龍門五軸加工中心薄弱環(huán)節(jié)的改進設計
0前言 龍門五軸加工中心可以通過五軸控制實現(xiàn)對任意 方向孔及復雜型面進行加工,，能滿足加工范圍大能力 強的需求,，廣泛應用于航空航天、模具,、汽車等需要 高精度加工的領域,。而保證機床結(jié)構有良好的動靜態(tài) 特性是獲得高精度加工的前提基礎1。從已有的研究 來看,，史科科等2對某型臥式機床進行了動靜態(tài)特性 分析,；周新建等3是對立式加工中心進行的整機動靜 態(tài)特性分析；李焱等人[1]分析了龍門加工中的靜剛度 并對結(jié)構進行優(yōu)化,。本文作者以某型龍門五軸加工中 心整機為研究對象,，運用有限元技術分析其動靜態(tài)特 性并找出其薄弱部位一橫梁,；改進其結(jié)構后并通過 實驗驗證了改進設計的有效性。1整機靜態(tài)特性分析1.1靜力學分析國產(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)構復雜,，在建立有限元 模型時,，不可能考慮所有細微復雜的幾何因素，因此 只考慮一些起主導作用的因素來建立整機的簡化模 型,。采用Pro/E軟件先將各部件建立三維實體模型并 裝配得到整機模型,，導入ANSYS的Workbench應用 平臺，設置機床的材料屬性,。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,。進行網(wǎng)格劃分時，采用SOLID 45單元對實體進 行網(wǎng)格劃分,，由于結(jié)合部的剛度特性對整機的靜剛度 有重大影響,，因此采用用戶自定義單元來模擬結(jié)合 部。機床結(jié)合部包括直線電機初級-次級,、直線滾動 導軌滑塊-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節(jié)點來定義,，每個節(jié)點有 6個自由度個自定義單元中有兩個節(jié)點就有12 個自由度,，就需要用12 x 12階的矩陣來完全定義該 單元的剛度、阻尼或質(zhì)量信息0,。用戶自定義單元的 實常數(shù)需要給一個12x12的矩陣中的元素分別賦值, 靜剛度作為衡量機床性能優(yōu)劣的重要指標,，對于 龍門加工中心來說，它自身的重力對機床的變形和加 工精度有著重要的影響6,。計算機床在重力作用下的 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。 在整機有限元模型中,，按照實際工況設置邊界約 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應面上施加x,、y,、z三個方 向，大小為5 000 N的力,。以x向靜剛度為例,，得到 的整機的變形情況如圖4, 3個方向的靜剛度對比結(jié) 果見表1。由表1可知,，機床在y方向上變形量******, 剛度最小,。1.3查找整機薄弱環(huán)節(jié) 為找出機床的薄弱部件，根據(jù)文獻7],利用 精工機床串聯(lián)剛場理論,，結(jié)合其串聯(lián)剛度圖譜分析出 各部件變形占整機位移量的比例見圖5,。由于整機是 —個機床一刀具一工件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)剛性低于整機中剛性最低的部件,。由圖5分析各部件對系統(tǒng) 剛性的影響,，找出薄弱環(huán)節(jié)，進而提高整機剛度,。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40%以上,，導致y向剛度相對較低。 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動態(tài)特性分析 模態(tài)分析作為研究結(jié)構動力分析的基礎,，解決 了結(jié)構動力分析中的一個重要問題即進行結(jié)構的固 有振動特性分析8,。通過模態(tài)分析計算出結(jié)構的固 有振動特性后，可以為系統(tǒng)的振動故障診斷,、預報 以及結(jié)構動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù),。對機床底 部進行全約束，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)是影響機床 動態(tài)特性的主要因素M,，由整機的前4階模態(tài)振型 可知，機床振動主要集中在立柱和橫梁上，與靜力 學分析相結(jié)合,，說明橫梁是機床的薄弱環(huán)節(jié),，需要 進一步優(yōu)化其結(jié)構。3 基于原結(jié)構的改進設計由前面的分析可知,，橫梁在y向的剛度不足,，由 于其剛度是連續(xù)變化的，而橫梁中間沒有支撐點,，其 柔度較大,。為增加其在y向的抗彎剛度，考慮到需要 在原有橫梁的基礎上進行改進結(jié)構,，因此提出3種改 進方案以便于進一步進行分析,。原有橫梁結(jié)構沒有外 部任何突出部分，而3種方案如圖7,。對改進后3種結(jié)構各部件進行有限元分析,，得到 各部件在y向占整機變形量的比值如圖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。其中改進結(jié)構3各部件變形量的 比例最為合理,。因此以結(jié)構3有限元分析為基礎,，進 行實際的結(jié)構改進。圖8結(jié)構改進前后各部件變形在系統(tǒng)變形的比例 對改進后整機進行動靜態(tài)特性分析,，以改進 結(jié)構3為例,，得到改進前后結(jié)構對比見表3。由此 看出,，機床在x, y,z向靜剛度均有所增強,，尤其 在原來薄弱的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 明改進結(jié)構后整機的動靜態(tài)特性均取得了較好的 效果。4實驗測試結(jié)果與分析 為測量改進后橫梁結(jié)構實際變形量,，與有限元分 析結(jié)果進行對比,，進行了橫梁變形量的測量實驗，測 量現(xiàn)場如圖9,。按照實際裝配情況將橫梁置于立柱 上,，以工作臺水平為基準，將千分表放置于滑枕下, 以橫梁右端為起始點,，得到結(jié)構改變前后y向位移變 化8]如圖10,。從圖10發(fā)現(xiàn)，改進后結(jié)構與原始結(jié)構 相比，在y向的位移明顯下降,，說明橫梁在y向變形 量減小,，剛度增加。而且實驗測試結(jié)果與有限元分析 結(jié)果也基本相符,。5.結(jié)論通過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其3 個方向的靜剛度進行比較，發(fā)現(xiàn)其y向剛度薄弱,。通 過對加工中心進行模態(tài)分析,，與靜力學分析相結(jié)合找 到整機的薄弱部位一橫梁。在不改變原有橫梁的基 礎上,，通過增加外部結(jié)構的方式對原有橫梁進行改進 設計并提出3種方案,。通過比較發(fā)現(xiàn)結(jié)構3最為合 理。將改進后結(jié)構與原有結(jié)構通過有限元計算和實際 實驗測量的方式進行對比,，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果和測量結(jié)果 基本吻合,。通過改進橫梁結(jié)構，實現(xiàn)了提高整機動靜 態(tài)特性的目的,。 ?原有橫梁結(jié)構沒有外 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)表文章均來自網(wǎng)絡僅供學習參考,，轉(zhuǎn)載請注明,！