能量平衡原理下數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化研究

李濤

[摘 ? ?要]數(shù)控機(jī)床在工業(yè)中占有重要地位。機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性是影響機(jī)床狀態(tài)的主要因素。利用PRO/E建立了五軸數(shù)控機(jī)床的三維模型。將該模型導(dǎo)入ANSYS軟件，對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析;通過(guò)模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，得到了機(jī)床的前六階固有頻率和振動(dòng)模態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元分析模型的準(zhǔn)確性。最后提出了機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化建議。

[關(guān)鍵詞]能量平衡;數(shù)控機(jī)床;優(yōu)化;研究

[中圖分類(lèi)號(hào)]TG659 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]The CNC machine tool plays an important position in the industry. The dynamic characteristic of the machine tool is the main factor affecting the machine tool state. In this paper， a three-dimensional model of a five-axis CNC machine tool is established by PRO/E. Firstly， the model is introduced into ANSYS software to analyze the dynamic characteristics of the modal analysis， the natural frequency and vibration modes are obtained. The experimental results validate the accuracy of the finite element analysis model. Finally， the optimization proposal of the machine tool structure is put forward.

[Keywords]energy balance; CNC machine tool; optimization; research

機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性由其質(zhì)量、剛度和阻尼決定。準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)零部件的動(dòng)態(tài)參數(shù)，可以為機(jī)床的動(dòng)態(tài)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的分析也有助于在一定的裝配工藝和條件下對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的改善。

1 數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性

目前對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)研究主要集中在以下幾個(gè)方面：關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)特性分析、大型結(jié)構(gòu)的有限元分析、伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析。在上述方面，對(duì)質(zhì)量大、形狀復(fù)雜的床身、立柱等大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)提高機(jī)床的性?xún)r(jià)比具有重要意義。國(guó)際上曾提出結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化的目標(biāo)是增加剛度和降低加速度柔度。從提高靜剛度和減輕質(zhì)量的角度對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一種基于靈敏度分析的結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)方法。對(duì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的研究，通常是通過(guò)ANSYS、ABQUES等分析軟件對(duì)機(jī)床的三維模型進(jìn)行仿真，通過(guò)靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、模態(tài)分析，分析薄弱環(huán)節(jié)，找出問(wèn)題所在，并提出了優(yōu)化方案。

2 機(jī)床的有限元建模與分析

2.1 機(jī)器建模

建立了五軸數(shù)控機(jī)床的三維模型，包括床身、滑塊、工作臺(tái)、立柱、上導(dǎo)軌、AB擺頭、主軸箱等部件。為了簡(jiǎn)化模型，忽略了圓角、孔、倒角、螺紋孔等特征。機(jī)床模型如圖1所示。

2.2 嚙合

將機(jī)床模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，選擇軟件自帶的自動(dòng)嚙合。整臺(tái)機(jī)器是用Solid92單位自動(dòng)劃分的。在選材方面，可以根據(jù)不同部位設(shè)置不同的材料，如HT250、HT300、QT500等，這里不需要仔細(xì)劃分，統(tǒng)一采用密度為7 300 kg/m3，泊松比為0.23，楊氏模量為210 GPa的材料。經(jīng)過(guò)多次網(wǎng)格劃分實(shí)驗(yàn)，將單元尺寸設(shè)置為50 mm，共劃分了510 231個(gè)節(jié)點(diǎn)和279 187個(gè)網(wǎng)格。嚙合如圖2所示。

2.3 表面處理

橫梁、柱、滑道、螺母和螺母座等通過(guò)螺栓或螺釘固定在兩個(gè)部件的平面上。導(dǎo)軌和滑塊、螺釘-螺母對(duì)等構(gòu)成彈簧阻尼裝置。

2.4 模態(tài)分析結(jié)果

利用ANSYS對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行模態(tài)分析，得到整機(jī)的有限元模態(tài)分析結(jié)果。由于機(jī)床模態(tài)分析的低階模態(tài)對(duì)系統(tǒng)的工作有很大的影響，所以只分析前六步。整機(jī)前六階固有頻率見(jiàn)表1。

2.5 諧響應(yīng)分析

將五軸數(shù)控機(jī)床的模型導(dǎo)入ANSYS軟件，對(duì)模型進(jìn)行了諧響應(yīng)分析。位移響應(yīng)云圖如圖3所示。

從圖3可以看出，變形最大的部分是柱，可以在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化以減小變形。

3 優(yōu)化后整機(jī)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

3.1 總體規(guī)劃

3.1.1 硬件選擇

本實(shí)驗(yàn)采用尼龍頭錘10 kg，8路信號(hào)采集儀和INV9832-50加速度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置。

3.1.2 軟件系統(tǒng)

采用北京東方振動(dòng)噪聲技術(shù)研究院的DASPV10。

3.1.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

采樣頻率設(shè)置為20.48 kHz，并在啟動(dòng)條件下選擇多個(gè)觸發(fā)器。將觸發(fā)器數(shù)量設(shè)置為3，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為4 096，滯后點(diǎn)數(shù)設(shè)置為8，觸發(fā)模式設(shè)置為絕對(duì)值，觸發(fā)比率設(shè)置為0.3，觸發(fā)音量設(shè)置為30，更改時(shí)間乘數(shù)設(shè)置為2，固定時(shí)間設(shè)置為5 s。默認(rèn)情況下會(huì)選擇其余的。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

由于該五軸數(shù)控機(jī)床是大型機(jī)床，本實(shí)驗(yàn)采用多點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法。

3.2.1 激發(fā)點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)的布置

確定激發(fā)點(diǎn)應(yīng)遵循以下原則：

（1）激勵(lì)點(diǎn)必須避開(kāi)節(jié)點(diǎn)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的固有頻率為0，所以不能將節(jié)點(diǎn)作為激勵(lì)點(diǎn)，否則無(wú)法采集機(jī)床的振動(dòng)信號(hào)。

（2）一般激發(fā)點(diǎn)選定后，應(yīng)便于錘擊。分別采集x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)。距離應(yīng)盡可能近，以便于錘子移動(dòng)，因?yàn)槿齻€(gè)方向必須敲擊三次。

（3）激振點(diǎn)應(yīng)選擇在機(jī)床剛度好的地方，因?yàn)闄C(jī)床信號(hào)的采集會(huì)重復(fù)幾次，行程過(guò)多。如果剛度不夠，機(jī)床會(huì)嚴(yán)重打滑，導(dǎo)致機(jī)床性能的惡化和精度的保持。同時(shí)，不適合在主軸或其他零件上設(shè)置激振點(diǎn)。由于精度要求高，不能隨意進(jìn)行攻絲試驗(yàn)。

（4）激振點(diǎn)必須敲在機(jī)床實(shí)體上，不能設(shè)置在主軸箱、尾架等部位，由于這些部位的振動(dòng)較大，采集到的信號(hào)容易受到干擾，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

3.2.2 測(cè)點(diǎn)位置布置原則

測(cè)點(diǎn)位置一般設(shè)置在信號(hào)幅值較大的地方，便于信號(hào)采集。測(cè)點(diǎn)布置原則如下：

（1）選擇測(cè)點(diǎn)位置后，將測(cè)點(diǎn)按順序連接，最后形成線框模型。模型的形狀應(yīng)盡可能與實(shí)際機(jī)床的形狀相似。

（2）機(jī)床部件尺寸不同。對(duì)于床柱和其他類(lèi)似的部分，形狀是比較規(guī)則的。一般測(cè)量點(diǎn)的位置可以相對(duì)稀疏，這樣可以減少測(cè)量過(guò)程中傳感器不斷移動(dòng)所引起的工作。對(duì)于主軸、工作臺(tái)等精度高、尺寸小、形狀復(fù)雜的零件，一般測(cè)點(diǎn)必須密集布置。許多測(cè)點(diǎn)連接起來(lái)后，可以形成與機(jī)床相似的形狀。這些零件一般都受固有頻率的影響，因此在信號(hào)采集后設(shè)置了更多的點(diǎn)，便于機(jī)床分析。

（3）測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)有相對(duì)空間，便于傳感器的放置。不能在機(jī)床內(nèi)設(shè)置。如果能夠方便傳感器的移動(dòng)和測(cè)量，機(jī)床的外輪廓更好。

3.2.3 波形選擇

通過(guò)數(shù)據(jù)采集，共獲得267個(gè)力錘輸入信號(hào)和801個(gè)加速度信號(hào)。信號(hào)采集的正確性對(duì)結(jié)果也有很大的影響。一般情況下，根據(jù)傳感器和信息采集器采集到的時(shí)域波形，如果力錘信號(hào)采集正確，從力錘向機(jī)床施加激振力到振動(dòng)結(jié)束，應(yīng)將力錘通道的信號(hào)振動(dòng)至零。

3.3 結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，得到了機(jī)床的前六階固有頻率。通過(guò)與有限元分析結(jié)果的比較，得到了表2中的數(shù)據(jù)。

通過(guò)計(jì)算模態(tài)分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的比較，不難發(fā)現(xiàn)模態(tài)分析的固有頻率相差不大。顯然，機(jī)床的固有頻率較低，抗振能力較弱，剛度較差。這樣，機(jī)床在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的顫振，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

在能量平衡原理下，建立了某型五軸數(shù)控機(jī)床的有限元模型。通過(guò)模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析得到了前六階固有頻率和振型。分析結(jié)果表明，立柱是機(jī)床變形最嚴(yán)重的部位。采用多點(diǎn)激勵(lì)、多響應(yīng)的力錘激勵(lì)方法進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)得到的機(jī)床前六階固有頻率與有限元計(jì)算模型進(jìn)行比較，證明了模型的高度一致性和合理性。對(duì)柱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了有效的建議。

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