高架桥式五坐标龙门加工中心整机动特性分析

来源：华佗小知识

《精密制造与自动化》

东南大学机械工程系　(210096)　倪向阳　张建润

江苏多棱数控机床有限公司　(213012)　彭　文

摘　要　基于试验识别机床各结合面参数,本文建立了机床整机有限元模型,并进行了静态、动态和谐响应分析,在此基础上找出机床结构的薄弱环节,为机床结构优化设计提供技术支持。关键词　有限元建模　有限元分析　模态分析　谐响应分析　结合面

　　在有关项目支持下东南大学与江苏多棱数控机床有限公司合作,开发大型高架桥式五坐标龙门加工中心,机床结构示意图如图1所示。它主要用于航空航天工业中大型铝合金构件和复杂模具的高速、高效、高精度切削加工。为保证该机床具有良好的动、静态特性,在设计阶段进行整机和零部件的动力学建模与动、静态特性分析,以确保机床具有良好的动态特性和优良的加工性能。

键,因此整机建模时结合面的参数正确与否,对整机有限元模型的建模精度具有举足轻重的作用。本文针对影响整机建模精度的关键结合面———导轨副进行动态试验,识别出导轨结合面参数,把这些参数应用于整机建模,以确保整机的建模精度。

图2所示为测试系统示意图:测试时将滑台置于滑座上,由于滑座的质量远大于滑台质量,且滑座与滑台的刚度相对结合面刚度大得多,因此滑座与滑台系统可以近似为单自由度系统。系统在各方向产生第一阶模态将由导轨结合面相应方向刚度单独决定,因此可以采用分量分析法来识别出该结合面参数

[4]

。

1.立柱;2.滑座;3.滑台;4.横梁;5.拖板;6.箱体;7.轴;8.电主轴架;9.电主轴

图1　机床结构示意图

对于这种大型机床的复杂结构,由于零部件装配结合面参数的不确定性,直接建立能描述结构动、静态特性的准确有限元模型是十分困难的

[1]

图2　测度系统示意图

。本文

测试得系统在z向固有频率为437.5Hz,在该频率附近相干系数为0.95,因此认为该频率即为滑座与滑台系统z方向第一阶固有频率,该频率点系统

π2・阻尼损耗因子为0.11%。由式K=4m・f(m为滑台质量,f=437.5),可计算出导轨z向刚度为4.11×10N/mm。用相同的方法测出其它方向结合面

通过试验测试的方法识别出机床主要结合面参数,并应用到整机有限元建模中,得到了较准确的机床整机有限元模型,在此基础上进行机床动、静态特性分析,得到了可靠的分析结果

1.1　结合面参数识别

[2][3]

。

1　结合面参数识别与整机有限元建模

参数。同时其它导轨结合面也采用此法识别。

1.2　整机有限元建模

机床结合面是影响整个机床动、静态特性的关

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首先建立机床各主要零部件三维CAD模型并

2005年第1期(总第161期)

进行装配,得到整机CAD模型。把整机CAD模型导入有限元分析软件中,用SOLID185D单元对模型进行网格划分,用上面测试得到的结合面参数来定义弹性-阻尼单元,模拟结合面对整机性能的影响,得到整机有限元模型。根据实际边界条件,对机床底部进行约束处理。为了得到更精确而又计算方便的整机有限元模型,在建模时对某些重要区域的网格进行局部细化,提高网格划分质量。

最终得到整机有限元模型共有11.2万Solid185单元、2个Mass21单元、1个Beam24单元和60个Spring-damp单元,如图3所示。

图4　整机第1阶振型(频率47.3Hz)

图3　整机有限元模型

2　整机动、静态特性分析2.1　静力分析

图5　整机第3阶振型(频率79.0Hz)

静刚度是衡量机床性能优劣的一个重要指标。分析时模拟加工过程在刀具部位x、y、z三个方向各加2000N的切削力,则刀具在三个方向作用力下的位移si和刚度值尺Ki见表1所示。

表1　静力分析结果

-3

si(10mm)

Ki(10N/mm)

XYZ

7.6505.3522.960

2.6143.7376.757

　　从静力分析可以看出该机床x方向静刚度相对较弱,这是由于机床刀具部位在受x向载荷时,横梁产生了扭曲变形所致。

2.2　模态分析对整机模型进行模态分析,可以得到整机的动态特性,计算分析得系统前20阶固有频率和主振型。其中能明显表现出机床动态特性的是第1、3、5阶振型,这三阶振型如图4、5、6所示。

从振型图可以看出第1阶振型主要是机床的y

图6　整机第5阶振型(频率119.5Hz)

向摆动,滑座相对变形量较大;第3阶振型主要是横梁的扭曲与弯曲变形;第5阶振型主要是横梁的扭曲变形和箱体的弯曲变形。

2.3　谐响应分析

模态分析可得到整机各阶振型,但这仅表示机床各部位的相对振动情况,而外力激励下各阶振型

・25・

《精密制造与自动化》

对整机振动作用大小是不同的,因此对整机进行谐响应分析就能更清楚的看出机床在动态切削力干扰下的抗振性能

[5]

第5阶振型主要是横梁的扭曲变形和箱体的弯曲变形。因此设计中如何适当提高滑座y向刚度、横梁抗扭刚度和箱体抗弯刚度,减小动态切削力下机床的这些变形是进一步提高机床动态性能的关键。

3　结　论

(1)机床有限元建模中,结合面参数的确定是影

。在整机有限元模型刀具部位加一

x、y、z分力幅值均为1000N的简谐力,根据模态分析

得到的机床动态特性,设置简谐力频率在40-140Hz范围,用该简谐力对整机激振。图7所示为

该频段简谐力激励下机床刀具的振动响应,这是衡量机床动态性能的重要指标。

响整机建模精度的关键。本文采用的试验法简单,并能有效获得结合面参数。

(2)从整机动、静态特性分析结果可以看出,该机床的动刚度相对于静刚度低很多,说明机床传统的静态设计方法已经不能满足对机床性能要求日益提高的需要。

(3)该高架桥式机床横梁的抗扭刚度、滑座的y向刚度和箱体的弯曲刚度是整个机床的薄弱环节,制约着整机性能的提高,因此如何提高这些刚度值是进一步提高机床性能的关键。参考文献

[1]陈新.高精度内圆磨床结构动力学建模与优化设计研究.博

图7　谐响应分析结果士学位论文.东南大学2001,8

[2]Sun-MinKim,Jae-HoonHa.EffectofjointconditionsonthedynamicbehaviorofagrindingwheelSpindle.InternationalJournalofMa2chineToo1s&Manufacture,2001

[3]纪海慧.CKl416数控车床整机结合面动力学特性建模与仿

谐响应分析可以看出,在动态切削力激励下第1、3、5阶模态容易被激发,在这三阶模态下整机动刚度分别为6.19×10N/mm、2.34×10N/mm和3.18×10N/mm,与静力分析得到的整机静刚度K=3.53×10N/mm相比小很多,因此这几阶振型对

真.精密制造与自动化,2003.1

[4]林循泓.振动模态参数识别及其应用.东南大学出版社,1994

[5]RaJeevS.Vibrationanalysisofmachlnetoo1structure.VⅢIn2terantionalConferenceonRecentAdvancesinStructureDynamics,South2ampton,July2003

整机动态性能影响最大,并且在实际加工过程中机床的性能主要由其动态特性决定。结合模态分析可认为,第1阶振型主要是由于滑座y向刚度相对较弱产生的变形:第3阶振型主要是横梁的扭曲变形:

(上接第55页)产品

类别

产品谱系美法

美国

IBM/DassaultEDS/UnigraphicsCATIASolidWorks

UG、I-DEASSolidEdge

美国PTC

美国

Autodesk

高端CAD中端CAD低端CAD

PDM/PLM

Pro/Engineer、CADDS5

MDT、InventorAutoCAD

参考文献

[1]崔琼瑶、齐从谦.基于参数化技术的自顶向下设计及其应

用.同济大学学报(自然科学版),2002,30(9):1087-1090

[2]王资源,黄力平,二维参数化技术的发展现状及趋势分析.

ENOVIA、

SMARTEAMACISDELMIA、CosMosWorks

广西民族学院学报(自然科学版),1999,5(2):116-118

TeamCenterParasolid

Division

3DStudio

Max

Windchill

[3]孟祥旭、徐延宁,参数化设计研究.计算机辅助设计与图形

几何造

型引擎其它产品

学学报.2002、14(11):1086-1090

[4]彭维,叶修梓,陈志杨.国际CAD产业格局与新兴的CAD技

术公司.计算机辅助设计与图形学学报,2003,15(10):1200-1206

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2005年第1期(总第161期)

ABSTRACT&KEYWORDS　NO.12005

StudyonAnti2rustPerformanceof

GrindingFluidforDiamondWheel

ElectolyticDressing

Abstract:Severalanti2rustadditivesweretestedtoana2lyzeantirustperformanceofgrindingfluidfordiamondwheeldressingprocesses.Therationalcontentofeachadditiveingrindingfluidwasselected.Contentsofsev2eraladditivedsingrindingfluidofdifferertNaClcon2centrationwerealsodeterminedthoroughantirusttests.Compositionofgrindingfluidfordiamondwheeldress2ingispresented.Moreover,electrolyticexperimentofgringdingfluidwasfinished.

Keywords:Electolytic,Grindingfluid,Diamondwheel,Dressing

FiniteElementModelingandAnalysisofGantry2type52axisMachiningCenterStructureAbstact:Inthispaper,experimentswereperformedtoidentifytheparametersofinterfacesinthemachinetool.Andtheseparametersareappliedtothefiniteele2mentmodelingofaviaducttype52axismachine2center.Thestatic,modalandharmonicanalysisofthemachi2ningcenterarecarriedoutinthispaper,thenwecanfindtheweaknessofthismachiningcenter,toimprovethemachinecenterdesign.

Keywords:Finiteelementmodeling,Finiteelementa2nalysis,Modalanalysis,Harmonicanalysis,InterfaceStudyontheApplicationofPWMto

theControlofTime2DelaySystem

Abstract:Inthispaper,westudytheapplicationofPWMcontrollerinobjectwithtimedelay,theMAT2LABsimulationtechniqueismadeuseoftostudyhowtodesignthePWMcontrollerforafirstorderlagprocesswithdeadtimerelationsbetweenthesamplingperiodandcontrollingperformancesuchasresponsespeeds,staticerror,dynamicerroretc,andthesam2plingperiod’scoverageineverysense.Keywords:Timedelay,Pulse2width2modulation(PWM),Simulation,Samplingperiod

StudyonAnomalySteppedBore

MachiningMethods

Abstract:Thistextdiscussesthemachiningmethodsa2boutmachiningtheanomalysteppedboresoftrunkpartswithmachiningcenter.Thetraitsoftheseboresaresmallinouterandbigininner,sothemachiningaccuracyandsurfacequalityisverydifficulttobeguar2anteed.Thesemethodsdescribedinthistextareidio2

graphic.

Keywords:Anomalysteppedbore,Machiningcenter,Machiningmethods,NCprogramming

TheModelofSelectingandEvaluatingMechanismTypeUsingBPNeuralNetwork

inLayoutdesign

Abstract:Basedontheprincipleofindexsystemsyn2theticallyevaluatinginBPneuralnetwork,byestablis2hingindexsystemwhichinfluencemechanismtype,themodelofselectingandevaluatingmechanismtypeissetupinlayoutdesign,usingBPneuralnetwork.Thismethodprovidesapowerfultoolforscientificdecision2making.

Keyworks:BPneuralnetwork,mechamismtype,themodelofselectingandevalustingTheDesignandSimulationofFuzzyControllerBasedonGeneticAlgorthms

Abstract:Thecorrectchoiceofmembershipfunctioninfuzzycontrolisthekeytofuzzycontroller’sdesgn.Thedynamicperformance,staticperformanceandcontroleffcetinfuzzycontrolsystemaredecidedbymember2shipfunction.Tothelackofimprovingthetraditionmethodofgettingmembershipfunction,themember2shipfunctionisoptimizedbytheimprovedgeneticalgo2rithms.Theoptimizedmembershipfunctionisbetterthanthetraditionalone.Theresearchshowsthatthefuzzycontrollerwithoptimizedmembrshipfunctionisimprovedoncontroller’squailty.

Keywords:Fuzzycontrol,Membershipfunction,Ge2neticalgorithms,SimulationH∞DirectYaw2MomentControlFor

FourWheelSteerVehicle

Abstract:Basedontheproportional4wsmodel,thispaperproposesanewVSCschemeforimprovingvehi2cleperformanceandstability.Itconsistsof4WSandDYC,whichisthatthedriving/brakingforceiscon2trolleddependingonthevehiclestate.Usingmodel2matchingtechnologyandH∞theory,wedesignedthefeedbackcontrollerbyMATLAB2LMItoolbox,sotheactualvehiclecantracedesiredmodelquicklyontheactionofadditionalyaw2moment.Severalsimulationswereconductedatlowandhighspeed,andtheresultsshowthatthisVSCcontolledvehiclehasbetterperform2anceandstabilitythanFWSand4WSvehicle.

Keywords:4WS(fourwheelsteer),H∞VSC(vehiclestabilitycontrol),MATLAB2LMItoolbox,Simulation

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