基于結合部動力學特性的立式加工中心整機動力學模型研究
機床動態性能是指機床抵抗振動的能力， 包括其抗振性和穩定性。機床中存在的各類結 合部破壞了整機結構的連續性，其結合面的阻 尼、剛度分別占整機阻尼和剛度的90%和60% 以上[1]，嚴重影響整機的動態性能。隨著機床 加工性能的不斷提高，對機床動態性能的要求 也越來越高。如何準確建立機床整機有限元模 型是整機動態性能分析的關鍵。國內外學者在 結合部方面做了大量研究，主要包括結合部的動力學建模以及結合部參數辨識。日本吉村尤 孝[2]曾在考慮結合面特性的基礎上建立了雙柱 立式車床的分布質量梁的動力學模型。王世軍 等[3]基于導軌結合部特性參數建立機床整機性 能分析有限元模型。Zhang等[4】應用均質梁、集 中質量及結合部單元對機床進行整機動態建 模，基于結合面的動態基礎特性參數，應用子 結構建立了整機系統的動力學方程，對整機動 態性能進行了預測。吳文鏡等[5]提出一種適合機床動態分析的拓展傳遞矩陣法，應用狀態矢 量傳遞思想對剛體、柔體和結合面三類元件行 整合，得到用一個高維矩陣表示的整機模型， 求解該高維矩陣即可得到整機的動態特性。王 禹林等[6]采用彈簧阻尼單元等效結合部特性， 應用吉利•允孝法確定結合部參數，基于結合部 對大型螺紋磨床整機進行靜動態特性優化。張 宇等m采用等效彈賛阻尼器等效結合面特性， 基于機械阻抗綜合法推導出一種直接利用結構 實測頻響函數識別機床結合部參數的方法。 針對立式加工中心整機動態性能分析的需 要，本文采用模態參數辨識法識別導軌滑塊結 合部的接觸剛度和阻尼系數，應用吉村允孝法 確定固定結合部的接觸剛度和阻尼系數，同時 建立滾珠絲杠結合部動力學模型并計算其軸向 接觸剛度。基于辨識的結合部等效特性參數在 有限元軟件中建立機床整機有限元模型，對其 進行模態分析和諧響應分析。通過整機錘擊法 模態試驗驗證了該有限元模型的準確性，并在 此基礎上重點分析立柱-床身間結合部動剛度 整機動態性能的影響。1結合部動力模型本文研究的立式加工中心主要由床身、床鞍、工作臺、立柱、主軸箱、主軸六大功能部 件組成，其結合部主要包括導軌滑塊結合部、 螺栓結合部、滾珠絲杠及軸承滾動結合部。由 于軸承結合部的剛度可通過產品手冊直接獲 取，本文僅針對導軌滑塊結合部、滾珠絲杠結 合部，螺雜合部闡述其動力學建模方法. 2結合部動力學建模及參數辨識2.1導軌滑塊結合部采用有限元法建立結合部的動力學模型, 結合試驗模態分析結果，利用優化思想對導軌 結合部的接觸剛度和阻尼系數進行了有效的辨 識[8]。導軌滑塊模態試驗中導軌為PMI公司的 MSA-30E滑塊導軌，試驗采用LMS公司的LMS 系紐行數據采集及模態參數分析。織采用 多點激勵，單點響應的測量方式，測點布置及 現場試驗如圖2所示，將加速度傳感器安裝在 圖中點9處，共布置45個激勵點。 針對滑塊導軌系統建立其有限元模型，導軌滑塊由合金鋼制成，彈性模量為2.06 xlOu Pa,密度為7800 kg/m3,泊松比為0.3。在有限 元建模時采用六面體單元劃分滑塊與導軌，共 4560個單元，5901個節點。忽略滾動體的質量， 用12個彈簧阻尼單元模擬單個滑塊與導軌間 的可動結合部，布置在滑塊前、中、后三個截 面上。每個截面共分布4個彈簧阻尼單元，其 位置根據滑塊滾珠和導軌接觸形式分別垂直于 導軌滑塊并與水平方向成45°夾角，其等效動力 學模型如圖3所示。辨識的導軌結合部剛度為5.83 x 108 N/m， 阻尼為7715 N s/m。表1和表2列出前4階固 有頻率、阻尼比的試驗值和仿真值比較結果， 表明建立的有限元模型較為準確地反映了導軌 滑塊結合部的動力學特性。2.2滾珠絲杠結合部 機床結構中滾珠絲杠承擔進給方向主要載荷，在動力學分析時主要考慮其軸向接觸剛度, 圖4為其結合部的動力學模型 表1結合部剛度試驗值和仿真值對比 階數 搬ftyife 仿真值/Hz 誤差/% 1 983.8 982.4 0.14 2 3015,7 3017.3 0.05 3 3393.2 3586.2 4.78 4 3555.5 3634.9 1.4 2結合部阻尼比試驗值和仿真值對比 階數 纖{t/Hz 仿真值/Hz 織％ 1 1.52 1.53 0.65 2 1.39 1.42 2.16 3 1.79 1.78 0.56 4 1.67 1.60 4.19 式中：足為滾珠絲杠結合部軸向剛度心，N/m; &為絲桿軸向剛度，N/m;知為螺母組件軸向 剛度，N/m;心為滾珠絲杠支承軸承軸向剛度，軸承剛度可以通過產品樣本獲取。絲杠螺 母組件軸向剛度可由赫茲接觸理論獲得，具體 計算過程可參考文獻[9] 。在滾珠絲杠有限元模型中，采用solid45單 元對絲杠、螺母進行網格劃分，采用彈簧阻尼 單元模擬軸承剛度與絲杠螺母軸向剛度。2.3螺栓結合部 螺栓結合部大量存在于機床結構中，其動 力學特性與結合面的面壓、潤滑情況、材質、 加工質量等有關。日本學者吉村允孝對機床結 合面等效剛度和等效阻尼進行了實驗研究，提 出只要平均接觸壓力相同，單位面積結合面的 動態特性參數就相同，且建立了結合面在不同 單位面積正壓力和不同結合條件下的等效剛度和等效阻尼數據庫[叫〇根據吉村允孝法，通過 式(3 )可獲得結合部的等效剛度和阻尼系數。3整機有限元建模及試驗驗證3.1立式加工中心基本參數螺栓結合部、滾珠絲杠、軸承鉢參數如 表3 ~表6所示。基于辨識的結合部參數，在對立式加工中心整機進浦態分析和諧相 應分析，獲取表7所示的系統固有頻率及圖6 所示的軸端響應曲線。 ANSYS中建立如圖5所示的立式加工中心整機 有限元模型。 對整機動態性能影響較小的結合部，在有 限元軟件中采用粘接處理。基礎件床身、床鞍、 工作臺、立柱、主軸箱材料為HT250,主軸、 直線導軌、滾珠絲杠材料為鋼，其動態特性分 析有限元基本參數如表6所示。3.2立式加工中心整機模態試驗 為驗證立式加工中心整機有限元模型的準確性，對整機進行鍵擊法模態試驗。試驗采用 力錘激振，加速度傳感器拾取響應信號。通過 試驗獲取機床固有頻率及主軸軸端加速度頻率 響應函數。 試驗現場如圖7所示，試驗結果如圖6、 表7所示。 表7固有頻率試驗仿真對比結果 序號 離<t/HZ 仿真值/HZ 誤差/% 1 56.25 50.12 10.9 2 81.25 75.10 7.60 3 103.1 114.3 10.7 4 118.8 127.1 6.99 5 171.9 162.1 6.05 6 331.3 358.9 8.33 7 378.1 389.3 2.96 8 393.8 397.9 1.04 9 406.3 416.7 2.56 10 425 433.6 0.32 11 443.8 445.2 0.32 12 496.9 498.9 0.40 表7為固有頻率試驗值和仿真值對比結果 (以前12階為例），除第一階誤差較大之外， 其余階誤差相對較小，說明所建立的立式加工 中心有限元模型是準確的。表7為固有頻率試驗值和仿真值對比結果 (以前12階為例），除第一階誤差較大之外， 其余階誤差相對較小，說明所建立的立式加工 中心有限元模型是準確的。對比圖6中主軸軸端得加速度頻率響應函 數曲線，可以看出難值和仿真值變化趨勢相 近，波峰值頻率對應較好，進一步驗證了有限 元模型的準確性。試驗和仿真對比結果表明建立的立式加工 中心有限元模型是準確的，可作為整機動態性 能分析的基礎。4立式加工中心結合部影響分析基于準確的立式加工中心整機有限元模 型，本文重點研究了立柱-床身間螺栓結合部 法向、切向動剛度對整機前5階固有頻率影響 (關心200 Hz以內頻率）。從圖8的仿真分析結果可以看出，隨著立 柱-床身螺栓結合部法向、切向剛度的增加， 機床前5階固有頻率也隨著増加。當剛度增加 到一定程度時，整機固有頻率也趨于穩定。 對比圖8 (a)和（b)可以看出結合部不同 方向的動剛度對整機的固有頻率影響趨勢大致 相同，但影響程度不同。隨著剛度增加，前5 階固有頻率中，第1階模態固有頻率增長率最 高。當趨于穩定值后，圖8 (a)中系統第1階 模態固有頻率提高15.9%，圖8 (b)中系統第1階模態固有頻率提高10.9%。根據法向、切向剛度對立式加工中心整機 固有頻率的影響程度分析，可以選擇法向、切 向剛度的最優組合。5結論本文闡述了一種立式加工中心結合部及整 機動力學建模的基本方法。基于優化思想、吉 村允孝法、赫茲接觸理論辨識結合部等效接觸 剛度和阻尼系數。基于辨識的結合部等效剛度和阻尼系數， 建立了立式加工中心整機有限元模型。結合有 限元仿真分析與整機鍵擊法模態試驗結果驗證 了該有限元模型的準確性，表明文章闡述的立 式加工中心有限元模型方法的準確性。準確的有限元模型為立式加工中心整機動 態性能的分析和預測奠定了基礎，其分析結果 可作為產品設計時的參考。本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！