重心驅(qū)動式龍門銑床滑枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

文懷興，亢亞巍

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安　710021)

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重心驅(qū)動式龍門銑床滑枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

文懷興，亢亞巍

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710021)

摘要：介紹了重心驅(qū)動理論的原理，并利用該理論對某龍門銑床的滑枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過有限元分析軟件ANSYS Workbench對改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，根據(jù)對比得到的應(yīng)變圖和前六階固有頻率及振型圖證明“重心驅(qū)動”理論能夠明顯改善滑枕的靜動態(tài)特性。進(jìn)一步對改進(jìn)前后的Z軸進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析對比，仿真結(jié)果表明改進(jìn)后的Z軸進(jìn)給系統(tǒng)較好的避免了共振現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：重心驅(qū)動；滑枕；有限元分析；諧響應(yīng)

0引言

制造業(yè)的不斷發(fā)展對機(jī)床性能提出了越來越高的要求，高速進(jìn)給、高精加工已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床的研究方向。滑枕是龍門銑床的重要部件，它的性能對銑床的加工精度與效率有著很大的影響[1]。傳統(tǒng)的滑枕進(jìn)給多采用單絲杠驅(qū)動，驅(qū)動力方向不在滑枕重心上，因此在滑枕運(yùn)動的過程中會受到較大的扭矩，這使得加工精度受到了較大影響。而安裝平衡缸雖然能減小這些影響，但是由于平衡缸回路中閥體等元件的回油速度有限，又使得滑枕在啟停、換向時的速度受到限制[2]。而采用“重心驅(qū)動”理論設(shè)計的滑枕能較好地解決上述問題，有效提高加工速度與精度。“重心驅(qū)動”首先由日本森精機(jī)制作所提出，目前日本森精機(jī)制作所已經(jīng)將“重心驅(qū)動”技術(shù)運(yùn)用到多種型號的加工中心上，還解決了運(yùn)動方向改變時的反向間隙和振動問題，提高了機(jī)床的運(yùn)動精度[3]。

1重心驅(qū)動簡介

在驅(qū)動力推著物體運(yùn)動的過程中，如果力F的作用線沒有通過物體的重心G，就會產(chǎn)生一個額外的扭矩，使物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，造成滑枕的低頭現(xiàn)象，從而影響運(yùn)動的穩(wěn)定性[4](見圖1)。采用“重心驅(qū)動”這一思想，就是要在設(shè)計的時候盡量使驅(qū)動力通過物體的重心，這樣便可減小運(yùn)動時的擾動、提高運(yùn)動精度。

圖1　非重心驅(qū)動示意圖

2采用重心驅(qū)動的滑枕結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文以南京四開數(shù)控裝備制造有限公司設(shè)計生產(chǎn)的某龍門銑床為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。該銑床的Z軸進(jìn)給系統(tǒng)由單絲杠驅(qū)動，絲杠位于滑枕與托板之間；滑枕與滑座之間的結(jié)合面采用硬軌，摩擦系數(shù)為0.03；主軸為插入式結(jié)構(gòu)，主軸電機(jī)安裝在滑枕前方，通過帶輪帶動主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)安裝在滑枕前方，使得整體的重心進(jìn)一步前移，而絲桿提供的驅(qū)動力在滑枕后方，造成運(yùn)動時產(chǎn)生較大的扭矩，影響Z軸進(jìn)給運(yùn)動的穩(wěn)定性。運(yùn)用“重心驅(qū)動”對其進(jìn)行改進(jìn)的方法是：運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks對主軸電機(jī)、電機(jī)支架、打刀缸、主軸、滑枕組成的裝配體添加材料并確定整體的重心位置，然后采用兩根相同規(guī)格的滾珠絲杠對稱分布在滑枕的兩側(cè)，且兩個絲杠螺母連線正好處于上述裝配體的重心位置[5-7]。改進(jìn)前后的模型如圖2a、2b所示(為方便后續(xù)的有限元分析，托板、模型中的絲杠與滑枕連接處做了簡化處理，驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動的電機(jī)及支架省略)。

圖2　改進(jìn)前(單驅(qū))與改進(jìn)后(雙驅(qū))的滑枕模型

3有限元分析

利用有限元軟件ANSYS Workbench對改進(jìn)前后的龍門銑床Z軸進(jìn)給單元進(jìn)行靜動態(tài)分析[8-9]，可以檢驗“重心驅(qū)動”理論是否能夠改善龍門銑床Z軸進(jìn)給系統(tǒng)的靜動態(tài)特性。

3.1結(jié)構(gòu)的有限元建模

圖3　絲杠螺母結(jié)合面等效模型

建立精確的有限元模型是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)。本文采用的有限元建模方法是：在SolidWorks軟件中對各個零件進(jìn)行簡化處理(包括去除對分析影響不大的孔、倒角和一些復(fù)雜結(jié)構(gòu))；將處理后的裝配體直接導(dǎo)入ANSYS Workbench中，分別設(shè)置各個零件的材料屬性；網(wǎng)格劃分方式選擇智能網(wǎng)格劃分；結(jié)構(gòu)的結(jié)合面建?？梢詣澐譃槿N類型：Bonded方式(包括主軸電機(jī)與電機(jī)支架之間、電機(jī)支架與滑枕之間、打刀缸與滑枕之間)、Frictional方式(即滑枕與托板之間的硬軌接觸，摩擦系數(shù)根據(jù)硬軌的加工標(biāo)準(zhǔn)確定)、Spring等效方式(即絲杠與螺母的接觸[10]，等效模型如圖3所示，剛度值和阻尼值根據(jù)絲杠型號確定)；邊界條件為滑座底面和絲杠兩端的固定支撐方式。

3.2靜態(tài)分析

靜態(tài)分析是用來計算結(jié)構(gòu)在受到靜態(tài)載荷作用時變形情況。對于Z軸進(jìn)給系統(tǒng)來說，主要是靜止情況下所受的重力。在ANSYS Workbench的靜力分析模塊中設(shè)置重力加速度、添加邊界條件、網(wǎng)格劃分并求解之后，得到改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖，結(jié)果如圖4a、4b所示。

(a)改進(jìn)前(單驅(qū))的靜力分析應(yīng)變圖

(b)改進(jìn)后(重力驅(qū)動)的靜力分析應(yīng)變圖

由圖4可以看出，兩種情況下的變形最大值均出現(xiàn)在滑枕底部，即所謂“低頭”現(xiàn)象。這是因為主軸采取“插入式”安裝，主軸電機(jī)的質(zhì)量很大(164.3kg)，迫使滑枕底部出現(xiàn)較大的變形。未采用“重心驅(qū)動”理論設(shè)計情況下的低頭量為4.25x10-5m，而根據(jù)“重心驅(qū)動”理論設(shè)計情況下的低頭量為2.89x10-5m。對比可知，采用“重心驅(qū)動”理論可使主軸低頭量減小32%，大大提高了系統(tǒng)的靜態(tài)剛度。這是因為絲杠前移，絲杠力形成的扭矩平衡了一部分由主軸電機(jī)重力形成的扭矩，提高了滑枕的靜態(tài)性能。

3.3模態(tài)分析

模態(tài)分析是最基本的動力學(xué)分析，也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。它可以幫助設(shè)計人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振，并指導(dǎo)工程師預(yù)測在不同載荷作用下的振動形式[11]。此外，模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)的自振周期，從而幫助分析人員確定合理的瞬態(tài)分析時間步長。在ANSYS Workbench中對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，提取各自的前六階固有頻率和振型。表1為改進(jìn)前單驅(qū)和改進(jìn)后雙驅(qū)兩種方式下進(jìn)給系統(tǒng)的前6階固有頻率及振型；圖5為改進(jìn)后雙驅(qū)進(jìn)給方式的前6階振型圖。

表1　改進(jìn)前后兩種方式下進(jìn)給系統(tǒng)的前6階固有頻率及振型

圖5　改進(jìn)后雙驅(qū)進(jìn)給方式的前6階振型圖

該龍門銑床的主軸最大轉(zhuǎn)速為4000rpm，據(jù)此可知主軸激振頻率范圍為0~66.67Hz，為保證進(jìn)給系統(tǒng)較高的動態(tài)性能，應(yīng)使系統(tǒng)的固有頻率在66.67Hz以上。

結(jié)合表1及圖5可以看出，沒有采用重心驅(qū)動技術(shù)設(shè)計的進(jìn)給系統(tǒng)，其固有頻率普遍偏低，其中前三階固有頻率處在主軸激振頻率范圍內(nèi)，因此容易產(chǎn)生共振，影響加工精度；且各階振型的主振點(diǎn)均發(fā)生在滑枕中下部，即刀具所在的地方，因此對加工精度的影響更加不容忽視。而采用重心驅(qū)動技術(shù)設(shè)計的Z軸進(jìn)給系統(tǒng)，前六階固有頻率除第一階以外相比改進(jìn)前均得到了大幅度提高，其他各階固有頻率均處于機(jī)床主軸激振頻率范圍以外，而對于前四階振型，主振點(diǎn)均發(fā)生在主軸電機(jī)或者電機(jī)支架處，滑枕的振型值為0，說明即使激振頻率達(dá)到前四階固有頻率，滑枕底部的振動幅度也微乎其微。綜上可知，重心驅(qū)動技術(shù)大幅提升了Z軸進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能。

3.4諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析可以確保一個給定的結(jié)構(gòu)能經(jīng)受住不同頻率的各種正弦載荷(如以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電機(jī))，同時諧響應(yīng)分析可以探測共振響應(yīng)，并避免其發(fā)生[12]。

機(jī)床運(yùn)行時的切削力會影響到Z軸進(jìn)給系統(tǒng)的精度。因此，假定刀具處的切削力為簡諧干擾力。而主軸轉(zhuǎn)速為0~4000rpm，對應(yīng)頻率范圍為0~66.6Hz，結(jié)合之前的模態(tài)分析可知，改進(jìn)前的前三階固有頻率和改進(jìn)后的第一階固有頻率在此范圍內(nèi)，故此次諧響應(yīng)分析主要考慮前三階固有頻率。最后輸出改進(jìn)前后兩種結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)X向應(yīng)變圖(假定簡諧干擾力為X向)。圖6a為改進(jìn)前的單驅(qū)響應(yīng)曲線，圖6b為改進(jìn)后的雙驅(qū)響應(yīng)曲線。

對比看出，單驅(qū)情況下的Z軸進(jìn)給系統(tǒng)在53.54Hz和58.092Hz時的振幅最大，正好對應(yīng)其第二、第三階固有頻率，這兩個頻率下的振幅分別為21.403mm和12.487mm，這種數(shù)量級的變形是不容忽視的；重心驅(qū)動情況下的Z軸進(jìn)給系統(tǒng)在各個頻率下的振動幅度大部分都不足10-3mm，最大振幅出現(xiàn)在第一階固有頻率處(50.66Hz)，振幅為2.0078x10-2mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單驅(qū)情況下的變形。通過分析可知，重心驅(qū)動方式極大地提高了機(jī)床的動剛度。

圖6　改進(jìn)前后的X向簡諧響應(yīng)曲線

4結(jié)論

本文介紹了重心驅(qū)動的基本原理，并運(yùn)用該理論對某龍門銑床Z軸進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，建立了雙驅(qū)進(jìn)給三維模型；利用 Workbench 對改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析與模態(tài)分析，證明重心驅(qū)動原理大幅提升了Z軸進(jìn)給系統(tǒng)的靜剛度，改善了結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能；通過對改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析證明重心驅(qū)動方式極大地提升了機(jī)床的動剛度，很好的減輕了共振現(xiàn)象的影響。

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(編輯李秀敏)

Design and Analysis of Antry Milling Machine Based on DCG

WEN Huai-xing，KANG Ya-wei

(School of Mechatronic Engineering，Shanxi University of Science & Technology，Xi′an 710021，China)

Abstract：This paper introduced the principle of Driven by Center of Gravity (DCG),and using the theory the structure of ram on a Gantry Milling Machine is improved. It can be proved that the DCG theory can improve the static and dynamic characteristics of the ram according to the comparison of the stress diagram ,strain diagram and the first six order natural frequency and vibration type map which are obtained from the static analysis and modal analysis by the finite element analysis software ANSYS Workbench to the old and improved structure.Further,through the comparison of harmonic response of improvemd and unimproved Z-axis feeding system,the result show that the improvemd Z-axis feeding system eliminate the resonance phenomenon obviously.

Key words：driven by center of gravity (DCG);ram;finite element analysis;harmonic response

中圖分類號：TH122;TG65

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：文懷興(1957—)，男，陜西武功人，陜西科技大學(xué)教授，博士，研究方向為數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計與制造、機(jī)電一體化設(shè)備與控制、數(shù)控技術(shù)、成型工藝，(E-mail)wenhx@sust.edu.cn。

收稿日期：2015-03-19；修回日期：2015-04-20

文章編號：1001-2265(2016)01-0046-03 1001-2265(2016)01-0049-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.013 10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.014