张 毅，吕 淼，刘 鹏，张瑞凯，邓文星
(长治清华机械厂，山西 长治 046000)
摘 要：将某型号数控加工中心换刀机械手结构进行简化，分析换刀机械手的工作原理。应用UG软件建立换刀机械手的三维模型，将模型导入ADAMS软件中，并建立驱动、约束、接触和弹簧，得到换刀机械手的虚拟样机模型。通过仿真得到关于换刀机械手的各项参数。建立参数变量，对换刀机械手中弹簧的刚度系数进行参数化建模。应用ADAMS软件中的DS(设计研究)，对换刀机械手中弹簧的刚度系数进行优化和分析。
关键词：换刀机械手；ADAMS；建模；刚度系数
随着我国制造业的飞速发展，对制造技术的要求越来越高，更加关注制造过程中的安全和高效问题。基于此，安全、高效的五轴数控加工中心大量应用于各个行业中。五轴数控加工中心利用换刀机械手实现刀具的自动转换，这种方法安全高效，所以对换刀机械手的研究就显得尤为重要。
以往对换刀机械手主要是通过建立真实的模型，然后对模型进行研究，得到其各项参数，进而对参数进行分析和优化，最后得出最终的模型。这种方法周期长、成本高。而运用虚拟样机技术对换刀机械手进行仿真，可得到其工作过程中的各种参数，进而优化其结构，得到最优化的各项参数。
本文以某型号数控加工机床中换刀机械手为研究对象，应用动力学仿真软件ADAMS进行仿真，得到关于换刀机械手的各项仿真数据，并且分析不同刚度系数的弹簧对换刀机械手的影响。
ADAMS软件建模能力较弱，对于一些复杂的特征，应用该软件无法完成建模。ADAMS软件与三维建模软件UG有直接的接口，通过该接口可直接将UG软件建立好的模型导入ADAMS软件中，所以本文应用UG软件对换刀机械手进行建模。建立好的模型如图1所示。
图1 换刀机械手三维模型
图1的三维模型中，卡刀轴与换刀臂之间存在一个弹簧，在工作过程中，换刀机械手中轴带动换刀臂旋转，在旋转过程中，刀柄和卡刀轴接触，卡刀轴受力，沿轴的方向运动。当刀柄完全被刀爪抓住时，卡刀轴受到弹簧的力弹起，固定住刀柄，然后刀柄随轴转动至另一侧，从而实现换刀。
通过ADAMS软件Exchange模块导入建立好的换刀机械手三维模型，然后在轴和大地之间建立旋转副；在卡刀轴和换刀臂之间建立平移副；在没有相对运动的零件之间建立固定副。在卡刀轴和刀具之间建立接触，命名为CONTACT_KADAOZHOU_DAOJU；在卡刀轴和换刀臂之间建立弹簧，命名为SPRING_1。为了仿真方便，本文不考虑弹簧的阻尼系数，只考虑弹簧的刚度系数，初始设置的弹簧刚度系数为10 N/mm。最后添加驱动，驱动方程为Function(time)=180.0d*time。建立好的仿真模型如图2所示。
图2 换刀机械手仿真模型
根据建立好的驱动方程，设置END TIME=2 s，Steps=50，运行仿真，得到卡刀轴位移随时间的变化曲线和弹簧受力随时间的变化曲线图分别如图3和图4所示。
图3 卡刀轴位移随时间变化曲线
图4 弹簧受力随时间变化曲线
通过ADAMS软件中的Postprocessor模块对曲线进行分析可知，刀柄和卡刀轴接触前，卡刀轴的位移和弹簧的受力均不会发生变化；当时间T=1.856 6 s时，刀柄和卡刀轴开始接触，卡刀轴的位移和弹簧受力开始发生变化；当时间T=1.910 3 s时，刀柄的位移和弹簧的受力达到最大，最大位移S=148.51-141.53=6.98 (mm)，弹簧最大受力F=71.63 N；换刀机械手继续运动，卡刀轴的位移和弹簧的受力开始变小。
针对换刀机械手中不同刚度系数的弹簧进行分析，利用ADAMS软件中的设计变量(Design Variable)对换刀机械手中的弹簧进行参数化建模，使得弹簧的刚度系数在0～20 N/mm变动。设计变量的设置如图5所示。
图5 设计变量设置
对设计变量DV_spring_stiffness_coefficient进行设计研究，设置其目标等级(Default Levels)为5。通过仿真得到弹簧受力随时间变化曲线如图6所示。
图6 弹簧受力随时间变化曲线
图6中不同曲线代表不同弹簧刚度系数时的弹簧受力曲线。仿真得到的弹簧的最大受力随弹簧刚度系数变化见表1。
表1 弹簧最大受力随弹簧刚度系数变化表
序号弹簧刚度系数/N·mm-1弹簧最大受力/N1002535.4731071.64415107.67520143.05
根据表1中数据可知，随着弹簧刚度系数逐渐变大，弹簧的最大受力逐渐变大，与理论相符。根据设计研究的结果，可以在换刀机械手的设计期间，针对刀柄的质量、材质和卡刀轴的材质等各项因素，来选择合适的弹簧。
通过简化换刀机械手的结构，建立三维模型，导入ADAMS软件中进行仿真，得到了其各项动力学参数，并通过对换刀机械手中的弹簧进行设计研究，对不同刚度系数的弹簧进行了分析。本文提供的方法，缩短了此类产品的研发周期和费用，为今后其他运用弹簧的机构中弹簧刚度系数的选择提供了一定的参考。
参考文献：
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责任编辑 郑练
Dynamics Simulation and Analysis for Tool Changing Manipulator in a Machining Center
ZHANG Yi, LYU Miao, LIU Peng, ZHANG Ruikai, DENG Wenxing
(Changzhi Qinghua Machinery Factory, Changzhi 046000, China)
Abstract：The structure of tool changing manipulator in a machining center is simplified, and the operational principle of tool changing manipulator is analyzed. Using UG software to establish the three-dimensional model of the manipulator, it is imported into the ADAMS to establish a drive, restraint, contact and spring, a virtual prototype model of the manipulator is got. The parameters of the manipulator are obtained by simulation. Parametric modeling of the stiffness coefficient of the spring in the manipulator is established through parameter variable. The stiffness coefficient of the spring in the manipulator is optimized and analyzed by the Design Study in ADAMS.
Key words：tool changing manipulator, ADAMS, modeling, stiffness coefficient
中图分类号：TH 122
文献标志码：A
作者简介：张毅(1989-)，男，硕士，助理工程师，主要从事机械加工工艺等方面的研究。
收稿日期：2017-04-27
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