VMC850B加工中心工作臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

閆宮君

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水741000）

0 引言

在數(shù)控機(jī)床的實(shí)際使用過(guò)程中，數(shù)控機(jī)床的種類(lèi)、生產(chǎn)水平與工業(yè)加工精度反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)與裝備制造業(yè)的發(fā)展水平[1-3]。

為了提升VMC850B加工中心的加工精度與技術(shù)要求，工作臺(tái)在加工過(guò)程中應(yīng)滿(mǎn)足高抗振性、高平穩(wěn)性等要求，本文對(duì)VMC850B加工中心的工作臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以求提升工作臺(tái)的抗振性[4]。同時(shí)，對(duì)工作臺(tái)的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行選型優(yōu)化，使其具有良好的動(dòng)態(tài)特征，避免工作臺(tái)振動(dòng)造成加工精度降低等問(wèn)題。加工中心工作臺(tái)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的形式對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了檢測(cè)，以驗(yàn)證此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性與可行性。

1 工作臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 工作臺(tái)靜態(tài)構(gòu)架有限元分析

在此次優(yōu)化方案設(shè)計(jì)中，需對(duì)工作臺(tái)的靜態(tài)架構(gòu)進(jìn)行有限元分析，在此之前，應(yīng)運(yùn)用SolidWorks三維軟件，對(duì)VMC850B加工中心工作臺(tái)進(jìn)行三維建模，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，通過(guò)ANSYS軟件，對(duì)工作臺(tái)的點(diǎn)、線(xiàn)、面、體展開(kāi)幾何模型構(gòu)建，并對(duì)構(gòu)建結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定模型的節(jié)點(diǎn)與單元，然后完成VMC850B加工中心工作臺(tái)模型的構(gòu)建工作。在此過(guò)程中，使用布爾操作，以便于對(duì)模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改與剔除。在有效元模型構(gòu)建過(guò)程中控制網(wǎng)格劃分密度，使用ANSYS軟件中的默認(rèn)網(wǎng)格控制，生成適用于工作臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果，為保證網(wǎng)格劃分的有效性，應(yīng)進(jìn)行多次反復(fù)劃分，得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。VMC850B工作臺(tái)靜態(tài)架構(gòu)分析簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 VMC850B工作臺(tái)靜態(tài)架構(gòu)分析簡(jiǎn)圖

由圖1可知，在導(dǎo)軌與工作臺(tái)連接處的應(yīng)力最大，過(guò)大的應(yīng)力會(huì)影響工作臺(tái)的疲勞程度和使用壽命，從而間接影響工作臺(tái)的抗振動(dòng)性能。

1.2 阻尼器的添加與應(yīng)用

本文在有限元分析模型的基礎(chǔ)上，對(duì)工作臺(tái)的部分構(gòu)件展開(kāi)優(yōu)化，在部分關(guān)鍵零部件中進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免工作臺(tái)振動(dòng)問(wèn)題的發(fā)生。由于機(jī)床本身存在動(dòng)力源，工作臺(tái)在加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的受迫振動(dòng)和刺激振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)影響工作臺(tái)的使用效果，因此需要在工作臺(tái)中尋找相應(yīng)的共振點(diǎn)，并在此點(diǎn)增加調(diào)諧阻尼器。基于工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在工作頻率范圍內(nèi)完全避免整機(jī)的共振是較為困難的，因此將調(diào)諧阻尼器可簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，使其內(nèi)部具有質(zhì)量較大的阻尼彈簧，通過(guò)此種阻尼器吸收主要振型的振動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)的控制。采用此種控制方式，提升工作臺(tái)的抗振性、平穩(wěn)性以及阻尼特性。將上述分析與設(shè)定結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)有的VMC850B加工中心工作臺(tái)中，以此完成優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定

為驗(yàn)證此研究中完成的VMC850B加工中心工作臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的科學(xué)性，本文構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)其展開(kāi)分析。在此次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用文中優(yōu)化后的工作臺(tái)與其他方法優(yōu)化后的工作臺(tái)進(jìn)行對(duì)比，以此完成分析過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)比較文中優(yōu)化后的工作臺(tái)與使用其他方法優(yōu)化后的工作臺(tái)的使用差異。此次實(shí)驗(yàn)中使用沖擊力錘與激振器作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備。通過(guò)沖擊力錘為工作臺(tái)提供脈沖信號(hào)，驗(yàn)證工作臺(tái)應(yīng)用效果。為提升實(shí)驗(yàn)的對(duì)照性，增加激振器作為第二組實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)工作臺(tái)施加一個(gè)同源信號(hào)，驗(yàn)證兩種環(huán)境下，工作臺(tái)的抗振能力。

從理論上來(lái)講，不論何種實(shí)驗(yàn)方法，只要對(duì)工作臺(tái)施加合適的振動(dòng)，均可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定的差異。因此，在實(shí)驗(yàn)對(duì)象的選擇上會(huì)增加其他指標(biāo)以增加實(shí)驗(yàn)的全面性與代表性。

2.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)選取

在此次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將實(shí)驗(yàn)指標(biāo)設(shè)定為工作臺(tái)振動(dòng)時(shí)間與關(guān)鍵構(gòu)件的位移長(zhǎng)度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中共進(jìn)行500次實(shí)驗(yàn)，每50次為一組，計(jì)算其平均位移長(zhǎng)度與振動(dòng)時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及了大量的數(shù)據(jù)計(jì)算與處理環(huán)節(jié)，注意數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度與末位保留情況。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述設(shè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與驗(yàn)證方式，得到的工作臺(tái)振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，工作臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件位移長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 工作臺(tái)振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用文中設(shè)計(jì)方法優(yōu)化后工作臺(tái)的振動(dòng)時(shí)間最短，且區(qū)間分布較為穩(wěn)定。使用其他兩種方法優(yōu)化后的工作臺(tái)振動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，且區(qū)間不穩(wěn)定。同時(shí)，對(duì)比兩種實(shí)驗(yàn)器具實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在兩種不同工具的影響下，使用文中設(shè)計(jì)方法優(yōu)化后的工作臺(tái)振動(dòng)時(shí)間較為一致，其他兩種方法優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異度較大，可見(jiàn)目前使用的優(yōu)化方法使用效果具有一定的局限性，使用效果不佳。文中設(shè)計(jì)方法可對(duì)多種器具的影響進(jìn)行緩解，提升工作臺(tái)使用過(guò)程中的穩(wěn)定性。

表2 工作臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件位移長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用文中設(shè)計(jì)方法優(yōu)化后的工作臺(tái)的關(guān)鍵構(gòu)件位移距離最短，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定地控制在合理區(qū)間內(nèi)。使用其他兩種方法優(yōu)化后的工作臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件位移距離較遠(yuǎn)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為分散。同時(shí)，對(duì)比兩種實(shí)驗(yàn)器具實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在兩種不同工具的影響下，使用文中設(shè)計(jì)方法優(yōu)化后的工作臺(tái)可對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行合理控制，可避免出現(xiàn)構(gòu)件不良情況。使用傳統(tǒng)方法優(yōu)化后并沒(méi)有對(duì)于工作臺(tái)構(gòu)件移動(dòng)情況展開(kāi)合理的優(yōu)化，可見(jiàn)目前應(yīng)用的優(yōu)化方法對(duì)于工作臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件位置的控制能力較差，不利于數(shù)控機(jī)床的使用。

結(jié)合工作臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件位移長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與工作臺(tái)振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，文中設(shè)計(jì)方法的使用效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法的使用效果，在日后的工作臺(tái)控制中可以選用文中設(shè)計(jì)方法作為工作臺(tái)優(yōu)化的主要方案。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合了目前使用的新興技術(shù)，完成了加工中心工作臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并取得了一定的成果，使工作臺(tái)在外觀(guān)不變的前提下，性能得到進(jìn)一步提升，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了此次優(yōu)化方案的適用性。但是仍有不少問(wèn)題有待進(jìn)一步研究和探討，如進(jìn)一步將調(diào)諧阻尼器技術(shù)應(yīng)用在制造加工中，最大限度地提升工作臺(tái)的使用效果等。