宣　賀，華青松，張洪信,程聯軍，趙清海，張　鑒，張　昊，張　晨

(青島大學 a. 機電工程學院； b. 動力集成及儲能系統工程技術中心，山東 青島　266071)

0　引言

高精密機床的加工在現代社會越來越重要，各種零件的加工和制造都需要高精度、高水平的生產和制造方法，所以對機床性能的要求非常高。無論是在航空技術還是在現代電子工業的發展水平上，對所需的材料和型面要求都非常高，所以必須采用高精密的數控機床進行加工和制造[1-2]。在零件的加工過程中，機床的零部件會發生變形，所以把零件的柔性化考慮進去，使得機床的加工和生產制造更加精確。對機床進給系統的零部件進行多柔化是提高仿真精度的一個重要方向。ADAMS在機床領域得到廣泛的應用，但是還未實現直接對滿足變形振動的柔性體模型，需要通過其他的軟件實現柔性體建模，本論文中所用的柔性體建模軟件為HyperMesh，剛柔耦合建模技術的研究為柔性體振動的仿真運動提供了更加真實可靠的依據，特別是對于高精密機床的仿真模擬具有重大的意義[3-4]。

ADAMS軟件是目前應用最為廣泛的動力學仿真軟件，其分析的主要對象為剛體模型，HyperMesh軟件是廣泛應用于各個領域的通用有限元分析軟件，具有友好的前后處理界面、高效精確的求解器，因此本文結合兩個軟件的優點，應用這兩個軟件建立了立式和臥式高精密機床給進系統，并對其進行動態仿真分析[5-6]。

目前，高精密數控機床進給系統的研究已經成為國際上研究的熱點問題，但對于橫向、軸向、扭轉三個方向的運動研究比較少。李忠新和鄧福銘研究絲杠不同進給速度對工作臺的影響，但是沒有對位移和加速度進行研究[7-8]。

本文以高精密數控機床進給系統為研究對象，采用HyperMesh和ADAMS軟件建立多柔體模型，然后分別研究高精密立式和臥式機床進給系統絲杠的振動特性，在一定范圍內比較其精確度，以選擇合適的機床。圖1為立式機床和臥式機床實物圖。

圖1　為立式機床和臥式機床實物圖

1　進給系統三維模型的建立

利用三維建模軟件SolidWorks建立高精密機床進給系統模型，模型簡圖如圖2所示。建模所需要的基本參數為：絲杠直徑為66mm，絲桿導程為為10mm，兩絲杠間的跨距為680mm，床身的尺寸為2860mm×875mm×225mm，伺服電機型號為Y355L3-4[9]。

1.工作臺 2.從動平臺 3.絲杠 4.軸承座 5.底座 6.伺服電機 7.導軌 A.移動副 B1、B2.旋轉副C.螺旋副

圖2進給系統結構模型簡圖

2　進給系統多柔體模型的建立

2.1　進給系統零部件有限元建模

將所得模型的三維模型導出到HyperMesh中，定義各零部件的材料屬性：把材料的密度設置為7800kg/m3，把彈性模量設置為210GPa，把泊松比設置為為0.3。然后添加相應的約束，并對其進行網格劃分，網格劃分是有限元相當重要的環節，網格質量會對分析結果的精度造成很大的影響。劃分網格時要注意網格的密度，不能太稠密，否則會導致計算量不斷增增加；同時網格密度不能太稀疏，否則無法得到準確的求解精度。本文選擇能夠很好適應邊界條件的尺寸為20的四面體網格，得到各零部件的柔性體模型[10-14]。圖3為絲杠和工作臺的有限元模型。

圖3　絲杠和工作臺的有限元模型

2.2　模態中性文件的生成

ADAMS中存在兩種方法建立柔性體。第一種是ADAMS軟件里有自動柔性化功能，利用這一功能將剛性體轉換為柔性體；另一種是在一些有限元軟件中生成模態中性文件，接著導入到ADAMS中。在這里選擇的是第二種方法。在HyperMesh中生成絲杠和工作臺的模態中性文件mnf文件[15-16]。

2.3　進給系統多柔體模型的建立

(1)將進給系統的三維建模零件圖導進ADAMS中去，在軟件中添加相應約束，添加驅動，以形成一個完整的仿真系統，各零部件的約束關系見圖4。

圖4　進給系統零件間約束關系示意圖

(2)為了驗證各運動副添加的合理性，對其進行仿真。若能合理運動，則說明運動副的添加是合理的；若不能運動，則對運動副進行修改，找出其中錯誤的地方，然后在“Simulation”選項中選擇“設置”，輸入End time:5.0，Steps:100仿真，驗證約束的合理性[17]。

(3)將上述的生成的進給系統絲桿和工作臺的模態中性文件對剛性體進行替換，對于不符合要求的零部件進行調整，然后在“Simulation”選項中選擇“設置”，輸入End time5.0，Step100進行仿真分析驗證。得到剛柔耦合進給系統模型[18]。

(4)在模擬仿真時需考慮實際環境中的阻力對進給系統的影響。第一，模型中添加絲杠預緊力，結合本文絲桿的型號：W5012Z-576PSST-C3Z20，經查表計算得預緊力大小為225N；第二，模型中摩擦力的處理，摩擦力是影響加工中心的一個重要因素，低速進給時易使橫梁產生跟隨誤差，為了分析加工狀態，在模型中需添加一個與預緊力大小一致的摩擦力，即225N；第三，切削力處理，在高速進給時，切削力的不斷變化對加工穩定性有重要的影響，切削力計算公式為：

(1)

x、z方向的切削力計算為：

Fx=(0.30～0.40)Fx

(2)

Fz=(0.85～0.95)Fx

(3)

利用式(1)～式(3)計算切削力時所需的參數為：銑削寬度ae=50mm，銑削深度ap=3mm，af=0.13mm/Z，銑刀直徑d0=80mm，銑刀齒數Z=12，將上述參數代入式(1)～式(3)可得Fy=636.08N，Fx=222.63N，Fz=572.47N[19]。

3　立式及臥式機床絲杠的振動仿真分析

3.1　定義輸入、輸出通道

高精密機床在工作時，進給系統的絲杠肯定會出現不同程度的振動。所以在ADAMS中定義其輸入通道、輸出通道和激振力。

輸入通道：定義兩個輸入通道，在進給系統模型中，主要考慮工作臺上的零部件在切削力的作用下所導致的進給系統的振動，所以在工作臺的y方向上添加激勵力，力的大小為636.08N，相位為0°、方向沿y軸，為臥式機床；在z方向上添加激勵力，力的大小為572.47N，相位為0°,方向沿z軸，為立式機床。

輸出通道：絲杠的振動是影響加工精度的一個至關重要的因素，所以輸出通道選擇絲杠上的中點，以便更加細致入微的觀察，故對絲桿中點定義的輸出通道為x方向[20]。

3.2　仿真分析

首先對臥式機床進行仿真分析，運行ADAMS/Vibration模塊，點擊Test，然后點擊Vibration Analysis，對進給系統振動模型進行分析，設置Begin為1，End為100，Steps為100，點擊OK，進行振動仿真分析[17-18]。進入后處理模塊(PostProcessor)，選擇Frequency Response，然后選擇Magnitude，點擊Add Curves，得到臥式機床絲杠中點的副頻特性曲線。同理，對立式機床絲杠做同樣的操作，得到立式機床絲杠中點的副頻特性曲線。圖5是臥式機床和立式機床絲杠中點副頻特性曲線。

圖5　臥式機床和立式機床絲杠中點副頻特性曲線

由圖5可知，在x方向上，臥式機床和立式機床的副頻變化趨勢大致相同，臥式機床絲桿位移變化的最大值約為6μm，立式機床絲杠位移變化的最大值約為8μm，臥式機床比立式機床的振動幅度要大。

清除前面的圖形，進入后處理模塊(PostProcessor)，選擇Frequency Response，然后選擇Phase，點擊Add Curves，得到臥式機床絲杠中點的相頻特性曲線。同理，對立式機床絲杠中點做同樣的操作，得到立式機床絲杠中點的相頻特性曲線。圖6是臥式機床和立式機床的相頻特性曲線圖。

圖6　臥式機床和立式機床相頻特性曲線

由圖6可知，在x方向上，臥式機床和立式機床的相頻變化趨勢大致相同，臥式機床絲桿相位變化最大值約為0.5°，立式機床絲杠相位變化的最大值約為0.75°，臥式機床比立式機床的相位變化要大。

對臥式機床進行分析，在“Filter”中選擇body，在“Characteristic”中選擇“Acceleration”,在“Component”中選擇x，得到臥式機床進給系統絲桿中點的加速度變化；同理，對立式機床進給系統進行同樣的操作，得到立式機床絲杠在x方向上的的加速度變化。如圖7所示。

圖7　臥式機床和立式機床絲桿加速度變化圖

由圖7可知，在x方向上，臥式機床和立式機床絲杠振動的加速度變化趨勢有一定差異，從整體來分析，臥式機床振動的加速度比立式機床振動的加速度要劇烈。

4　結論

(1)由上圖可以看出，臥式機床和立式機床絲杠的振動幅度變化十分微小，說明本文中所建立的進給系統的精確性是非常高的。

(2)針對高精密機床進給系統中絲杠的振動特性，采用ADAMS和HyperMesh軟件建立了臥式和立式機床進給系統多柔體模型。

(3)在本文所添加的材料屬性和切削力的條件下，立式機床工作臺運動特性要比臥式機床劇烈，所以臥式機床的精度要高，在本條件下應該選擇臥式機床加工零件。

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(編輯李秀敏)