數控機床加工精度與機床結構、材料、伺服驅動系統、數控系統、加工過程有著密切聯系?,F代數控機床向著高速、高精度、高性能的方向發展,對機床的動態性能提出了更高需求。因此對機床動態性能深入細致的研究是必要的。機床的動態特性是由其自身的質量、阻尼、剛度以及外部激勵共同決定的。對機床的動態特性研究包括了模態分析,諧響應分析等分析。其中機床模態分析得到的結果是后面分析計算的基石,通常根據機床動力學分析結果來對機床進行優化設計達到改善機床的動態性能的目的。
近些年國內有許多針對機床的動態特性的研究。其中文獻[1]中研究了機床振動的基本理 論,機床動力學建模與動態性能優化設計的方 法; 在文獻[2]中針對機床立柱的結構動力學分析提出了一個新的基于拓撲優化方法的立柱結構設計,有效的提高了機床的動態特性; 文獻[3] 對機床床身和立柱在有限元軟件中進行了諧響應分析; 文獻[4]、[5]中分別使用 Ansys work-
bench 和 ABAQUS 對機床工作臺和夾具進行了結構優化設計; 在文獻[6]中,針對板條狀結構提出了基于變密度理論固體各向同性微結構材料懲罰模型法的拓撲優化設計方法并且證明了該方法的實用性; 文獻[7]中將拓撲優化的方法進一步的推廣到更一般的多物理及多學科的問題求解中,使得拓撲優化設計在工程中得到更好的應用; 文獻[8]在 Hypermesh 中完成了機床橫梁的輕量化設計; 文獻[9]、[10]中分別在 Ansys 和
Abaqus 中對超高速機床主軸和立式加工中心進
行了模態分析。
研究近些年的文獻發現,機床的動態特性分析與優化主要圍繞機床的立柱或者主軸箱局部部位展開,很少有關注機床的整機動態性能。因此將主軸箱作為首要的優化目標,立柱為次要改進目標,對機床整機進行優化設計。采取拓撲算法優化主軸箱外形,同時增加筋板改善機床立柱動態性能。仿真結果表明,這種優化方案很好的改善了機床穩定性。
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3 結束語
應用有限元分析軟件對加工中心機床整體結構進行了動力學分析。通過對整體結構的模態分析,得到了機床的前 5 階固有頻率,并且分析機床在各階段的變形圖,得出主軸箱和立柱部位是影響機床動態性能的關鍵部件,其中主軸箱又是直接受力的部件。同時對機床進行諧響應分析,確定機床結構對施加的 2 000 N 正弦激勵的響應,得到了x 方向上響應曲線,在 x 方向響應曲線上可以看出一,二階固有頻率極大的影響了機床動態性能。因此確定以機床主軸箱為主要目標進行優化,立柱為次要目標。
采用拓撲優化的方法對機床主軸箱的設計提供理論指導,基于拓撲優化結果對主軸箱結構重新設計,并且為立柱兩側增加筋板。對重新設計的機床主軸箱和機床整體結構進行了動態特性分析。分析結果顯示,新的機床主軸箱各階固有頻率增幅為 10% 左右,機床整機各階固有頻率增幅為 4% 左右,共振峰值減少了 2. 274% 。對比結果表明,對主軸箱和立柱的優化方案顯著的提高了機床部件和整機的動態性能,具有很高的實用價值,為機床進一步設計提供了指導依據。
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