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基於剛柔耦合立臥式機（jī）床模型絲杠振頻分析

2019-5-16 來（lái）源（yuán）：轉載作者：-

摘要：為給具有不同切削特征（zhēng）的高精密立（lì）式機床和臥式機床（chuáng）選擇合適的機床，本文以絲杠的振動特性（xìng）為研究對象，采用有限元和虛擬仿真技術，建立高精密臥式機床和立式機（jī）床進給係統（tǒng）剛柔耦合模型，並對立式及臥式機床進給係統絲杠的振動特性進行仿真分（fèn）析。仿（fǎng）真結果表明，無論是在ｚ軸方向還是在ｘ軸方向（xiàng）上，立式和臥式機床絲杠的位移變化都（dōu）比較小，說明建立的進給係統模（mó）型的精密性較（jiào）高（gāo）；在本文所添加的材（cái）料屬性和切削（xuē）力（lì）的條件下，立式機床工作台運動特（tè）性比（bǐ）臥（wò）式機床劇烈（liè），說明臥式機床的精度（dù）較高，所以在相同條件下應（yīng）該選擇臥式機床加工零件；無論臥式機床還是立式機床，工作台在ｚ軸方向的位移變化比在ｘ軸方（fāng）向的位移變（biàn）化（huà）劇烈。該（gāi）研究為ｚ軸方向的後期優化提供（gòng）了理論基礎。

關鍵詞：高精密機床；進給係統（tǒng）；剛柔耦合模型；絲杠（gàng）；切削力

隨著（zhe）我國經濟的不斷發展，機（jī）床產業已經成為我國的支柱產業，無論是在航空技術還是在現代電子工業的發展水平上，對（duì）所需的（de）材（cái）料和型麵要求都比較高，以（yǐ）必須采用（yòng）高精密數控機床（chuáng）進行加工和製造。

在零件加工過程中，機床零部件會發生變形，所以考慮零件的柔性化使機床的加工和生產製造更加精確。對機床進給係統的零部件進行多柔化是（shì）提高仿真精度的一個重要方向（xiàng）。近年來

，ＡＤＡＭＳ軟件在機（jī）床領域是應用最廣泛的（de）動力學仿真軟件，其分析的主要對象為剛體模型

，但（dàn）還（hái）未實現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柔性體建模。ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ軟件是廣泛應用於各個領域的通用（yòng）有限元分析軟件，具（jù）有良好的前後處理界麵及（jí）高效精確的求解器。

目前，高精密數控機（jī）床進給係統的研究已成為國際（jì）眾多學者研究的熱點問題，但對於（yú）橫向

、軸向和扭轉３個方向（xiàng）的運動研究比較少（shǎo）。

李（lǐ）忠新等人研究了絲（sī）杠（gàng）不同進給（gěi）速度對工作台的影響，但（dàn）是沒（méi）有（yǒu）對（duì）位移和加速度進行（háng）研究

。因（yīn）此，本文以高精密（mì）數控機床進給（gěi）係統為研究對象（xiàng），采用ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ

和ＡＤＡＭＳ軟件，建立（lì）剛柔（róu）耦合模型，分別研究高精密立式和臥式機（jī）床進給（gěi）係統絲杠的振動特性，並在一定範圍內（nèi）比較其精確度，以選擇合適的機床。

該研究（jiū）為柔性體振動的仿真運動提供了更加真（zhēn）實可靠的依據，尤其（qí）對高精密機床的仿（fǎng）真模（mó）擬具有重要意（yì）義。

１　、進給係統三（sān）維模（mó）型的（de）建立

利用三維建模軟件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立高精密（mì）機床進給係統模型，進給係統結構模型如圖１所（suǒ）示。

圖１　進給係統結構（gòu）模型

建模所圖（tú）１　進（jìn）給（gěi）係統結構模型需要的（de）基本參數為：絲杠直徑６６ｍｍ，絲杠導程１０ｍｍ，兩絲杠間的跨距為６８０ｍｍ，床身尺寸為２　８６０ｍｍ×８７５ｍｍ×２２５ｍｍ，伺

服電機型號為Ｙ３５５Ｌ３－４。

２　、進給係統剛柔耦合模型的建立

２．１　進給係統零部件有限元建模

將所得模（mó）型中（zhōng）的絲杆和工作台的三（sān）維模型導入ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ中，定義絲杠和工作台材料（liào）屬性：材料密（mì）度為７８００ｋｇ／ｍ３，彈性模量為２１０ＧＰａ，泊鬆比為０．３。添加相應的約束，並對其進行網（wǎng）格劃分，網格（gé）劃分是有限元非常重要的環節，網格質量對分析（xī）結果的精度會造成很大的影響。

劃（huá）分網格時要（yào）注意網格的密度，不能太稠密，否則會導致計算量不斷增加（jiā）；同（tóng）時（shí），網格密度（dù）也不能太稀疏，否則無法得到準確的求解精度。本文選擇能很好適應邊界條件的、尺寸為２０的四麵體網格，得到（dào）各零（líng）部件的柔性體模型。絲杠（gàng）和工（gōng）作台有限元（yuán）模型如圖２所示。

圖２　絲杠和工（gōng）作台（tái）有限元模型

２．２　模（mó）態中性文件的生成

ＡＤＡＭＳ中存在兩種（zhǒng）方法建立柔性體。第１種是ＡＤＡＭＳ軟件裏有自動柔性化功能，利用這一功能將剛性體轉換為柔性體；第２種是在一些有限元（yuán）軟件中生成模態中性文件

，並導入ＡＤＡＭＳ中，這（zhè）裏選擇第２種方法，在ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ中生成絲杠和工（gōng）作台的模態中性文件ｍｎｆ文件。

２．３　進給係統剛柔耦合模型的建立

１）將進給係統的（de）三維建模（mó）零件圖導入ＡＤＡＭＳ中，在軟（ruǎn）件中添加（jiā）相應約束及驅動，

以形成一個完整的仿真係統（tǒng），進給係統各零部件（jiàn）約束關係如圖３所示。

圖３　進給係統各零件約（yuē）束關係（xì）

為（wéi）驗證（zhèng）各運動副添（tiān）加的合理（lǐ）性，對其進行（háng）仿真。若能合理運動，則說明運動（dòng）副的添加合理

；若不能運動，則對運動副（fù）進行修改，找出其中錯誤的地（dì）方，然後在“Ｓｉｍ－ｕｌａｔｉｏｎ”選（xuǎn）項中選（xuǎn）擇“設置”，輸入ｅｎｄ　ｔｉｍｅ：５．０，Ｓｔｅｐｓ：１００仿真，驗證約束的合理性（xìng）。

２）用以上生成的模態中（zhōng）性文件（jiàn）對剛性體進行替換，對不（bú）符合要求的零部件進行調（diào）整，然（rán）後在 “Ｓｉｍｕｌａ－ｔｉｏｎ”選（xuǎn）項中選擇“設置”，輸入ｅｎｄ　ｔｉｍｅ５．０，Ｓｔｅｐ１００進行仿真（zhēn）分析驗證，得到剛柔耦合進給係統模型。

３）在模擬仿真時，需考慮實（shí）際環境中的阻力對進給係統的影響（xiǎng）。一是（shì）在模型中添加絲杠預緊力，結合本文絲（sī）杠的型號：Ｗ５０１２Ｚ－５７６ＰＳＳＴ－Ｃ３Ｚ２０，經查表計算得預緊力為２２５Ｎ；二是對模（mó）型中（zhōng）摩擦力的處（chù）理，摩擦力是影響加工中（zhōng）心的一個重要因素，低速進給時易使橫梁產生跟隨誤差，為（wéi）了分析加工狀態，在模型中需添加一個與預緊（jǐn）力大小一致（zhì）的摩擦（cā）力，即２２５Ｎ；三是對切削力的處理，在高速進給時，切削力的不斷變化對加工穩定性有重要

影響。

其切削力為：

３、立式及臥式（shì）機床絲杠的運動特性仿真分析

３．１　切（qiē）削力的添（tiān）加按照以上步驟，把絲杠和工作台的模態（tài）中性文件（jiàn）導入ＡＤＡＭＳ

中（zhōng）代替剛性體文件，生成高精密機床進給係統的（de）剛柔耦合模型。在機（jī）床進給係統模型中，主要考慮工作台上的（de）零件在切削（xuē）力作用下所導致的進給係（xì）統的振動，立式機床和臥式機床進給係統主要是因為切削（xuē）力的方向不同，所以在臥式工作（zuò）台上添加ｙ方向上的切削力，力的大小為２２２．６３Ｎ，相位為０°，方向沿ｙ方向；在立式工作台上（shàng）添加ｚ方（fāng）向的切削力，力的大小為５３６．３９Ｎ，相位為０°，方向沿ｚ方向［１０］。

３．２　仿真分析（xī）

首先對臥式機床進行仿（fǎng）真分析，單擊（jī）（仿真）Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ命令，輸入（rù）ｅｎｄ　ｔｉｍｅ５．０，Ｓｔｅｐ１００進行運（yùn）動仿真（zhēn），然（rán）後依次單擊（jī）（結果、後處理）Ｒｕｓｕｌｔｓ

和Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，進入後處理模塊，在“Ｆｉｌｔｅｒ”中（zhōng）選擇ｂｏｄｙ，在

“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ”中選擇“Ｐｏｓｉｔｉｏｎ”，在（zài）“Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ”中選擇ｚ，得到臥式機床絲杠在柔性體絲杠上沿ｚ方向的位置變；同理，對立式機床做同樣的操作，得到（dào）臥式機床和立式機床絲杠在（zài）ｚ方向的位置變（biàn）化。臥式和立式機床絲杆沿ｚ方向位置

變（biàn）化如圖４所示。

圖４　臥（wò）式（shì）和（hé）立式機床絲（sī）杠沿ｚ方向位置變化

由圖４可已看出，在ｚ方向，臥式機床和（hé）立式機床工作台位移變化趨勢大致相同（tóng），臥式（shì）機床絲杠的位移（yí）變化最大值為０．２ｍｍ，立式機床絲杠的位移變化最大值為０．２３ｍｍ，在機床的工作過程中，立式機（jī）床工作台的位移變化要（yào）比臥式（shì）機床工作台（tái）的位移變化劇烈。對（duì）臥式機床進行分析，在“Ｆｉｌｔｅｒ”中選擇ｂｏｄｙ，在（zài）“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ”中選擇“Ｐｏｓｉｔｉｏｎ”，在“Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ”中選擇ｘ，得到臥式機床進給係統絲杠在柔性絲杠的位（wèi）置變化（huà）；同理，對立式機床（chuáng）進給係統進（jìn）行同樣（yàng）操作，得到臥式和立式（shì）機床絲杠在ｘ方（fāng）向的位置變化。臥式和立式（shì）機床絲杠沿ｘ方（fāng）向位置變化如圖５所（suǒ）示（shì）。

圖５　臥式和立式機床絲杠沿ｘ方向位置變化

由圖５可以看（kàn）出，在ｘ方向上，臥式機床和立式機床工作台位（wèi）移變（biàn）化趨勢差異性比較強，臥式（shì）機床絲杠的位（wèi）移（yí）變化最大值為０．０９ｍｍ，立式機床工作台的位移變化最大值為０．１１２　５ｍｍ，在機床工作過程中，立式機床絲杠的位（wèi）移變化要比臥式（shì）機床絲杠的位移變化劇烈（liè）。

對臥式機床進行分析，在 “Ｆｉｌｔｅｒ”中選擇ｂｏｄｙ，在“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ”中選擇 “Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ”，在 “Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ”中選（xuǎn）擇ｚ，得到臥式機床進給係統絲杠在柔性（xìng）絲杠的加速度變化；同理，對立式機床（chuáng）進（jìn）給係統（tǒng）進行同樣的操（cāo）作，得到（dào）臥式和立式機床絲杠沿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（lì）式機床工作台位移變化趨勢相似（sì），臥式機床絲杠加速度變化最大值為７０００ｍｍ／ｓ２，立式機床工作台（tái）加（jiā）速度（dù）變化（huà）最大值５　０００ｍｍ／ｓ２，在機床工作（zuò）過程中，立式機床（chuáng）絲（sī）杠的位移（yí）變化比臥式機床絲杠的加速度變化劇烈。

圖６　臥式和立式（shì）機床絲杠沿ｚ方向加速度（dù）變化

４　、結束（shù）語

本文主要對高精密立式和（hé）臥式機床進給係統絲杠的振動特性進行研（yán）究。研究結果表明，無論是在ｚ方向還是在ｘ方向上，立式和臥式機床絲杠的位（wèi）移變化較小（xiǎo），說明本文所建立的進給係統模型的精密（mì）性較（jiào）高；針對高精密機床（chuáng）進給係（xì）統中絲杠的運動特性，采用ＡＤＡＭＳ和ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ軟件，建立了臥式和立式機床進給係統剛柔耦合模型；在（zài）本文所添加（jiā）的材料（liào）屬性和切削力的條件下，立式機床工作台運動特性要比臥式機床劇烈，所以臥式機床的精度要高（gāo），在相同條件下應該選擇（zé）臥式機床加工零件；無論是臥式機床還是立式機床，工作台在ｚ軸方向的位移（yí）變化比在ｘ方向的位移變（biàn）化劇烈，為ｚ方向的後（hòu）期優化提供了（le）理論基（jī）礎。該研究為柔性體振動（dòng）的仿（fǎng）真運動（dòng）提供了更加真實可靠的依據。

來源：青島大學機電工程學院動力集成及儲能係統工程技術（shù）中心

作者（zhě）：宣賀，華青鬆，張洪信，程聯軍，趙清海，張震，張昊

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