基于ANSYS Workbench的DVG850工作臺系統的模態分析及優化

弋江淼，高東強，張 菲，林 歡

（陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

0 引言

工作臺系統是DVG850高速立式加工中心的重要基礎件，絲杠又是工作臺系統的重要組成部分，它們的動態特性直接影響機床的加工精度，而傳統的解析計算方法無法完成精確全面的計算和分析，因此需對工作臺系統進行動力學研究[1]。本文采用ANSYS Workbench對 DVG850工作臺系統的固有振動特性進行分析并對其優化設計[2]。

1 單絲杠工作臺系統有限元分析

1.1 單絲杠工作臺系統建模

對模型進行簡化。在SolidWorks中得到如圖1所示的實體建模裝配圖。

圖1 單絲杠工作臺系統裝配圖

1.2 單絲杠工作臺系統的模態分析

注意忽略系統阻尼對其自身振動特性的影響，不考慮任何施加的力載荷，對材料的密度進行定義。通過對模型添加材料信息、接觸設置和位移約束等步驟完成建模[3]。

對其進行自由模態求解分析，提取其前5階模態數據如表1所示。

表1 單絲杠工作臺系統的模態頻率與振型描述

由此可知，單絲杠工作臺系統中絲杠變形較大，將影響加工中心的質量。因此，需對工作臺系統進行結構改進，提高其剛度和固有頻率。

2 雙絲杠工作臺系統有限元分析

單絲杠工作臺系統因驅動力和工件受力點隨加工軌跡變化而受到扭矩，影響其性能。若在工作臺上對稱地安裝兩套滾珠絲杠，使驅動力合力和系統重心盡量接近，就會解決這個問題[4]。因此，以提高系統的固有頻率為目標，提出雙絲杠傳動思想。

2.1 關鍵設計參數的確定

考慮到整個機床和工作臺的尺寸，采用絲杠和導軌的位置作為優化設計參數來建立雙絲杠工作臺系統的模型，并給出四種優化方案：絲杠置于導軌內，兩根絲杠之間的距離分別為310mm和460mm；絲杠置于導軌外部，兩根絲杠之間的距離分別為510mm和610mm[5]。在SolidWorks中的實體建模，如圖2所示。

圖2 雙絲杠傳動工作臺裝備圖

2.2 雙絲杠傳動工作臺的模態分析

經過建模和分析，雙絲杠工作臺系統四種方案的前5階模態數據見表2和表3。

由兩表可得，絲杠置于導軌內部時，系統的固有頻率較高。表2中兩種位置關系的振型描述基本相同，但相對而言，兩絲杠間距離為310mm時工作臺的固有頻率更高，為最優結果。

3 單絲杠和雙絲杠工作臺系統比較

將優化后結果（絲杠放置于導軌內部且兩根絲杠距離為310mm的雙絲杠工作臺系統）頻率和單絲杠工作臺系統頻率做比較（如表1和表2所示），可知優化后的頻率明顯提高，其中第4階提高了46.87%。

4 結束語

通過ANSYS Workbench分析單絲杠和雙絲杠工作臺系統的固有振動特性，得出雙絲杠工作臺系統的固有頻率明顯高于單絲杠工作臺系統。得知絲杠頻率可以避免由于其他同頻干擾或激振造成絲杠的共振，對于整個工作臺以至機床系統的設計和后續的分析校核都具有重要意義。通過有限元軟件進行模態分析，使分析設計跨入一個新時代[6]。

表2 絲杠置于導軌內部時工作臺系統的模態頻率與振型描述

表3 絲杠置于導軌外部時工作臺系統的模態頻率與振型描述

[1] 傅中裕, 楊曉京. ANSYS的絲杠模態分析[J]. 機械制造與研究, 2004.

[2] 李兵, 何正嘉, 陳雪峰. ANSYSWorkbench設計, 仿真與優化[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008.

[3] 李寧, 劉超峰, 張功學, 等. 高速立式加工中心主軸箱有限元分析及結構改進[J]. 煤礦機械, 2011(1): 180-182.

[4] 胡于進, 王璋奇. 有限元分析與應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2009.

[5] 張良. 高性能數控機床主軸部件動態分析與實驗[D]. 重慶: 重慶大學, 2007.

[6] 高東強, 毛志云, 張功學, 等. DVG850工作臺靜, 動態特性分析及結構改進[J]. 機械設計與制造, 2011(3), 146-147.