基于剛柔耦合立臥式機床模型絲杠振頻分析

宣賀 華青松 張洪信 程聯軍 趙清海 張鑒 張昊 張晨

摘要： 為給具有不同切削特征的高精密立式機床和臥式機床選擇合適的機床，本文以絲杠的振動特性為研究對象，采用有限元和虛擬仿真技術，建立高精密臥式機床和立式機床進給系統剛柔耦合模型，并對立式及臥式機床進給系統絲杠的振動特性進行仿真分析。仿真結果表明，無論是在z軸方向還是在x軸方向上，立式和臥式機床絲杠的位移變化都比較小，說明建立的進給系統模型的精密性較高；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比臥式機床劇烈，說明臥式機床的精度較高，所以在相同條件下應該選擇臥式機床加工零件；無論臥式機床還是立式機床，工作臺在z軸方向的位移變化比在x軸方向的位移變化劇烈。該研究為z軸方向的后期優化提供了理論基礎。

關鍵詞： 高精密機床； 進給系統； 剛柔耦合模型； 絲杠； 切削力

中圖分類號： TG502.14文獻標識碼： A

收稿日期： 20170326； 修回日期： 20170824

基金項目： 國家科技重大專項資助項目（2015ZX04005001）；國家自然科學基金項目資助（51275040， 51575286）；山東省自然科學基金資助項目（2014ZRB01503）

作者簡介： 宣賀（1992），男，河北滄州人，碩士研究生，主要研究方向為車輛動力系統。

通訊作者： 華青松（1975），男，江蘇人，教授，博士，博士生導師，主要研究方向為新型動力傳動系統。Email： 8988596@qq.com隨著我國經濟的不斷發展，機床產業已經成為我國的支柱產業，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比較高，所以必須采用高精密數控機床進行加工和制造[12]。在零件加工過程中，機床零部件會發生變形，所以考慮零件的柔性化，使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。近年來，ADAMS軟件在機床領域是應用最廣泛的動力學仿真軟件，其分析的主要對象為剛體模型，但還未實現直接對滿足變形振動的柔性體模型，需要通過其他軟件實現柔性體建模。HyperMesh軟件是廣泛應用于各個領域的通用有限元分析軟件，具有良好的前后處理界面及高效精確的求解器。目前，高精密數控機床進給系統的研究已成為國際眾多學者研究的熱點問題，但對于橫向、軸向和扭轉3個方向的運動研究比較少。李忠新等人[34]研究了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。因此，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[56]，建立剛柔耦合模型，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，并在一定范圍內比較其精確度，以選擇合適的機床。該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，尤其對高精密機床的仿真模擬具有重要意義。

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[78]模型，進給系統結構模型如圖1所示。建模所

圖1進給系統結構模型需要的基本參數為：絲杠直徑66 mm，絲杠導程10 mm，兩絲杠間的跨距為680 mm，床身尺寸為2 860 mm×875 mm×225 mm，伺服電機型號為Y355L34[4]。

2進給系統剛柔耦合模型的建立

2.1進給系統零部件有限元建模

將所得模型中的絲桿和工作臺的三維模型導入HyperMesh中，定義絲杠和工作臺材料屬性：材料密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為03。添加相應的約束，并對其進行網格劃分，網格劃分是有限元非常重要的環節，網格質量對分析結果的精度會造成很大的影響。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加；同時，網格密度也不能太稀疏，否則無法得到準確的求解精度[914]。本文選擇能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。絲杠和工作臺有限元模型如圖2所示。

圖2絲杠和工作臺有限元模型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1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；第2種是在一些有限元軟件中生成模態中性文件，并導入ADAMS中，這里選擇第2種方法，在HyperMesh中生成絲杠和工作臺的模態中性文件mnf文件[1516]。

2.3進給系統剛柔耦合模型的建立

1）將進給系統的三維建模零件圖導入ADAMS中，在軟件中添加相應約束及驅動，以形成一個完整的仿真系統，進給系統各零部件約束關系如圖3所示。

圖3進給系統各零件約束關系為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合理；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：50，Steps：100仿真，驗證約束的合理性[17]。

2）用以上生成的模態中性文件對剛性體進行替換，對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 time50，Step100進行仿真分析驗證，得到剛柔耦合進給系統模型[18]。

3）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。一是在模型中添加絲杠預緊力，結合本文絲杠的型號：W5012Z576PSSTC3Z20，經查表計算得預緊力為225 N；二是對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225 N；三是對切削力的處理，在高速進給時，切削力的不斷變化對加工穩定性有重要影響。其切削力為

Fx=150026a11ea095pa08fd0-11Z（1）

y和z方向的切削力為

Fy=（030～040）Fx， Fz=（085～095）Fx（2）

式中，ae為銑削寬度，ae=50 mm；ap為銑削深度，ap=3 mm；af為進給量，af=013 mm/rad；d0為銑刀直徑，d0=80 mm；Z為銑刀齒數，Z=12。將以上參數代入式（1）和式（2）中，得Fx=63608 N，Fy=22263 N，Fz=57247 N[4]。

3立式及臥式機床絲杠的運動特性仿真分析

3.1切削力的添加

按照以上步驟，把絲杠和工作臺的模態中性文件導入ADAMS中代替剛性體文件，生成高精密機床進給系統的剛柔耦合模型。在機床進給系統模型中，主要考慮工作臺上的零件在切削力作用下所導致的進給系統的振動，立式機床和臥式機床進給系統主要是因為切削力的方向不同，所以在臥式工作臺上添加y方向上的切削力，力的大小為22263 N，相位為0°，方向沿y方向；在立式工作臺上添加z方向的切削力，力的大小為53639 N，相位為0°，方向沿z方向[10]。

3.2仿真分析

首先對臥式機床進行仿真分析，單擊（仿真）Simulation命令，輸入end time50，Step100進行運動仿真，然后依次單擊（結果、后處理）Rusults和Postprocessor，進入后處理模塊，在“Filter”中選擇body，在“Characteristic”中選擇“Position”，在“Component”中選擇z，得到臥式機床絲杠在柔性體絲杠上沿z方向的位置變化；同理，對立式機床做同樣的操作，得到臥式機床和立式機床絲杠在z方向的位置變化。臥式和立式機床絲桿沿z方向位置變化如圖4所示。由圖4可已看出，在z方向，臥式機床和立式機床工作臺位移變化趨勢大致相同，臥式機床絲杠的位移變化最大值為02 mm，立式機床絲杠的位移變化最大值為023 mm，在機床的工作過程中，立式機床工作臺的位移變化要比臥式機床工作臺的位移變化劇烈。

對臥式機床進行分析，在“Filter”中選擇body，在“Characteristic”中選擇“Position”，在“Component”中選擇x，得到臥式機床進給系統絲杠在柔性絲杠的位置變化；同理，對立式機床進給系統進行同樣操作，得到臥式和立式機床絲杠在x方向的位置變化。臥式和立式機床絲杠沿x方向位置變化如圖5所示。

由圖5可以看出，在x方向上，臥式機床和立式機床工作臺位移變化趨勢差異性比較強，臥式機床絲杠的位移變化最大值為009 mm，立式機床工作臺的位移變化最大值為0112 5 mm，在機床工作過程中，立式機床絲杠的位移變化要比臥式機床絲杠的位移變化劇烈。

圖6臥式和立式機床絲杠沿z方向加速度變化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z，得到臥式機床進給系統絲杠在柔性絲杠的加速度變化；同理，對立式機床進給系統進行同樣的操作，得到臥式和立式機床絲杠沿z方向的加速度變化如圖6所示。由圖6可以看出，在z軸方向上，臥式和立式機床工作臺位移變化趨勢相似，臥式機床絲杠加速度變化最大值為7 000 mm/s2，立式機床工作臺加速度變化最大值5 000 mm/s2，在機床工作過程中，立式機床絲杠的位移變化比臥式機床絲杠的加速度變化劇烈。

4結束語

本文主要對高精密立式和臥式機床進給系統絲杠的振動特性進行研究。研究結果表明，無論是在z方向還是在x方向上，立式和臥式機床絲杠的位移變化較小，說明本文所建立的進給系統模型的精密性較高；針對高精密機床進給系統中絲杠的運動特性，采用ADAMS和HyperMesh軟件，建立了臥式和立式機床進給系統剛柔耦合模型；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，在相同條件下應該選擇臥式機床加工零件；無論是臥式機床還是立式機床，工作臺在z軸方向的位移變化比在x方向的位移變化劇烈，為z方向的后期優化提供了理論基礎。該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。

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