基于剛?cè)狁詈狭⑴P式機(jī)床模型絲杠振頻分析

宣賀 華青松 張洪信 程聯(lián)軍 趙清海 張鑒 張昊 張晨

摘要： 為給具有不同切削特征的高精密立式機(jī)床和臥式機(jī)床選擇合適的機(jī)床，本文以絲杠的振動特性為研究對象，采用有限元和虛擬仿真技術(shù)，建立高精密臥式機(jī)床和立式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并對立式及臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)絲杠的振動特性進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，無論是在z軸方向還是在x軸方向上，立式和臥式機(jī)床絲杠的位移變化都比較小，說明建立的進(jìn)給系統(tǒng)模型的精密性較高；在本文所添加的材料屬性和切削力的條件下，立式機(jī)床工作臺運(yùn)動特性比臥式機(jī)床劇烈，說明臥式機(jī)床的精度較高，所以在相同條件下應(yīng)該選擇臥式機(jī)床加工零件；無論臥式機(jī)床還是立式機(jī)床，工作臺在z軸方向的位移變化比在x軸方向的位移變化劇烈。該研究為z軸方向的后期優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 高精密機(jī)床； 進(jìn)給系統(tǒng)； 剛?cè)狁詈夏Ｐ停?絲杠； 切削力

中圖分類號： TG502.14文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

收稿日期： 20170326； 修回日期： 20170824

基金項目： 國家科技重大專項資助項目（2015ZX04005001）；國家自然科學(xué)基金項目資助（51275040， 51575286）；山東省自然科學(xué)基金資助項目（2014ZRB01503）

作者簡介： 宣賀（1992），男，河北滄州人，碩士研究生，主要研究方向為車輛動力系統(tǒng)。

通訊作者： 華青松（1975），男，江蘇人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為新型動力傳動系統(tǒng)。Email： 8988596@qq.com隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，機(jī)床產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)，無論是在航空技術(shù)還是在現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展水平上，對所需的材料和型面要求都比較高，所以必須采用高精密數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工和制造[12]。在零件加工過程中，機(jī)床零部件會發(fā)生變形，所以考慮零件的柔性化，使機(jī)床的加工和生產(chǎn)制造更加精確。對機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的零部件進(jìn)行多柔化是提高仿真精度的一個重要方向。近年來，ADAMS軟件在機(jī)床領(lǐng)域是應(yīng)用最廣泛的動力學(xué)仿真軟件，其分析的主要對象為剛體模型，但還未實現(xiàn)直接對滿足變形振動的柔性體模型，需要通過其他軟件實現(xiàn)柔性體建模。HyperMesh軟件是廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的通用有限元分析軟件，具有良好的前后處理界面及高效精確的求解器。目前，高精密數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的研究已成為國際眾多學(xué)者研究的熱點問題，但對于橫向、軸向和扭轉(zhuǎn)3個方向的運(yùn)動研究比較少。李忠新等人[34]研究了絲杠不同進(jìn)給速度對工作臺的影響，但是沒有對位移和加速度進(jìn)行研究。因此，本文以高精密數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)為研究對象，采用HyperMesh和ADAMS軟件[56]，建立剛?cè)狁詈夏Ｐ停謩e研究高精密立式和臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)絲杠的振動特性，并在一定范圍內(nèi)比較其精確度，以選擇合適的機(jī)床。該研究為柔性體振動的仿真運(yùn)動提供了更加真實可靠的依據(jù)，尤其對高精密機(jī)床的仿真模擬具有重要意義。

1進(jìn)給系統(tǒng)三維模型的建立

利用三維建模軟件SolidWorks建立高精密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)[78]模型，進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。建模所

圖1進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型需要的基本參數(shù)為：絲杠直徑66 mm，絲杠導(dǎo)程10 mm，兩絲杠間的跨距為680 mm，床身尺寸為2 860 mm×875 mm×225 mm，伺服電機(jī)型號為Y355L34[4]。

2進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

2.1進(jìn)給系統(tǒng)零部件有限元建模

將所得模型中的絲桿和工作臺的三維模型導(dǎo)入HyperMesh中，定義絲杠和工作臺材料屬性：材料密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為03。添加相應(yīng)的約束，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是有限元非常重要的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量對分析結(jié)果的精度會造成很大的影響。劃分網(wǎng)格時要注意網(wǎng)格的密度，不能太稠密，否則會導(dǎo)致計算量不斷增加；同時，網(wǎng)格密度也不能太稀疏，否則無法得到準(zhǔn)確的求解精度[914]。本文選擇能很好適應(yīng)邊界條件的、尺寸為20的四面體網(wǎng)格，得到各零部件的柔性體模型。絲杠和工作臺有限元模型如圖2所示。

圖2絲杠和工作臺有限元模型2.2模態(tài)中性文件的生成

ADAMS中存在兩種方法建立柔性體。第1種是ADAMS軟件里有自動柔性化功能，利用這一功能將剛性體轉(zhuǎn)換為柔性體；第2種是在一些有限元軟件中生成模態(tài)中性文件，并導(dǎo)入ADAMS中，這里選擇第2種方法，在HyperMesh中生成絲杠和工作臺的模態(tài)中性文件mnf文件[1516]。

2.3進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

1）將進(jìn)給系統(tǒng)的三維建模零件圖導(dǎo)入ADAMS中，在軟件中添加相應(yīng)約束及驅(qū)動，以形成一個完整的仿真系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)各零部件約束關(guān)系如圖3所示。

圖3進(jìn)給系統(tǒng)各零件約束關(guān)系為驗證各運(yùn)動副添加的合理性，對其進(jìn)行仿真。若能合理運(yùn)動，則說明運(yùn)動副的添加合理；若不能運(yùn)動，則對運(yùn)動副進(jìn)行修改，找出其中錯誤的地方，然后在“Simulation”選項中選擇“設(shè)置”，輸入end time：50，Steps：100仿真，驗證約束的合理性[17]。

2）用以上生成的模態(tài)中性文件對剛性體進(jìn)行替換，對不符合要求的零部件進(jìn)行調(diào)整，然后在“Simulation”選項中選擇“設(shè)置”，輸入end time50，Step100進(jìn)行仿真分析驗證，得到剛?cè)狁詈线M(jìn)給系統(tǒng)模型[18]。

3）在模擬仿真時，需考慮實際環(huán)境中的阻力對進(jìn)給系統(tǒng)的影響。一是在模型中添加絲杠預(yù)緊力，結(jié)合本文絲杠的型號：W5012Z576PSSTC3Z20，經(jīng)查表計算得預(yù)緊力為225 N；二是對模型中摩擦力的處理，摩擦力是影響加工中心的一個重要因素，低速進(jìn)給時易使橫梁產(chǎn)生跟隨誤差，為了分析加工狀態(tài)，在模型中需添加一個與預(yù)緊力大小一致的摩擦力，即225 N；三是對切削力的處理，在高速進(jìn)給時，切削力的不斷變化對加工穩(wěn)定性有重要影響。其切削力為

Fx=150026a11ea095pa08fd0-11Z（1）

y和z方向的切削力為

Fy=（030～040）Fx， Fz=（085～095）Fx（2）

式中，ae為銑削寬度，ae=50 mm；ap為銑削深度，ap=3 mm；af為進(jìn)給量，af=013 mm/rad；d0為銑刀直徑，d0=80 mm；Z為銑刀齒數(shù)，Z=12。將以上參數(shù)代入式（1）和式（2）中，得Fx=63608 N，F(xiàn)y=22263 N，F(xiàn)z=57247 N[4]。

3立式及臥式機(jī)床絲杠的運(yùn)動特性仿真分析

3.1切削力的添加

按照以上步驟，把絲杠和工作臺的模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS中代替剛性體文件，生成高精密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)模型中，主要考慮工作臺上的零件在切削力作用下所導(dǎo)致的進(jìn)給系統(tǒng)的振動，立式機(jī)床和臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要是因為切削力的方向不同，所以在臥式工作臺上添加y方向上的切削力，力的大小為22263 N，相位為0°，方向沿y方向；在立式工作臺上添加z方向的切削力，力的大小為53639 N，相位為0°，方向沿z方向[10]。

3.2仿真分析

首先對臥式機(jī)床進(jìn)行仿真分析，單擊（仿真）Simulation命令，輸入end time50，Step100進(jìn)行運(yùn)動仿真，然后依次單擊（結(jié)果、后處理）Rusults和Postprocessor，進(jìn)入后處理模塊，在“Filter”中選擇body，在“Characteristic”中選擇“Position”，在“Component”中選擇z，得到臥式機(jī)床絲杠在柔性體絲杠上沿z方向的位置變化；同理，對立式機(jī)床做同樣的操作，得到臥式機(jī)床和立式機(jī)床絲杠在z方向的位置變化。臥式和立式機(jī)床絲桿沿z方向位置變化如圖4所示。由圖4可已看出，在z方向，臥式機(jī)床和立式機(jī)床工作臺位移變化趨勢大致相同，臥式機(jī)床絲杠的位移變化最大值為02 mm，立式機(jī)床絲杠的位移變化最大值為023 mm，在機(jī)床的工作過程中，立式機(jī)床工作臺的位移變化要比臥式機(jī)床工作臺的位移變化劇烈。

對臥式機(jī)床進(jìn)行分析，在“Filter”中選擇body，在“Characteristic”中選擇“Position”，在“Component”中選擇x，得到臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)絲杠在柔性絲杠的位置變化；同理，對立式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行同樣操作，得到臥式和立式機(jī)床絲杠在x方向的位置變化。臥式和立式機(jī)床絲杠沿x方向位置變化如圖5所示。

由圖5可以看出，在x方向上，臥式機(jī)床和立式機(jī)床工作臺位移變化趨勢差異性比較強(qiáng)，臥式機(jī)床絲杠的位移變化最大值為009 mm，立式機(jī)床工作臺的位移變化最大值為0112 5 mm，在機(jī)床工作過程中，立式機(jī)床絲杠的位移變化要比臥式機(jī)床絲杠的位移變化劇烈。

圖6臥式和立式機(jī)床絲杠沿z方向加速度變化對臥式機(jī)床進(jìn)行分析，在“Filter”中選擇body，在“Characteristic”中選擇“Acceleration”，在“Component”中選擇z，得到臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)絲杠在柔性絲杠的加速度變化；同理，對立式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行同樣的操作，得到臥式和立式機(jī)床絲杠沿z方向的加速度變化如圖6所示。由圖6可以看出，在z軸方向上，臥式和立式機(jī)床工作臺位移變化趨勢相似，臥式機(jī)床絲杠加速度變化最大值為7 000 mm/s2，立式機(jī)床工作臺加速度變化最大值5 000 mm/s2，在機(jī)床工作過程中，立式機(jī)床絲杠的位移變化比臥式機(jī)床絲杠的加速度變化劇烈。

4結(jié)束語

本文主要對高精密立式和臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)絲杠的振動特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，無論是在z方向還是在x方向上，立式和臥式機(jī)床絲杠的位移變化較小，說明本文所建立的進(jìn)給系統(tǒng)模型的精密性較高；針對高精密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中絲杠的運(yùn)動特性，采用ADAMS和HyperMesh軟件，建立了臥式和立式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ停辉诒疚乃砑拥牟牧蠈傩院颓邢髁Φ臈l件下，立式機(jī)床工作臺運(yùn)動特性要比臥式機(jī)床劇烈，所以臥式機(jī)床的精度要高，在相同條件下應(yīng)該選擇臥式機(jī)床加工零件；無論是臥式機(jī)床還是立式機(jī)床，工作臺在z軸方向的位移變化比在x方向的位移變化劇烈，為z方向的后期優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。該研究為柔性體振動的仿真運(yùn)動提供了更加真實可靠的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷源忠. 我國機(jī)械工程研究進(jìn)展與展望[J]. 機(jī)械工程學(xué)報， 2009， 45（5）： 111.

[2]李圣怡. 超精密加工技術(shù)成就現(xiàn)代國防[J]. 國防制造技術(shù)， 2009， 16（3）： 1621.

[3]廖伯瑜， 周新民， 尹志宏. 現(xiàn)代機(jī)械動力學(xué)及其工程應(yīng)用： 建模、分析、仿真、修改、控制、優(yōu)化[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2004.

[4]戴聞. 機(jī)械零部件結(jié)合面動態(tài)性能實驗與ADAMS約束庫建模仿真研究[D]. 北京： 北京航空航天大學(xué)， 2007.

[5]Altintas Y， Brecher C， Weck M， et al. Virtual Machine Tool[J]. CIRP AnnualsManufacturing Technology， 2005， 54（2）： 115138.

[6]陸佑方. 柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)[M]. 北京： 高等教育出版社， 1996.

[7]楊輝. 超精密加工設(shè)備的發(fā)展與展望[J]. 航空制造技術(shù)， 2008， 24（8）： 4246.

[8]李圣怡. 超精密加工技術(shù)與機(jī)床的新進(jìn)展[J]. 航空精密制造技術(shù)， 2009， 45（2）： 2628.

[9]Mikoa E， Nowakowski L. Vibrations in the Machining System of the Vertical Machining Center[J]. Procedia Engineering， 2012， 39（2）： 405413.

[10]鄭建榮. ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2002.

[11]許丹， 劉強(qiáng)， 袁松梅， 等. 一種龍門式加工中心橫梁的動力學(xué)仿真研究[J]. 振動與沖擊， 2008， 27（2）： 168171.

[12]劉延松， 曹巨江， 張元瑩. 剛?cè)狁詈蠙C(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真[J]. 陜西科技大學(xué)學(xué)報， 2006， 24（3）： 7476.

[13]劉沿柱. 多剛體系統(tǒng)動力學(xué)[M]. 北京： 高等教育出版社， 1989.

[14]黎忠炎， 高東強(qiáng). 高速切削刀具系統(tǒng)的研究與試驗分析[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)， 2010（10）： 94 97.

[15]Li B， Luo B， Mao X Y， et al. A New Approach to Identifying the Dynamic： Behavior of CNC Machine Tools with Respect Todifferent Worktable Feed Speeds[J]. International Journal of Machine Tools and Manufac ture， 2013， 72（3）： 7384.

[16]邵明濤. 高速度切削設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)及展望[J]. 機(jī)械工程師， 2009（3）： 58.

[17]趙亮培. 高速切削加工中刀具材料的合理選擇[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)， 2009， 43（5）： 8789.

[18]趙中敏. 數(shù)控機(jī)床低速爬行分析及對策研究[J]. 中國設(shè)備工程， 2009， 31（5）： 5153.