最佳機構(gòu)強度設(shè)計方式。後期將利用動態(tài)模擬分析界面作用力，對各主要結(jié)構(gòu)元件執(zhí)行動態(tài)應(yīng)力和變形量分析之強健化設(shè)計，並將深入探討結(jié)構(gòu)在重切削、高速運動過程中真實的變化情況。2.應(yīng)用軟體設(shè)備選用繪圖和模擬軟體之前，應(yīng)分析現(xiàn)有軟體使用功能限制，如Pro/Mechanism不能作動力分析、Pro/Motion動力分析需要計算“Redundancy”自由度、Pro/E轉(zhuǎn)換為ADAMS的cmd和adm檔案需要加掛介面檔“protk.dat“和“mechpro.env”、

6、考慮後續(xù)將配合結(jié)構(gòu)分析如現(xiàn)有的ANSYS或Pro/Mechanica等軟體檔案的轉(zhuǎn)換、操作軟體是否易學(xué)易用、軟體技術(shù)服務(wù)是否快速健全。本研究為能適用現(xiàn)有的ANSYS或Pro/Mechanica分析軟體，故採用現(xiàn)有的立體繪圖軟體Pro/E建構(gòu)模型檔，本模型建2http://designer.mech.yzu.edu.tw/動態(tài)模擬輔助設(shè)計在CNC四軸切削中心機之應(yīng)用構(gòu)前，先設(shè)定採用直角座標系統(tǒng)，並統(tǒng)一使用N-mm-S-C單位。接著採用Pro/Mechanism依實況設(shè)定固定件模組(“GroundPart”)、活動件模組(此處採用“RigidBodies”)、材質(zhì)、及接合介面類別。經(jīng)轉(zhuǎn)檔至ADAM

7、S軟體再設(shè)定活動件模組驅(qū)動方程式、限制條件、量測項目、及執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)模擬。同步採用ANSYS軟體進行結(jié)構(gòu)剛性、振動頻率、及振動模態(tài)分析，並借助模態(tài)量測設(shè)備於試驗機完成製作組裝後驗證結(jié)構(gòu)振動頻率及模態(tài)，最後搭配Tektronix2550彩繪印表機作圖形輸出。本研究主要動態(tài)模擬分析是在ADAMS軟體上執(zhí)行，實體幾何形態(tài)、特徵，從外部Pro/ECAD軟體建構(gòu)模型轉(zhuǎn)檔完成後，再從ADAMS匯入(Impor