基于ANSYS的加工中心動靜態(tài)特性分析

龐曉琛 郭紅

摘 要： 機床動靜態(tài)特性是影響高速高精度機床性能的重要因素， 將直接影響機床的最后加工性能， 是高性能機床評定的重要指標。應(yīng)用有限元軟件對VDL-1000加工中心進行動靜態(tài)特性分析，指出了影響加工精度的主要因素，并提出了改進方案，為加工中心的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 加工中心； 有限元分析； 模態(tài)分析； 結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號： TG 502；TH 114 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2017）03-0095-04

0 引 言

機床的動靜態(tài)特性研究對機床的加工精度及精度穩(wěn)定性的影響具有重要的指導(dǎo)意義，其中對機床大件和整體的研究在近階段也是機床研究的重點。本文在對典型結(jié)構(gòu)的加工中心整機結(jié)構(gòu)特點研究的基礎(chǔ)上，利用有限元法對其進行動靜態(tài)分析，為改進加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了經(jīng)驗和依據(jù)。

1 整機有限元模型建立

選用國內(nèi)某機床廠的VDL-1000型機床進行分析，其主要參數(shù)如表1所示。

VDL-1000整機主要由主軸箱、立柱、床身、拖板、工作臺五大件組成。床身在下方，立柱部件安裝在其右上方，拖板安裝在其左上方，又有工作臺安裝在拖板上，主軸箱安裝在立柱左側(cè)面。工作時，主運動由主軸轉(zhuǎn)動帶動刀具進行切削工件，主軸箱帶動刀具沿立柱Z方向運動，工作臺帶動工件在X方向平動，拖板帶動工作臺沿Y方向平動。由于主軸箱的位置對整機的性能影響很大，當(dāng)它位于立柱頂部時工況最危險，所以選擇此位置作分析。拖板與工作臺的影響不大，則選擇其工作零點位置作分析。

VDL-1000的進給伺服電機安裝在相對固定的部件上。拖板的驅(qū)動電機安裝在床身頂面、前后導(dǎo)軌間，緊靠立柱的兩凸臺上；工作臺的驅(qū)動電機安裝在拖板前端、左右導(dǎo)軌間的兩凸臺上，主軸箱的驅(qū)動電機安裝在主軸箱底部外伸圓管結(jié)構(gòu)上，鑲嵌于立柱導(dǎo)軌間。主電機安裝在主軸箱頭部，直接驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)。主軸箱的移動（Z軸）通過立柱箱形腔中中央導(dǎo)引設(shè)計的平衡錘裝置，補償靜力變形，確保高速移動時主軸箱Z軸方向的運動精度。

VDL-1000采用加寬加長床鞍，床身導(dǎo)軌與立柱基體均采用“八”字頂支撐，立柱為箱形腔立柱，主軸箱頭部為矩形，內(nèi)有用于安裝主軸的薄壁圓管，底部另有外伸圓管結(jié)構(gòu)用于主軸電機的安裝，鑲嵌在立柱導(dǎo)軌間。除工作臺外均采用閉式結(jié)構(gòu)，立柱采用邊緣式縱橫垂直加強筋，主軸箱采用空間“十”字筋，工作臺采用縱橫“T”形筋，拖板與床身采用縱橫垂直加強筋。

1.1 建立有限元模型

本文在ANSYS采用自底向上的方法建立幾何模型。在建模時，忽略了一些對結(jié)果影響較小的結(jié)構(gòu)，如電機、工件等。各大件的位置在最大工作載荷的情況下：工作臺位于導(dǎo)軌正中，主軸箱正下方，主軸箱位于立柱最高處。

機床主軸箱、立柱、床身、拖板、工作臺的材料均為鑄鐵HT250，密度7.8×10-9 t/mm3，彈性模量為1.5×105 MPa，泊松比為0.26。

1.2 整機的單元選取和網(wǎng)格劃分

單元選取：本文機床大件屬箱體類零件，均由薄壁圍成空腔，其主要變形為彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，板壁主要承受彎矩和扭矩，還有剪力以及與其垂直的作用力，形成由拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)組成的復(fù)合應(yīng)力。板壁的厚度與其長、寬尺寸相比要小很多，符合克希霍夫板殼理論的假設(shè)。因此，板壁單元選用Shell 43單元，實體單元選用Solid 45單元。

網(wǎng)格劃分：安裝部、床身與立柱的連接處、立柱與主軸箱的連接處以及主軸體和工作臺的加載點附近應(yīng)力較為集中，所以對這些區(qū)域進行網(wǎng)格細化，其余單元均采用自由網(wǎng)格。最后得到整機67 928個單元，其中Shell單元數(shù)65 975個，Solid單元數(shù)1 953個，共66 318個節(jié)點。

1.3 整機大件間的連接處理

整機五大件中，床身與拖板、拖板與工作臺、立柱與主軸箱之間都為導(dǎo)軌配合，床身與立柱之間為螺栓連接。

本文認為大件間總保持面接觸，所以采用配合面或接觸面間的節(jié)點自由度耦合，能夠較好的模擬工況。整機有限元模型如圖1所示。

1.4 約束和加載

約束：床身底孔加全約束。

加載：主軸箱主軸孔下端中心施加額定切削力6000 N，工作臺中心施加反向載荷。

2 靜態(tài)特性分析

由于主軸箱位于立柱最高端，疊加了立柱的變形，所以加工中心X，Y，Z方向變形峰值均位于主軸箱體加載點附近，所以在主軸頭部變形達到最大，整體位移如圖2所示。

整體位移變情況是床身與拖板、工作臺位移最小，立柱的位移較大，主軸箱的位移最大。主軸箱的最大位移也就是整機最大的位移。說明立柱與主軸箱的變形是整機變形的焦點，要減小整機變形提高整機剛度，首先應(yīng)從立柱與主軸箱著手。

靜力分析結(jié)果如表2所示。表2中，i為方向，三方向（X，Y，Z方向）與機床坐標系一致，Si為最大位移，機床靜剛度值Ki=F/Si。

由結(jié)果可知：機床X方向靜剛度較強，Y和Z方向靜剛度較弱。這主要是由床身和立柱的結(jié)構(gòu)決定的。

3 動態(tài)特性分析

機床動力學(xué)特性是影響機床性能的重要因素， 將直接影響機床最后的加工性能， 是評定機床性能的重要指標。因此， 對機床的主軸系統(tǒng)及其整機的動靜態(tài)特性的分析研究就顯得尤為重要。本文利用Block Lanczos法對整機的結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析，并提取了前幾階模態(tài)。提取的幾階固有頻率范圍均超出主軸回轉(zhuǎn)頻率范圍兩倍以上，足以描述其動態(tài)性能。整機振型有四階在主軸回轉(zhuǎn)范圍之內(nèi)（回轉(zhuǎn)頻率為133Hz）。要考慮在機床的總體結(jié)構(gòu)以及傳動系統(tǒng)方案設(shè)計中，使機床工作頻率避開這一區(qū)域，避免共振。過載運行時主軸回轉(zhuǎn)頻率有可能達到五階固有頻率，也要予以關(guān)注。

整機模態(tài)分析主要分析了整機的振動類型和頻率，還分析了五大件（主軸箱、立柱、床身、拖板、工作臺）對振動的貢獻。重點分析了兩個加載點的最大振幅的大小和方向。一個是主軸加載點，一個是工作臺加載點，這是因為加工中心工作時影響加工精度的主要振動就是在這兩個地方，其他地方的振動對加工精度的影響相對較小。

整機的模態(tài)分析結(jié)果如表3所示；主要振型圖如圖3所示。

由計算結(jié)果并配合靈敏度分析、薄弱環(huán)節(jié)識別程序及動畫顯示， 綜合分析可知：

（1）整機的主要振型有YOZ面內(nèi)的搖晃振型、XOZ面內(nèi)的搖晃振型、YOZ面內(nèi)的彎曲振型、XOZ面內(nèi)的彎曲振型。

（2）其中YOZ面內(nèi)的彎曲振型由于幾個大件的綜合作用，對加工精度的影響較大。

（3）五個大件中，立柱和主軸箱的振動對加工精度影響較大。

4 結(jié) 論

通過分析整機的前幾階固有頻率與低階振型，以及由此引起的導(dǎo)軌振動。整機的基頻為彎曲固有頻率，整機的前四階頻率未超過主軸的回轉(zhuǎn)頻率，建議盡量使機床工作頻率避開這一區(qū)域，避免共振。過載運行時主軸回轉(zhuǎn)頻率有可能達到五階固有頻率，也要予以注意回避。

整機的前三階振型中，振動的主體均為立柱與主軸箱，隨著固有頻率的提高，拖板與床身結(jié)構(gòu)對整機的影響越來越大，達到一定值時，工作臺也能成為整機振動的主體，因此改進結(jié)構(gòu)提高整機的固有頻率，應(yīng)首先從立柱與主軸箱著手，同時也要考慮床身與拖板的結(jié)構(gòu)，并兼顧工作臺的結(jié)構(gòu)。其側(cè)圍結(jié)構(gòu)對整機的固有頻率與振型影響較大，嚴重削弱了整機的動態(tài)性能，必須予以改進。

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（責(zé)任編輯：徐興華）