龍門五軸加工中心薄弱環(huán)節(jié)的改進(jìn)設(shè)計(jì)
0前言 龍門五軸加工中心可以通過(guò)五軸控制實(shí)現(xiàn)對(duì)任意 方向孔及復(fù)雜型面進(jìn)行加工，能滿足加工范圍大能力 強(qiáng)的需求，廣泛應(yīng)用于航空航天、模具、汽車等需要 高精度加工的領(lǐng)域。而保證機(jī)床結(jié)構(gòu)有良好的動(dòng)靜態(tài) 特性是獲得高精度加工的前提基礎(chǔ)1。從已有的研究 來(lái)看，史科科等2對(duì)某型臥式機(jī)床進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)特性 分析；周新建等3是對(duì)立式加工中心進(jìn)行的整機(jī)動(dòng)靜 態(tài)特性分析；李焱等人[1]分析了龍門加工中的靜剛度 并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文作者以某型龍門五軸加工中 心整機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元技術(shù)分析其動(dòng)靜態(tài)特 性并找出其薄弱部位一橫梁；改進(jìn)其結(jié)構(gòu)后并通過(guò) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性。1整機(jī)靜態(tài)特性分析1.1靜力學(xué)分析國(guó)產(chǎn)的某型龍門五軸加工中心由床身、立柱、橫 梁、主軸箱、工作臺(tái)和雙擺頭等部件組成，如圖1所 示。由于龍門加工中心幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建立有限元 模型時(shí)，不可能考慮所有細(xì)微復(fù)雜的幾何因素，因此 只考慮一些起主導(dǎo)作用的因素來(lái)建立整機(jī)的簡(jiǎn)化模 型。采用Pro/E軟件先將各部件建立三維實(shí)體模型并 裝配得到整機(jī)模型，導(dǎo)入ANSYS的Workbench應(yīng)用 平臺(tái)，設(shè)置機(jī)床的材料屬性。其中立柱的材料為 HT250，彈性模量為1. 2 x105 MPa，密度為7 210 kg/ m3，泊松比0.22;橫梁等其他大件用Q235A，彈性 模量為2. 1 x 105 MPa，密度為7 860 kg/m3，泊松比 0.3。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用SOLID 45單元對(duì)實(shí)體進(jìn) 行網(wǎng)格劃分，由于結(jié)合部的剛度特性對(duì)整機(jī)的靜剛度 有重大影響，因此采用用戶自定義單元來(lái)模擬結(jié)合 部。機(jī)床結(jié)合部包括直線電機(jī)初級(jí)-次級(jí)、直線滾動(dòng) 導(dǎo)軌滑塊-軌道、滾珠絲杠絲母-絲杠和螺栓。用戶 自定義單元用空間任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 6個(gè)自由度個(gè)自定義單元中有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)就有12 個(gè)自由度，就需要用12 x 12階的矩陣來(lái)完全定義該 單元的剛度、阻尼或質(zhì)量信息0。用戶自定義單元的 實(shí)常數(shù)需要給一個(gè)12x12的矩陣中的元素分別賦值, 靜剛度作為衡量機(jī)床性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，對(duì)于 龍門加工中心來(lái)說(shuō)，它自身的重力對(duì)機(jī)床的變形和加 工精度有著重要的影響6。計(jì)算機(jī)床在重力作用下的 變形情況，結(jié)果如圖3所示。工件上的******變形為 0. 039 mm,主軸上端面的變形為0. 197 mm。 在整機(jī)有限元模型中，按照實(shí)際工況設(shè)置邊界約 束條件，將床身地腳孔內(nèi)圓柱面作為固定約束。分別 在主軸端面和工件的對(duì)應(yīng)面上施加x、y、z三個(gè)方 向，大小為5 000 N的力。以x向靜剛度為例，得到 的整機(jī)的變形情況如圖4, 3個(gè)方向的靜剛度對(duì)比結(jié) 果見表1。由表1可知，機(jī)床在y方向上變形量******, 剛度最小。1.3查找整機(jī)薄弱環(huán)節(jié) 為找出機(jī)床的薄弱部件，根據(jù)文獻(xiàn)7],利用 精工機(jī)床串聯(lián)剛場(chǎng)理論，結(jié)合其串聯(lián)剛度圖譜分析出 各部件變形占整機(jī)位移量的比例見圖5。由于整機(jī)是 —個(gè)機(jī)床一刀具一工件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)剛性低于整機(jī)中剛性最低的部件。由圖5分析各部件對(duì)系統(tǒng) 剛性的影響，找出薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而提高整機(jī)剛度。由 圖5可知，橫梁在y方向上變形量較大，占到整體工 藝變形比率高達(dá)40%以上，導(dǎo)致y向剛度相對(duì)較低。 分析其原因可能為：橫梁的剛度不足；立柱繞y軸抗 彎剛度不足；主軸箱系統(tǒng)的剛度較低。2動(dòng)態(tài)特性分析 模態(tài)分析作為研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，解決 了結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中的一個(gè)重要問(wèn)題即進(jìn)行結(jié)構(gòu)的固 有振動(dòng)特性分析8。通過(guò)模態(tài)分析計(jì)算出結(jié)構(gòu)的固 有振動(dòng)特性后，可以為系統(tǒng)的振動(dòng)故障診斷、預(yù)報(bào) 以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。對(duì)機(jī)床底 部進(jìn)行全約束，采用空間迭代法9提取模態(tài)，限于 篇幅，得到整機(jī)的前2階模態(tài)振型如圖6所示。前 四階模態(tài)及振型描述如表2。低階模態(tài)是影響機(jī)床 動(dòng)態(tài)特性的主要因素M，由整機(jī)的前4階模態(tài)振型 可知，機(jī)床振動(dòng)主要集中在立柱和橫梁上，與靜力 學(xué)分析相結(jié)合，說(shuō)明橫梁是機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，需要 進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。3 基于原結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)由前面的分析可知，橫梁在y向的剛度不足，由 于其剛度是連續(xù)變化的，而橫梁中間沒(méi)有支撐點(diǎn)，其 柔度較大。為增加其在y向的抗彎剛度，考慮到需要 在原有橫梁的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)結(jié)構(gòu)，因此提出3種改 進(jìn)方案以便于進(jìn)一步進(jìn)行分析。原有橫梁結(jié)構(gòu)沒(méi)有外 部任何突出部分，而3種方案如圖7。對(duì)改進(jìn)后3種結(jié)構(gòu)各部件進(jìn)行有限元分析，得到 各部件在y向占整機(jī)變形量的比值如圖8?？砂l(fā)現(xiàn)橫 梁在整體系統(tǒng)中的變形比例已大大降低，各部件的變 形比例也愈發(fā)合理。其中改進(jìn)結(jié)構(gòu)3各部件變形量的 比例最為合理。因此以結(jié)構(gòu)3有限元分析為基礎(chǔ)，進(jìn) 行實(shí)際的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。圖8結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后各部件變形在系統(tǒng)變形的比例 對(duì)改進(jìn)后整機(jī)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)特性分析，以改進(jìn) 結(jié)構(gòu)3為例，得到改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對(duì)比見表3。由此 看出，機(jī)床在x, y,z向靜剛度均有所增強(qiáng)，尤其 在原來(lái)薄弱的y向，增大了 24. 3%,而且其低階 頻率均有所提高，其一階頻率提高了 18. 8%。說(shuō) 明改進(jìn)結(jié)構(gòu)后整機(jī)的動(dòng)靜態(tài)特性均取得了較好的 效果。4實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析 為測(cè)量改進(jìn)后橫梁結(jié)構(gòu)實(shí)際變形量，與有限元分 析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行了橫梁變形量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè) 量現(xiàn)場(chǎng)如圖9。按照實(shí)際裝配情況將橫梁置于立柱 上，以工作臺(tái)水平為基準(zhǔn)，將千分表放置于滑枕下, 以橫梁右端為起始點(diǎn)，得到結(jié)構(gòu)改變前后y向位移變 化8]如圖10。從圖10發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)與原始結(jié)構(gòu) 相比，在y向的位移明顯下降，說(shuō)明橫梁在y向變形 量減小，剛度增加。而且實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與有限元分析 結(jié)果也基本相符。5.結(jié)論通過(guò)引用用戶自定義單元模擬加工中心的結(jié)合部，建立了龍門五軸加工中心的有限元模型后對(duì)其3 個(gè)方向的靜剛度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其y向剛度薄弱。通 過(guò)對(duì)加工中心進(jìn)行模態(tài)分析，與靜力學(xué)分析相結(jié)合找 到整機(jī)的薄弱部位一橫梁。在不改變?cè)袡M梁的基 礎(chǔ)上，通過(guò)增加外部結(jié)構(gòu)的方式對(duì)原有橫梁進(jìn)行改進(jìn) 設(shè)計(jì)并提出3種方案。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)3最為合 理。將改進(jìn)后結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)通過(guò)有限元計(jì)算和實(shí)際 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方式進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和測(cè)量結(jié)果 基本吻合。通過(guò)改進(jìn)橫梁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了提高整機(jī)動(dòng)靜 態(tài)特性的目的。 ?原有橫梁結(jié)構(gòu)沒(méi)有外 部任何突出部分，而3種方案如圖7。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來(lái)自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明！