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五軸控制實(shí)現(xiàn)對任意 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 來看，史科科等2對某型臥式機(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 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(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)作用的因素來建立整機(jī)的簡化模 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，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單元對實(shí)體進(jìn) 行網(wǎng)格劃分,，由于結(jié)合部的剛度特性對整機(jī)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(jī)床結(jié)合部包括直線電機(jī)初級-次級,、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),，對于 龍門加工中心來說，它自身的重力對機(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)重要問題即進(jìn)行結(jié)構(gòu)的固 有振動(dòng)特性分析8,。通過模態(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)沒有外 部任何突出部分,，而3種方案如圖7。對改進(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,。可發(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(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)測試結(jié)果與分析 為測量改進(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)行對比,，進(jìn)行了橫梁變形量的測量實(shí)驗(yàn)，測 量現(xiàn)場如圖9,。按照實(shí)際裝配情況將橫梁置于立柱 上,，以工作臺水平為基準(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,，說明橫梁在y向變形 量減小，剛度增加,。而且實(shí)驗(yàn)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(gè)方向的靜剛度進(jìn)行比較,，發(fā)現(xiàn)其y向剛度薄弱,。通 過對加工中心進(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。在不改變原有橫梁的基 礎(chǔ)上,，通過增加外部結(jié)構(gòu)的方式對原有橫梁進(jìn)行改進(jìn) 設(shè)計(jì)并提出3種方案,。通過比較發(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)通過有限元計(jì)算和實(shí)際 實(shí)驗(yàn)測量的方式進(jìn)行對比,，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和測量結(jié)果 基本吻合,。通過改進(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(luò)僅供學(xué)習(xí)參考,，轉(zhuǎn)載請注明,！