基于數(shù)值分析的機(jī)床絲杠螺母選型方法研究

唐佳佳 ， 王瑞鑫 ， 苗心玉 ， 孫圣迪 ， 張延波

（1.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺 054000；2. 河北省中小型非標(biāo)裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺 054000；3.河北省閥門智能裝備工程研究中心，河北 邢臺 054000；4.河北中煤四處礦山工程有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引言

絲杠螺母副是機(jī)床傳動中的重要組成部分，對機(jī)床的性能、成本等綜合指標(biāo)有重要影響，其正確選擇對裝備的傳動精度及性能有重要影響。絲杠螺母組件分為絲杠、螺母、軸承、電機(jī)座和軸承座等5 個部分，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)其與機(jī)床支撐結(jié)構(gòu)大件的關(guān)聯(lián)關(guān)系，添加螺母安裝面接口、電機(jī)座安裝面接口、軸承座安裝面接口，形成可與機(jī)床結(jié)構(gòu)大件關(guān)聯(lián)的絲杠螺母組件，如圖1 所示。在機(jī)械裝備傳動設(shè)計(jì)選型過程中，合理、快速地選擇合適的傳動組件顯得尤為重要，但相關(guān)應(yīng)用研究工作開展較少，尚不能結(jié)合快速數(shù)值分析手段來提高傳動設(shè)計(jì)的效率及可靠性，導(dǎo)致整機(jī)研發(fā)成本高、周期長[1]。

圖1 絲杠螺母組件爆炸圖

本研究針對絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及快速有限元分析流程，探索絲杠螺母副數(shù)據(jù)庫的建立方法，提高絲杠螺母組件的選型速度，為提高機(jī)床整機(jī)研發(fā)效率提供參考。

1 絲杠螺母數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù)絲杠螺母組件的組成關(guān)系，基于Pro/E 三維建模軟件，建立絲杠螺母組件的參數(shù)化幾何模型，添加組件內(nèi)部關(guān)聯(lián)特征，添加對偶零部件的安裝面接口特征信息和絲杠螺母副動力學(xué)參數(shù)，形成支持絲杠螺母組件快速選型、機(jī)床結(jié)構(gòu)大件接口關(guān)聯(lián)特征的參數(shù)化建模、機(jī)床整機(jī)自動化裝配和高效有限元分析的絲杠螺母副數(shù)據(jù)庫[2-3]。

絲杠螺母組件由絲杠模塊、螺母模塊、螺母安裝面接口模塊、軸承模塊、電機(jī)座模塊、電機(jī)座安裝面接口模塊、軸承座模塊和軸承座安裝面接口模塊等部分組成，絲杠螺母組件數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)類圖如圖2所示。

1）絲杠螺母組件模塊：含有絲杠螺母組件的型號、珠循環(huán)方式、滾珠預(yù)壓方式、精度等級、行程、額定載荷等信息，用于絲杠螺母組件的選型。含有絲杠螺母副動力學(xué)參數(shù)，用于支持快速有限元分析。

2）絲杠模塊：含有絲杠型號、行程、直徑、軸端形狀、允許轉(zhuǎn)速、驅(qū)動扭矩、軸向允許負(fù)載等信息。用于選擇絲杠型號。

3）螺母模塊：含有螺母型號、直徑、允許轉(zhuǎn)速、軸向允許負(fù)載、螺母的外周形狀等信息。用于選擇螺母型號。

4）螺母安裝面接口模塊：該模塊從屬于螺母模塊，包含螺母與對偶件結(jié)合面形狀尺寸、螺栓分布、螺栓型號等信息，支持其對偶件對應(yīng)位置的快速建模及絲杠螺母組件在整機(jī)中的自動化裝配。

5）軸承模塊：含有軸承型號、直徑、允許轉(zhuǎn)速、軸向允許負(fù)載等信息。根據(jù)絲杠直徑和載荷以及運(yùn)動精度等確定軸承型號。

6）電機(jī)座模塊：含有電機(jī)座形狀尺寸、安裝面參數(shù)等信息。根據(jù)軸承外徑、電機(jī)尺寸等確定電機(jī)座型號。

7）電機(jī)座安裝面接口模塊：該模塊從屬于電機(jī)座模塊，包含電機(jī)座與對偶件結(jié)合面形狀尺寸、螺栓分布、螺栓型號等信息，支持其對偶件對應(yīng)位置的快速建模及絲杠螺母組件在整機(jī)中的自動化裝配。

8）軸承座模塊：含有軸承座形狀尺寸、安裝面參數(shù)等信息。根據(jù)軸承外徑確定軸承座型號。

9）軸承座安裝面接口模塊：該模塊從屬于軸承座模塊，包含軸承座與對偶件結(jié)合面形狀尺寸、螺栓分布、螺栓型號等信息，支持其對偶件對應(yīng)位置的快速建模及絲杠螺母組件在整機(jī)中的自動化裝配。

機(jī)床設(shè)計(jì)人員通過各部分的選型，可實(shí)現(xiàn)絲杠螺母組件的快速選型和建模，形成絲杠螺母組件裝配模型。各模塊中除幾何信息外，還含有該模型的材料屬性，如密度、彈性模量、泊松比、熱脹系數(shù)、導(dǎo)熱率等信息，用于有限元分析。絲杠螺母組件的有限元分析參數(shù)如圖3所示。

圖3 絲杠螺母添加有限元分析參數(shù)圖

2 絲杠螺母組件SAMCEF等效模型

在有限元分析軟件SAMCEF 內(nèi)，特有的點(diǎn)、線、面建模工具可以創(chuàng)建簡化的絲杠螺母組件等效模型。因此可以提取CAD 模型的驅(qū)動參數(shù)，驅(qū)動SAMCEF創(chuàng)建簡化的等效模型。從數(shù)據(jù)庫中讀取絲杠螺母組件模型驅(qū)動參數(shù)，利用有限元分析軟件SAMCEF特有的點(diǎn)、線、面建模工具創(chuàng)建等效的簡化有限元分析模型。包括：絲杠長度和直徑、螺母安裝面尺寸、電機(jī)座尺寸、軸承座尺寸等[4-6]。絲杠螺母組件SAMCEF 等效模型及裝配關(guān)系如圖4 所示。各部分等效模型和裝配關(guān)系定義如下：

圖4 絲杠螺母組件SAMCEF等效模型及裝配關(guān)系

1）軸承座部分的軸承由Node 點(diǎn)代表，與絲杠Beam 單元上的端點(diǎn)重合，Node 點(diǎn)與絲杠端點(diǎn)間應(yīng)用Bearing 剛度單元連接，而Node 點(diǎn)軸承座應(yīng)用Mean剛度單元連接。

2）絲杠螺母部分的滾珠由Node 代表，與絲杠上相應(yīng)位置的Node 單元重合，同時(shí)與絲杠螺母應(yīng)用Mean 剛度單元連接，而絲杠螺母為Shell 單元，其余運(yùn)動部件應(yīng)用Glue剛度單元連接。

3 絲杠螺母數(shù)據(jù)庫功能運(yùn)行流程

絲杠螺母數(shù)據(jù)庫可支持絲杠螺母快速選型、整機(jī)裝配和集成有限元分析三種功能。

3.1 絲杠螺母組件的快速選型

絲杠螺母組件的建模順序?yàn)榻z杠→螺母/軸承→軸承座/電機(jī)座，快速選型流程如圖5所示。

圖5 絲杠螺母組件選型流程圖

1）絲杠選型。根據(jù)機(jī)床加工空間、載荷等條件進(jìn)行絲杠的選型，確定絲杠直徑和長度，并以此作為驅(qū)動主參數(shù)，然后參考絲杠尺寸參數(shù)表建立絲杠CAD參數(shù)化模型。

2）螺母選型。根據(jù)絲杠直徑確定螺母內(nèi)徑，并以此作為驅(qū)動主參數(shù)，進(jìn)行螺母選型，然后參考螺母尺寸參數(shù)表建立螺母CAD參數(shù)化模型。

3）軸承選型。根據(jù)絲杠軸端直徑確定軸承內(nèi)徑，并以此作為驅(qū)動主參數(shù)，進(jìn)行軸承選型，然后參考軸承尺寸參數(shù)表建立軸承CAD參數(shù)化模型。

4）電機(jī)座/軸承座選型。以軸承外徑作為驅(qū)動主參數(shù)，進(jìn)行電機(jī)座和軸承座的選型，然后參考電機(jī)座和軸承座尺寸參數(shù)表建立其CAD參數(shù)化模型。

5）建立絲杠螺母組件關(guān)聯(lián)部件接口特征模型。在軸承座安裝面、電機(jī)座安裝面和螺母安裝面位置，添加其與相關(guān)結(jié)構(gòu)大件的接口特征CAD 模型，具體步驟如下：

①軸承座接口特征模型添加：根據(jù)軸承座安裝面尺寸參數(shù)，建立軸承座接口特征模型，包括安裝面尺寸、螺紋孔直徑、螺紋孔數(shù)量、螺紋孔分布等。

②電機(jī)座接口特征模型添加：根據(jù)電機(jī)座安裝面尺寸參數(shù)，建立電機(jī)座接口特征模型，包括安裝面尺寸、螺紋孔直徑、螺紋孔數(shù)量、螺紋孔分布等。

③螺母接口特征模型添加：根據(jù)螺母安裝面尺寸參數(shù)，建立螺母接口特征模型，包括安裝面尺寸、螺紋孔直徑、螺紋孔數(shù)量、螺紋孔分布等。

6）絲杠螺母組件裝配：在完成以上步驟后，根據(jù)絲杠螺母組件裝配關(guān)系建立裝配模型，形成完整的絲杠螺母組件CAD模型。

3.2 機(jī)床結(jié)構(gòu)大件接口特征建模

在機(jī)床大件設(shè)計(jì)時(shí)，利用機(jī)床大件與絲杠螺母的約束關(guān)系及關(guān)聯(lián)特征，基于絲杠螺母的關(guān)聯(lián)特征模型，驅(qū)動機(jī)床大件相應(yīng)特征的快速建模，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)大件關(guān)聯(lián)特征的自動化建模。機(jī)床結(jié)構(gòu)大件上絲杠螺母接口特征建模通過以下流程實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 機(jī)床結(jié)構(gòu)大件的接口特征建模流程圖

1）結(jié)構(gòu)大件主要特征建模。建立機(jī)床結(jié)構(gòu)大件主要特征模型，包括外形結(jié)構(gòu)、內(nèi)部筋板布置等。

2）螺母接口特征自動化建模。根據(jù)絲杠螺母組件上的螺母接口特征及其尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在螺母對應(yīng)位置，建立螺母接口特征模型。包括：螺母安裝面特征形狀尺寸、螺栓型號尺寸、螺栓數(shù)量及布局、螺紋孔深度等。

3）電機(jī)座接口特征自動化建模。根據(jù)絲杠螺母組件上的電機(jī)座接口特征及其尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在電機(jī)座對應(yīng)位置，建立電機(jī)座接口特征模型。包括：電機(jī)座安裝凸臺面形狀尺寸、高度、螺栓型號尺寸、螺栓數(shù)量及分布、螺紋孔深度等。

4）軸承座接口特征自動化建模。根據(jù)絲杠螺母組件上的軸承座接口特征及其尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在軸承座對應(yīng)位置，建立軸承座接口特征模型。包括：軸承座安裝凸臺面形狀尺寸、高度、螺栓型號尺寸、螺栓數(shù)量及分布、螺紋孔深度等。

通過以上接口特征的自動化建模，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)大件上與絲杠螺母組件對應(yīng)位置/特征的快速自動化創(chuàng)建，提高機(jī)床結(jié)構(gòu)大件的建模效率和質(zhì)量。

3.3 絲杠螺母在整機(jī)中的快速裝配

絲杠螺母在整機(jī)中的快速裝配流程如圖7所示。

圖7 絲杠螺母在整機(jī)中的快速裝配流程圖

1）絲杠螺母組件導(dǎo)入裝配模型。整機(jī)裝配順序?yàn)椋合妊b配結(jié)構(gòu)大件，再裝配絲杠螺母組件。結(jié)構(gòu)大件模型中的螺母/電機(jī)座/軸承座安裝面接口特征已經(jīng)建好。步驟1 將已經(jīng)完成選型的絲杠螺母組件子裝配體導(dǎo)入整機(jī)裝配模型，進(jìn)行裝配操作。

2）螺母安裝面自動化裝配。①選擇絲杠螺母組件上的螺母安裝面接口特征，詳細(xì)位置為螺母的安裝貼合面；②選擇對偶件上的螺母安裝面接口特征，詳細(xì)位置為與螺母安裝面對應(yīng)的安裝貼合面；③根據(jù)螺母接口特征進(jìn)行配合裝配：安裝面對齊、螺紋孔中心線重合，完成螺母安裝面的裝配。

3）電機(jī)座安裝面自動化裝配。①選擇絲杠螺母組件上的電機(jī)座安裝面接口特征，詳細(xì)位置為電機(jī)座的安裝貼合面；②選擇對偶件上的電機(jī)座安裝面接口特征，詳細(xì)位置為與電機(jī)座安裝面對應(yīng)的安裝貼合面；③根據(jù)電機(jī)座接口特征進(jìn)行配合裝配：安裝面對齊、螺紋孔中心線重合，完成電機(jī)座安裝面的裝配。

4）軸承座安裝面自動化裝配。①選擇絲杠螺母組件上的軸承座安裝面接口特征，詳細(xì)位置為軸承座的安裝貼合面；②選擇對偶件上的軸承座安裝面接口特征，詳細(xì)位置為與軸承座安裝面對應(yīng)的安裝貼合面；③根據(jù)軸承座接口特征進(jìn)行配合裝配：安裝面對齊、螺紋孔中心線重合，完成軸承座安裝面的裝配。

以上操作完成即實(shí)現(xiàn)絲杠螺母組件在整機(jī)中的自動化裝配，該方法提高了機(jī)床裝配的效率和質(zhì)量，縮短了裝配時(shí)間。

3.4 機(jī)床CAD/CAE集成有限元分析

在基于CAD/CAE 進(jìn)行模型分析研究方面，謝世坤等[7]基于CAD/CAE 的集成對幾何模型的基本圖形交換方法進(jìn)行了總結(jié)。李佩霖[8]分析了STEP 標(biāo)準(zhǔn)的模型轉(zhuǎn)換優(yōu)勢，戴磊等[9]分析了CAD/CAE 集成系統(tǒng)的不足；侯曉林等[10]將工程分析特征應(yīng)用于產(chǎn)品裝配體的設(shè)計(jì)中。本研究機(jī)床CAD/CAE 集成有限元分析流程如圖8所示。

圖8 機(jī)床CAD/CAE集成有限元分析流程

1）機(jī)床整機(jī)模型導(dǎo)入SAMCEF：在CAD 模型中，刪除絲杠螺母部分，將機(jī)床整機(jī)模型以中性格式導(dǎo)入SAMCEF 軟件。

2）建立絲杠螺母等效模型：從絲杠螺母模型數(shù)據(jù)庫中提取驅(qū)動參數(shù)，在SAMCEF 中建立簡化的等效模型，代替其詳細(xì)幾何模型。

3）絲杠螺母分析參數(shù)加載：從數(shù)據(jù)庫中讀取絲杠螺母零件材料屬性、螺母副和軸承副剛度及阻尼參數(shù)，應(yīng)用Bacon 命令流語言加載至SAMCEF 模型，進(jìn)行自動加載。

4）分析設(shè)置與求解：進(jìn)行有限元分析設(shè)置并求解。

4 結(jié)論

針對數(shù)控機(jī)床的絲杠螺母組件，研究分析其結(jié)構(gòu)組成及其在整機(jī)模型中的裝配關(guān)系，添加其與機(jī)床結(jié)構(gòu)大件的關(guān)聯(lián)接口特征、絲杠螺母有限元分析特征，形成面向機(jī)床快速選型、整機(jī)裝配和有限元分析的絲杠螺母數(shù)據(jù)庫，獲得如下結(jié)論：

1）建立了絲杠螺母幾何模型數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求和約束實(shí)現(xiàn)絲杠螺母組件的快速選型和建模，形成絲杠螺母組件裝配模型，提高設(shè)計(jì)效率和自動化程度。

2）在絲杠螺母數(shù)據(jù)庫中，建立了螺母安裝面接口特征、電機(jī)座安裝面接口特征和軸承座安裝面接口特征，可實(shí)現(xiàn)其對偶結(jié)構(gòu)大件對應(yīng)特征/位置的快速建模，支持整機(jī)的自動化裝配。

3）在絲杠螺母副中添加了用于有限元分析的動力學(xué)參數(shù)，可提高有限元分析速度和分析質(zhì)量。