基于Pro/Mechanica的電動(dòng)刀架上刀體的模態(tài)分析

曾齊高，羅 飛，楊世龍，黃燈生，鄧進(jìn)華

（1.深圳市龍崗職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東深圳 518172；2.深圳技師學(xué)院，廣東深圳 518040；3.深圳市華領(lǐng)精密機(jī)電有限公司，廣東深圳 518108）

0 引言

從有限元方法（Finite Element Methods）這個(gè)名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了四十多年的發(fā)展歷史，理論和算法都已經(jīng)日趨完善。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿(mǎn)足工程精度的近似結(jié)果來(lái)替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

Pro/Mechanica是Pro/Engineer的一個(gè)模塊，主要包含結(jié)構(gòu)分析和熱力分析兩個(gè)次模塊。其中，結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行零件和裝配體的結(jié)構(gòu)分析，包含靜態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、接觸分析、預(yù)應(yīng)力分析及振動(dòng)分析等；熱力分析模塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和溫度分布分析，并可根據(jù)其熱力狀態(tài)進(jìn)行靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-2]。

電動(dòng)刀架是數(shù)控車(chē)床進(jìn)行自動(dòng)換刀的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)刀架上上刀體的轉(zhuǎn)動(dòng)和刀體的開(kāi)定位、定位與夾緊的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。電動(dòng)刀架采用了由銷(xiāo)盤(pán)、內(nèi)端齒、外端齒盤(pán)組合成的三端齒定位機(jī)構(gòu)，上刀體轉(zhuǎn)位時(shí)無(wú)需抬起，從而排除了冷卻液及切削對(duì)刀架轉(zhuǎn)位時(shí)的侵?jǐn)_。

本文采用Pro/Engineer對(duì)數(shù)控車(chē)床電動(dòng)刀架上刀體進(jìn)行三維建模，利用Pro/Mechanica進(jìn)行模態(tài)分析，獲得上刀體的固有頻率，從而驗(yàn)證了上刀體在數(shù)控加工過(guò)程中的安全性。

1 電動(dòng)刀架上刀體的三維建模

本文選用的刀架為L(zhǎng)DB4系列電動(dòng)刀架，由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、三端齒定位機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置以及上下刀體組成。本文選用該電動(dòng)刀架的上刀體進(jìn)行分析，利用Pro/Engineer Wildfire 5.0對(duì)其進(jìn)行三維建模，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)刀架上刀體

2 電動(dòng)刀架上刀體的模態(tài)分析

文中首先運(yùn)用Pro/Engineer Wildfire5.0建立3D模型，再用Pro/Mechanica軟件進(jìn)行FEM分析，求解出固有頻率，具體步驟如圖2所示。

圖2 車(chē)刀的有限元分析步驟

2.1 設(shè)置材料并指定材料

文中所用的數(shù)控車(chē)刀由多個(gè)部分組成，每一部分的材料是不一樣的，其中刀粒采用的是WC硬質(zhì)合金材料[5]，其他部分采用鋼材料，其特性參數(shù)如表1所示。

表1 材料特性參數(shù)表

2.2 網(wǎng)格劃分

利用Pro/Mechanica的AutoGEM功能對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到邊數(shù)5 204，面數(shù)7 139，四面體數(shù)3 043，最小邊角5.03°，最大邊角168.91°，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.3 設(shè)置約束

根據(jù)電動(dòng)刀架在加工過(guò)程中的實(shí)際情況，刀架底面需固定，所以設(shè)置平面約束，刀架在換刀時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)，換完刀之后刀架需要銷(xiāo)釘固定，所以設(shè)置銷(xiāo)釘約束，所以具體如圖4所示。

2.4 模態(tài)分析計(jì)算

由于模態(tài)分析無(wú)需加載荷，完成上述步驟即可進(jìn)行模態(tài)分析，設(shè)置模態(tài)分析模式數(shù)為8，分析其不同模式的應(yīng)力、位移、應(yīng)變等，具體分析結(jié)果如圖5所示。

如圖6所示，數(shù)控車(chē)床電動(dòng)刀架上刀體的前8種模式的頻率隨著模式的增加頻率依次遞增，頻率數(shù)值在4 471.21～8 586.02 Hz范圍之間，根據(jù)數(shù)控加工的運(yùn)行情況下，電源的頻率為50 Hz，低速車(chē)床主軸轉(zhuǎn)速的頻率在100 Hz（相當(dāng)于6 000 r/min）以下，電動(dòng)刀架刀位轉(zhuǎn)換時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min（頻率相當(dāng)于23.3 Hz），為而該上刀體的固有頻率遠(yuǎn)離上述兩個(gè)頻率，所以在數(shù)控加工過(guò)程中，發(fā)生共振的幾率較低，所以電動(dòng)刀架的上刀體在加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)分析運(yùn)行安全、可靠。

圖4 設(shè)置約束

3 結(jié)論

電動(dòng)刀架作為數(shù)控車(chē)床實(shí)現(xiàn)刀位轉(zhuǎn)換的重要組成部分，其動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣對(duì)加工精度的影響至關(guān)重要。本文運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行電動(dòng)刀架上刀體的3D建模，進(jìn)而利用Pro/Mechanica進(jìn)行車(chē)刀的有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

圖5 模態(tài)分析結(jié)果

（1）數(shù)控車(chē)床電動(dòng)刀架上刀體的前8種模式的頻率隨著模式的增加頻率依次遞增，頻率數(shù)值在4 471.21～8 586.02 Hz范圍之間，而上刀體的固有頻率遠(yuǎn)離數(shù)控加工過(guò)程中產(chǎn)生的工作頻率，所以在數(shù)控加工過(guò)程中，發(fā)生共振的幾率較低，所以電動(dòng)刀架的上刀體在加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)分析運(yùn)行安全、可靠。

圖6 不同模式頻率變化圖

（2）在數(shù)控機(jī)床的安裝階段，應(yīng)盡量避免在數(shù)控機(jī)床的安裝車(chē)間附近出現(xiàn)本文中所分析出來(lái)的上刀體的固有頻率，盡量避免引起共振，引發(fā)安全事故。

［1］羅飛，曾齊高，陳恒亮，等.基于Pro/Mechanica的電梯曳引機(jī)承重梁的模態(tài)分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2014（02）：57-60，101.

［2］二代龍震工作室.Pro/MECHANICA Wildfire 5.0結(jié)構(gòu)/熱力分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［3］喻步賢.數(shù)控車(chē)床的電動(dòng)刀架故障診斷與維修［J］.機(jī)床與液壓，2013（22）：160-162.

［4］曾齊高，羅飛，李積彬.基于MSC.Patran的路燈桿的模態(tài)分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2014（05）：106-108.

［5］周蘭，陳少艾.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修［M］.北京：人民郵電出版社，2007.