一种基于Adams考虑链传动的ATC虚拟样机建模仿真方法与流程

本发明属于数控机床技术领域，涉及一种基于adams考虑链传动的atc虚拟样机建模仿真方法，该方法对带有链传动的atc进行虚拟样机建模，基于adams仿真软件，分析了该装置的运动特性并验证了模型的精度。

背景技术

自动换刀装置(automatictoolchanger,atc)是加工中心的重要功能部件，通过与刀库配合，辅助加工中心完成多工序的加工任务。机械手式自动换刀装置包括匹配链式刀库的atc以及匹配盘式刀库的atc，链式刀库及atc因具有容刀量大等优点常被应用于数控机床中。然而，在匹配链式刀库的atc中，鉴于链式刀库的几何尺寸和空间布局，往往无法像匹配盘式刀库的atc那样结构紧凑，电机更无法直接通过凸轮轴驱动复合凸轮机构输出间歇传动。因此，atc的电机往往通过传动效率高、能实现远距离传输的链传动系统与凸轮轴相连，实现自动换刀的可靠完成。目前，借助建模辅助开发工具，比较容易实现链传动的三维参数化建模，然而，链传动系统中链条结构复杂，手动建模工作量很大，链传动的多边形效应会导致瞬时传动速度不恒定，但忽略链传动会造成仿真结果与实际情况不符。以将链传动装置三维模型导入到adams中进行动力学仿真为例，为实现虚拟样机的运行，需要在装配时对链条机构的每个链节设置接触连接，调试难度大，严重影响求解时间，同时不能保证仿真精度。在过去的研究中，往往在三维建模环节或虚拟样机构建环节舍去链传动，直接在输入轴端设置驱动机构。为了能更准确地反映复合凸轮式atc的实际工作状态，同时避免外部导入模型在转换精度、接触设置上造成的诸多不便，急需通过一种新的方法在动力学仿真过程中引入链传动分析。

在atc的整机仿真研究中，陕西科技大学的葛正浩在2018年的陕西科技大学学报第36卷第2期发表的论文“双弧面凸轮式atc机械手的刚柔耦合动力学分析”针对双弧面凸轮式atc机械手，完成了整机的三维建模，并基于机械系统动力学的理论基础建立了双弧面凸轮式atc机械手多自由度刚柔耦合动力学模型，且在adams仿真软件基础上对刀臂上下和回转动作的动态性能进行了分析。然而，上述研究仅考虑了双弧面凸轮式atc的建模仿真，忽略atc整机的链传动部分，这将导致仿真结果与实际情况不符。因此，本发明主要考虑atc整机的链传动机构部分，在此基础上建立atc整机的动力学仿真模型，以实现准确预测实际加工运动特性。

技术实现要素：

本发明涉及一种基于adams考虑链传动的atc虚拟样机建模仿真方法，该建模方法考虑了链传动的自动换刀装置运动特性，为实现虚拟样机的运行，基于adams/machinery模块中新开发的链传动建模功能，结合传动链的空间位置及具体参数，建立符合要求的链传动模型，将其链接到atc虚拟样机上，以完善atc整体样机的动力学仿真模型。

为完善atc整体样机的动力学仿真模型，在未考虑链传动的虚拟样机模型搭建的基础上，在同一文件下，借助adams/machinery模块中新开发的链传动建模功能，考虑传动链的空间位置及参数，建立符合要求的链传动模型，并将其连接到atc虚拟样机上实现完善样机的目的。在adams/machinery下创建链传动模型主要有以下三个步骤：创建参数化链轮组(sprocket)；在链轮基础上，搭载参数化链条(chain)；为驱动链轮施加力矩或速度(actuation)。atc虚拟样机具体建模流程如下：

本发明的技术方案：

一种基于adams考虑链传动的atc虚拟样机建模仿真方法，步骤如下：

(1)确定传动链空间位置参数

首先，基于虚拟样机模型(atc)设计要求，在虚拟样机模型的空间直角坐标系下，确定驱动链轮和从动链轮的空间位置；样机的坐标原点由pro/e总装模型下全局原点决定，凸轮轴4后端面圆心点即为样机的坐标原点；驱动链轮与三相异步电机1相连，从动链轮固定在凸轮轴4上，结合设备组空间尺寸，建立驱动链轮和从动链轮的空间坐标，从动链轮在复合凸轮3的旋转平面上绕x轴旋转，设定旋转坐标；

(2)确定传动链几何参数

根据atc整机确定的驱动轮齿数、从动轮齿数及链轮宽度；在链传动的参数建模模块中，根据滚子链链轮的设计原则，确定分度圆直径d、齿根圆直径df、定位圆弧半径ri、齿顶圆直径da、齿侧圆弧半径re和定位角α的参数选择范围；

df＝d-d1(2)

其中，节矩p、滚子直径d1等参数在16a系列滚子链的链条参数中给出；

(3)其他参数的设定

从动链轮选取与凸轮轴4相同的材质，为碳素钢材料；驱动链轮承受冲击载荷较大，选用与复合凸轮3相同的材质，为20cr材料；链轮与链条主要采用解析法从方程上给出了接触力与接触力参数之间的关系，并提供了接触参数的求解办法；

单次碰撞的法向力fn通用表达式如下：

其中，v0代表两物体接触时的相对速度；k为刚度系数；e为力指数；c为阻尼系数；δ为变形量；k和e反映线性弹簧力，c和δ表征非线性阻尼力，e通过经验参数获得；

在忽略非线性阻尼力情况下，通过hertz模型获得刚度系数k的解析方程：

其中，各项参数依次为：r为接触物体的曲率半径，e为杨氏模量，μ泊松比；结合零件材料的参数，易得相关接触中刚度系数k的解析值；

链条采用修正的非线性柔度法，定义链条主轴和链轮法向方向上链节间的柔度，保证链传动的仿真精度；非线性刚度曲线方程如下：

f＝k1x+k2x²+k3x³+k4x⁴+k5x⁵(10)

k1-k5为1-5阶刚度系数，x为相关阻尼值；

最后，在驱动链轮端施加驱动，已知从动链轮端输出转速n2即为复合凸轮3转速，根据链轮组齿数，确定驱动转速

(4)建立链传动的三维模型

基于传动链的空间、几何、动力学参数设定，完成链传动三维模型。通过输出链轮的运动特性曲线，验证传动链模型的准确性。

(5)将链传动的三维模型引入到未考虑链传动的虚拟样机模型中

前面已经考虑了传动链在虚拟样机模型中的空间位置，通过在凸轮轴4和从动链轮之间设置约束，直接将pro/e总装模型中导入的atc和adams建立的传动链模型结合起来；

具体方法为将从动链轮与大地的旋转约束改为与凸轮轴4的固定约束。

基于以上建立的虚拟样机模型，通过在求解器模块中设置合理的积分参数等，在后处理面板中输出位移、速度、加速度等运动特性曲线，验证样机的可靠性。

本发明的有益效果是发明了一种基于adams考虑链传动的atc虚拟样机建模仿真方法，在自动换刀装置虚拟样机的整机动力学建模中考虑链传动的运动特性曲线，基于adams仿真软件，将考虑链传动的自动换刀装置整机动力学模型进行验证分析，并确定模型的准确性。本发明从实际角度出发，全面考虑自动换刀装置虚拟样机内部传动链构件的运动特性，以实现准确预测实际加工运动特性，为自动换刀装置的内部传动构件的设计提供指导。

附图说明

图1是基于adams考虑链传动的atc虚拟样机建模仿真流程图。

图2是复合凸轮式atc的机构图。

图3是驱动、从动链轮的仿真速度曲线。

图4是考虑链传动的自动换刀装置虚拟样机图。

图5(a)是考虑链传动的atc虚拟样机旋转行程运动特性曲线(200步)。

图5(b)是考虑链传动的atc虚拟样机直线行程运动特性曲线(200步)。

图中：1三相异步电机；2传动链机构(链，链轮)；3复合凸轮；4凸轮轴；5滚子连杆；6滚子分度盘；7分度盘轴；8锥齿轮副；9花键轴；10滑杆；11内花键套筒；12机械手。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

图1是本发明的基于adams考虑链传动的atc虚拟样机建模仿真流程图。本发明以复合弧面分度凸轮式atc为例，首先需要基于adams/view完成将整机三维模型转化为仿真分析的虚拟样机，主要在adams的建模模块中完成，基于atc末端机械手实现旋转换刀，直线拔刀的工作行程，图2中atc的机构分成3个部分：驱动机构，旋转从动机构，直动从动机构。驱动机构：三相异步电机1固定在床身托架上，经由传动链2与凸轮轴4，进而与复合凸轮3连接，共同构成atc的驱动机构；旋转从动机构：滚子分度盘5与复合凸轮3侧面的弧面分度凸轮上的曲面轮廓啮合，经由分度盘轴7，锥齿轮副8，花键轴9，内花键套筒11，与机械手12相连，实现机械手的回转行程；直动从动机构：滚子连杆5与复合凸轮3端面的平面沟槽凸轮啮合，经由内花键套11筒上的滑杆机构10，进而与套筒端部机械手12相连，实现机械手的直动行程。本发明在以上atc整机建模基础上将链传动的运动特性引入到整机atc虚拟样机之中，最终完成匹配链式刀库的atc建模仿真。下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。

(1)传动链空间位置参数

首先，基于atc设计要求，在虚拟样机模型的空间直角坐标系下确定驱动链轮、从动链轮的空间位置。样机的坐标原点由导入模型前pro/e总装模型下全局原点决定，可知凸轮轴4后端面圆心点即为空间原点(0.0，0.0，0.0)。驱动链轮与三相异步电机1相连，从动链轮固定在凸轮轴4上，结合设备组空间尺寸，建立驱动、从动链轮空间坐标分别为：(391.0，114.0，779.0)、(391.0，0.0，0.0)，2链轮中心连线与平面夹角为8°。链轮在复合凸轮3的旋转平面上绕x轴旋转，设定旋转坐标(90.0，90.0，270.0)。

(2)传动链几何参数

本文选定的驱动轮齿数z1为12，从动轮齿数z2为20，链轮宽度为14.6mm。在传动链机构2的参数建模模块中，根据滚子链链轮的设计原则，所需参数依据公式：(1)-(6)的最小值计算。其中，链条采用16a系列滚子链，相关参数：节距p＝25.4mm，滚子直径d1＝15.88mm。根据16a链条参数，求出链轮轮廓参数具体值。其中：驱动链轮几何参数：链轮数目：2，旋转轴x(90.0,90.0,270.0)，链轮中心位置坐标(391.0,114.0,77)，分度圆直径d＝98.14mm，齿根圆直径df＝82.26mm，定位圆弧半径ri＝8.0194mm，齿顶圆直径da＝108.0mm，左旋齿中，齿侧圆弧半径re＝26.6784mm，定位角α＝66.25，右旋齿中，齿侧圆弧半径re＝26.6784mm，定位角α＝66.25。从动链轮几何参数：链轮数目：2，旋转轴x(90.0,90.0,270.0)，链轮中心位置坐标(391.0,0.0,0.0)，分度圆直径d＝162.37mm，齿根圆直径df＝146.49mm，定位圆弧半径ri＝8.0194mm，齿顶圆直径da＝172.23mm，左旋齿中，齿侧圆弧半径re＝41.9232mm，定位角α＝67.75，右旋齿中，齿侧圆弧半径re＝41.9232mm，定位角α＝67.75。

(3)其他参数的设定

从动链轮选取与凸轮轴4相同的材质，为碳素钢材料；驱动链轮承受冲击载荷较大，选用与复合凸轮3相同的材质，为20cr材料；链轮与链条的接触主要是包含法向力fn和摩擦力ff的设置，本发明采用解析法从方程上给出了接触力与接触力参数之间的关系，依据方程(7)、(8)可计算出接触参数：刚度系数为100000，阻尼系数为100，比例因子为1.0。

链条采用修正的非线性柔度法，定义链条主轴和链轮法向方向上链节间的柔度，保证链传动的仿真精度非线性刚度可根据曲线方程(10)计算，其中各阶刚度系数及相关阻尼参数：链节在平移过程中，刚度系数k1＝68000，k2＝0，k3＝68000，k4＝0，k5＝68000，阻尼系数600。

最后，在驱动链轮端施加驱动，已知从动链轮端输出转速即为复合凸轮3转速，根据链轮组齿数，确定驱动转速

(4)建立链传动的三维模型

基于传动链的空间、几何、动力学参数设定，完成链传动三维模型，其中，通过缠绕链轮生成包含78个链节的链条，链条张力为964.50n。

通过输出链轮的运动特性曲线，验证传动链模型的准确性。在此之前，使用阶跃函数优化主动链轮上的驱动速度，step(time,0.1,0,0.3,300d)+step(time,1.8,0,2,-300d)：以时间为自变量，在2s的工作时间内，0.1s～0.3s内，电机转速由0逐渐升至300；在1.8s～2.0s内，电机转速由300的匀速运行降至0，停止运转。运行链传动仿真，在后处理模块输出驱动、从动链轮的速度曲线如图3所示。其中，实线代表驱动链轮角速度，虚线代表从动链轮角速度，驱动链轮的角速度变化趋势符合前面的阶跃函数设置，从动链轮角速度在电机匀速运行阶段(0.3～1.8内)，围绕180°/s上下呈周期性的小幅波动，满足atc换刀时间要求(2s)，同时反映了链传动由于其自身结构的多边形效应等造成的瞬时传动比不恒定。

(5)将链传动模型引入到未考虑链传动的虚拟样机模型中

前面已经考虑了传动链在虚拟样机中的空间位置，通过在凸轮轴4和从动链轮之间设置约束，可以直接将pro/e中导入的atc虚拟样机和adams建立的传动链模型结合起来。具体方法为将从动链轮与大地的旋转约束改为与凸轮轴4的固定约束。

引入链传动的虚拟样机模型，基于以上建立的虚拟样机模型，如图4所示。通过在求解器模块中设置合理的积分参数等，在后处理面板中输出位移、速度、加速度等运动特性曲线，如图5(a)(b)所示，由运动特性曲线可知，仿真与实验检测的位移曲线在总体趋势一致；加速度曲线方面，引入链传动后的直线行程加速度曲线的仿真趋势更接近于检测结果，仿真和检测的角加速度曲线中，换刀、复位期的修正等速度运动规律趋势不明显主要原因可能是考虑mcv25运动规律等速度区段较小(25％)以及链传动的多边形效应引发的周期性速度变化对结果有影响。

本发明的一种基于adams的考虑链传动的atc虚拟样机动力学建模方法，能更准确的表达引入链传动的复合凸轮式atc实际工作状态，同时避免外部导入模型在转换精度、接触设置上造成的诸多不便，具有一定的工业应用性和指导意义。