评价机床设计的建模方法大学.doc

评价机床设计的建模方法 Daisuke Kono a, Thomas Lorenzer b, Sascha Weikert c, Konrad Wegener c a. 系微工程，工程研究生院，左京区吉田本町，京都大学，京都606-8501，日本 b. INSPIRE公司，Tannenstrasse3，8092，苏黎世，瑞士 c. 研究所为机床和制造（IWF），Tannenstrasse3，8092，苏黎世，瑞士苏黎世联邦理工学院。 文章信息 文章历史： 本文接收于2009年2月12日 修订于2009年6月8日 公布于2009年9月16日 网上公布于2009年9月23日 [关键词] 刚体模拟；有限元法；模态分析；机床设计 [摘要] 为了评估机床的配置，IWF轴构建工具包（ACK）已经研制成功。本文介绍了对这种方法的评价。ACK的支持刚体模拟和简单的弹性体模拟。ACK被比作商业有限元软件，以探讨其实用性和可靠性。ACK需要有限元分析所需的总时间的30％，因为它在机建模的模块化。然后，以探讨两种方法的ACK，静态和动态模拟的可靠性进行了相互之间的比较以及与基础梁的模型分析计算。结果表明，ACK与有限元方法提供了相同的结果。静态和动态模拟也比作在实际机床上的测量。 ACK与有限元取得了几乎相同的结果。几乎所有较低的结构模式的形状和其本来参数可以用ACK制造出，当它的的关键零部件采用弹性体建模。 ?2009爱思唯尔公司保留所有权利。1．介绍 最近，机床的动态误差如是在高精密加工的关键问题之一。由于机器的动态特性，极大地影响机器配置，配置应该很早就在设计阶段进行评估。然而，只有少数厂家使用评估工具来检查配置的变异。出于这个原因，缺乏一个可靠的和轻松的仿真软件可以说明。机床仿真方法可以大致可分为两类：一类是有限元法（FEM）和另一种是刚性的多体模拟（MBS）[1]。 在工业用途中，有限元法被流行和广泛使用。几项研究已经开展，应用有限元造型的组合机床零部件。zaeh和Oertli已开发为滚珠丝杠副的驱动器之间的自由[2]的轴向和扭转度的交叉耦合模型。 altintas和Cao已开发了用有限元模型主轴组成的非线性模型的轴和轴承[3,4]。通过有限元方法，可以得到可靠的结果。此外，有限元方法是在设计过程中非常有用，因为许多有限元分析软件包拥有三维CAD系统非常有用的接口。 然而，有限元方法需要大量的计算工作来组装一台组合机床，因为它有很多自由度（nDOF）。在商业软件中组装部件之间的耦合设置，往往不切合实际的代表导轨或滚珠丝杠，并且详细的建模需要在一定的水平，以避免元件之间的干扰。机器为了减少自由度，已分为子或模块，这些模块被比作耦合边界条件[5-8]。此外，在模拟定位系统柔性铰链中，铰链作为一个简单的梁单元目的是为了减少自由度[9]。 与有限元分析相比，多自由度可以被显注降低当使用MBS时。特别是在早期的设计阶段，，获得快速和粗糙的机器运动刚性的多体模拟是一个合适的工具[1]。 teeuwsen等人通过刚性的多体模拟开发的CMM运动误差模型[10]。在时域和模态特性的刀具运动已经由MBS甚至模拟机床[11,12]。近年来，刚性的多体模拟已用于实时仿真运动的误差分析[13]。MBS和有限元相结合，以获得更可靠的动态分析结果[14]。虽然这些研究显示了刚性的多体模拟的优势，但是只有很少一部分实用的软件包重点应用于组合机床的发展。 可以看到在使用有限元，三维CAD软件与商业的刚性的多体模拟软件的组合被用于分析并联机床的运动[15]。这种方法是可行的。然而，商业套装软件通常需要更多的努力来模拟特定的机器，因为他们设计的对象是大众化的。 为了评估机床的配置，轴构建工具包（ACK）已创立了IWF（苏黎世联邦理工学院，机床及制造研究所）[16]。通过由许多弹簧组成一个简单的模型在很短的时间内，可以得到基本的机器性能。该模型很容易被用模块组成机械部件。ACK不仅能处理刚性的多体模拟，而且也能处理简单的弹性体模拟。静态和动态分析也可以进行。 在这篇文章中，ACK被比喻成商业的有限元软件来说明其可靠性和可用性。首先，对机床建模所需的时间进行了比较。然后，简支梁这两种方法来建模。所获得的结果相互比较并分析计算来调查弹性体模拟的ACK的可靠性。最后，现有的机器已被模块化，并把静态和动态的性能比作真机上的测量值。弹性体模拟的影响是有价值的。2．三个轴机床的建模 2.1模拟对象 图1 机器的外观如图 由ACK和有限元建模的高精密机床。如图1所示，本机已发展为整形/开槽在XY平面上通过一个单一的金刚石刀具。它被安装在一个减振台上以避免在Z方向的振动。这台机器有三个轴。每个驱动系统采用精密滚珠丝杠和伺服电机。 X轴采用气体静压导轨。在Y轴和Z轴采用