【2017年整理】模态与谐响应分析之三数控机床动态特性优化.doc

数控机床动态特性优化 ??发布日期：2014-04-29????来源：《金属加工世界》??浏览次数：66? ? ? ?摘 要：考虑了滚动结合面和主要固定结合面的影响，对机床进行模态分析和谐响应分析，找出了其薄弱模态；通过分析可知改变各结合面刚度对整机动态特性的影响，识别出对整机动态特性影响较大的结合面，并对这些结合面刚度值进行优化，提高了整机的动态特性。 随着数控机床向高速、精密及复合化方向的发展，要求机床具有较好的抵抗切削颤振的性能，因此，对机床的动态性能提出了越来越高的要求。建立机床结构准确的动力学模型，研究其动态特性，对于了解机床的薄弱环节、进行结构优化、提高机床的加工精度和稳定性具有重要意义。? ? ? ?机床是由多个零部件组成的复杂组合结构，各零部件之间结合部对动态性能的影响很大。许多研究表明，机床上出现的振动问题有60%以上是源自结合面，机床的静刚度中30%～50%决定于结合面的刚度特性，其阻尼值的90%以上来源于结合面的阻尼。因此建立考虑结合面的机床动力学模型，对于准确预测机床的动态性能具有重要意义。????????机床整机特性预测的分析方法主要有3种：集中参数法、均质梁法、有限元法。其中前两种方法在建模时机床结构过于简化，计算精度低；有限元法计算量大，但计算结果精确，目前已成为主要分析方法。在考虑结合面参数的机床整机建模中，日本学者吉村允孝建立了双柱立式车床的分布质量梁动力学模型，识别了20个结合面，其中2个为导轨结合面，其余为固定结合面。由于考虑了结合面特性，因而计算所得结果比较接近实验值。国内西安理工大学的黄玉美、张广鹏等比较系统地研究了考虑结合面特性的机床动力学建模方法，他们基于结合面基础特性参数，研究了机床导轨结合部特性的建模方法，并将其用于机床整机特性分析的有限元模型中，由于同时考虑了固定结合面和导轨结合面的影响，分析结果与实验值较接近。中国石油大学的赵宏林等从理论上推导出各种结合部的建模融入方法，并应用在XK712B立式镗铣床的建模计算中，得到了比较准确的计算结果。王学林、覃文洁、张耀满等也分别建立了考虑结合面的整机动力学模型。由于上述研究都没有考虑丝杠和轴承结合面轴向刚度的影响，因此对各轴轴向振动的预测还欠精确。1?有限元模型的建立? ? ? ?1.1?几何模型建立???????文中研究的机床为高速加工中心，主轴最大转速可达24000r/min，该型机床主要由床身、墙体、工作台、十字滑座、滑枕、电主轴组成，十字滑座带动滑枕和电主轴左右方向（x向）运动，滑枕带动电主轴可在竖直方向（y向）运动，工作台相对于床身做前后方向（z向）运动。???????由于机床结构非常复杂，因此在CAD软件中建立其几何模型，然后将其导入Hypermesh中进行网格划分，最后将划分好的网格模型导入ANSYA中进行前处理。在建立几何模型时，为提高网格划分质量，节省计算资源，可对结构作以下简化：? ? （1）对于结构中比较大的孔洞，在模型中仍然保留，若孔的尺寸较小或处于边缘的工艺小孔及螺栓孔等可在模型中略去。? ? （2）结构中的倒角、倒圆在模型中均作直线化处理。? ? （3）结构中的一些影响单元质量的局部特征可做适当简化处理。??????整个机床的实体部分采用实体单元Solid45模拟，丝杠采用Beam188单元模拟，结合面单元采用ANSYS中的用户自定义单元Matrix27模拟。由于Beam188单元有6个自由度，Matrix27单元虽然也有6个自由度，但是在处理结合面单元时，只代入了其3个方向的移动自由度，所以为保证单元在连接节点处自由度协调，需要在Beam188单元与Matrix27单元连接节点处建立约束方程。整个模型划分了179723个实体单元，90个Beam188单元。 ?? ? ? ?1.2?有限元模型中结合面的等效???????当将相互连接的两个子结构看成是柔性连接，在受到外力激励时该结合的两个子结构之间发生相对运动。两个子结构通过结合面连接起来，结合面的柔性即表现为粘弹特性，故可用弹簧阻尼单元等效。结合部解析时，只能用有限个点代替实际的结合点来描述结合部的静动态特性，将这有限个能描述结合部特性的点称为等效结合点。找到结合部的等效结合点后，用弹簧阻尼单元代替实际结合点，则结合面即表现为粘弹特性。????????该机床共有两种结合面：固定结合面、滚动结合面。固定结合面根据等效结合点概念可以由结合面的面积和螺栓的型号、数目确定结合部等效结合点的数目。网格划分时在等效结合点位置处生成节点，只需要连接对应的两个节点便可以生成一个Matrix27弹簧阻尼单元。而Matrix27弹簧阻尼单元需要输入的参数即为每个结合面单元的等效刚度阻尼值。根据前苏联学者И.И.Боóарыкоь的结合面