基于Pro/Mechanica的電動刀架上刀體的模態(tài)分析

曾齊高，羅 飛，楊世龍，黃燈生，鄧進華

（1.深圳市龍崗職業(yè)技術學校，廣東深圳 518172；2.深圳技師學院，廣東深圳 518040；3.深圳市華領精密機電有限公司，廣東深圳 518108）

0 引言

從有限元方法（Finite Element Methods）這個名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應用，經(jīng)歷了四十多年的發(fā)展歷史，理論和算法都已經(jīng)日趨完善。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。

Pro/Mechanica是Pro/Engineer的一個模塊，主要包含結(jié)構(gòu)分析和熱力分析兩個次模塊。其中，結(jié)構(gòu)分析模塊進行零件和裝配體的結(jié)構(gòu)分析，包含靜態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、接觸分析、預應力分析及振動分析等；熱力分析模塊進行穩(wěn)態(tài)和溫度分布分析，并可根據(jù)其熱力狀態(tài)進行靈敏度分析和優(yōu)化設計[1-2]。

電動刀架是數(shù)控車床進行自動換刀的實現(xiàn)機構(gòu)，實現(xiàn)刀架上上刀體的轉(zhuǎn)動和刀體的開定位、定位與夾緊的運動，以實現(xiàn)刀具的自動轉(zhuǎn)換。電動刀架采用了由銷盤、內(nèi)端齒、外端齒盤組合成的三端齒定位機構(gòu)，上刀體轉(zhuǎn)位時無需抬起，從而排除了冷卻液及切削對刀架轉(zhuǎn)位時的侵擾。

本文采用Pro/Engineer對數(shù)控車床電動刀架上刀體進行三維建模，利用Pro/Mechanica進行模態(tài)分析，獲得上刀體的固有頻率，從而驗證了上刀體在數(shù)控加工過程中的安全性。

1 電動刀架上刀體的三維建模

本文選用的刀架為LDB4系列電動刀架，由驅(qū)動電動機、三端齒定位機構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動裝置以及上下刀體組成。本文選用該電動刀架的上刀體進行分析，利用Pro/Engineer Wildfire 5.0對其進行三維建模，如圖1所示。

圖1 電動刀架上刀體

2 電動刀架上刀體的模態(tài)分析

文中首先運用Pro/Engineer Wildfire5.0建立3D模型，再用Pro/Mechanica軟件進行FEM分析，求解出固有頻率，具體步驟如圖2所示。

圖2 車刀的有限元分析步驟

2.1 設置材料并指定材料

文中所用的數(shù)控車刀由多個部分組成，每一部分的材料是不一樣的，其中刀粒采用的是WC硬質(zhì)合金材料[5]，其他部分采用鋼材料，其特性參數(shù)如表1所示。

表1 材料特性參數(shù)表

2.2 網(wǎng)格劃分

利用Pro/Mechanica的AutoGEM功能對模型進行網(wǎng)格劃分，得到邊數(shù)5 204，面數(shù)7 139，四面體數(shù)3 043，最小邊角5.03°，最大邊角168.91°，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.3 設置約束

根據(jù)電動刀架在加工過程中的實際情況，刀架底面需固定，所以設置平面約束，刀架在換刀時需要轉(zhuǎn)動，換完刀之后刀架需要銷釘固定，所以設置銷釘約束，所以具體如圖4所示。

2.4 模態(tài)分析計算

由于模態(tài)分析無需加載荷，完成上述步驟即可進行模態(tài)分析，設置模態(tài)分析模式數(shù)為8，分析其不同模式的應力、位移、應變等，具體分析結(jié)果如圖5所示。

如圖6所示，數(shù)控車床電動刀架上刀體的前8種模式的頻率隨著模式的增加頻率依次遞增，頻率數(shù)值在4 471.21～8 586.02 Hz范圍之間，根據(jù)數(shù)控加工的運行情況下，電源的頻率為50 Hz，低速車床主軸轉(zhuǎn)速的頻率在100 Hz（相當于6 000 r/min）以下，電動刀架刀位轉(zhuǎn)換時的電動機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min（頻率相當于23.3 Hz），為而該上刀體的固有頻率遠離上述兩個頻率，所以在數(shù)控加工過程中，發(fā)生共振的幾率較低，所以電動刀架的上刀體在加工過程中的動態(tài)分析運行安全、可靠。

圖4 設置約束

3 結(jié)論

電動刀架作為數(shù)控車床實現(xiàn)刀位轉(zhuǎn)換的重要組成部分，其動態(tài)性能的優(yōu)劣對加工精度的影響至關重要。本文運用Pro/E軟件進行電動刀架上刀體的3D建模，進而利用Pro/Mechanica進行車刀的有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

圖5 模態(tài)分析結(jié)果

（1）數(shù)控車床電動刀架上刀體的前8種模式的頻率隨著模式的增加頻率依次遞增，頻率數(shù)值在4 471.21～8 586.02 Hz范圍之間，而上刀體的固有頻率遠離數(shù)控加工過程中產(chǎn)生的工作頻率，所以在數(shù)控加工過程中，發(fā)生共振的幾率較低，所以電動刀架的上刀體在加工過程中的動態(tài)分析運行安全、可靠。

圖6 不同模式頻率變化圖

（2）在數(shù)控機床的安裝階段，應盡量避免在數(shù)控機床的安裝車間附近出現(xiàn)本文中所分析出來的上刀體的固有頻率，盡量避免引起共振，引發(fā)安全事故。

［1］羅飛，曾齊高，陳恒亮，等.基于Pro/Mechanica的電梯曳引機承重梁的模態(tài)分析［J］.機電工程技術，2014（02）：57-60，101.

［2］二代龍震工作室.Pro/MECHANICA Wildfire 5.0結(jié)構(gòu)/熱力分析［M］.北京：清華大學出版社，2011.

［3］喻步賢.數(shù)控車床的電動刀架故障診斷與維修［J］.機床與液壓，2013（22）：160-162.

［4］曾齊高，羅飛，李積彬.基于MSC.Patran的路燈桿的模態(tài)分析［J］.機電工程技術，2014（05）：106-108.

［5］周蘭，陳少艾.數(shù)控機床故障診斷與維修［M］.北京：人民郵電出版社，2007.