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重心驅動式龍（lóng）門（mén）銑床滑枕的結構設計與分析

2016-9-12 來（lái）源：陝西（xī）科技（jì）大學機電工（gōng）程（chéng）學院作者：文懷興亢亞巍

摘要：介紹了重心驅動理論（lùn）的原（yuán）理，並利（lì）用該理論對某龍門銑床的滑枕（zhěn）結構進行改進。通過（guò）有（yǒu）限元分析軟件ANSYS Wo燦ench對改進前後的結構進行靜態分析和（hé）模（mó）態（tài）分析，根據對比得到的應變圖和前（qián）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特性。進一步對（duì）改進前後的z軸進給係統進行（háng）諧響應分析（xī）對比，仿真結果表明改進後的z軸進給係統較好的避免（miǎn）了（le）共振現象。

關鍵詞：重心驅動；滑枕；有限元分析；諧響應

O、引言

製造業的不斷發展對機床性能提出了越來（lái）越高（gāo）的要求，高速進（jìn）給、高精加工已經成（chéng）為數控機床的研究方向。滑枕是龍門銑床的重要部件，它的性能對（duì）銑床的加工精度與效（xiào）率有著很大的影響[1]。傳統的滑枕進給（gěi）多采用單絲杠驅動，驅動力方向不在滑枕重心上，因此在滑枕（zhěn）運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（xiǎng）。而安裝平衡缸雖然能減小這些影響，但是由於平衡缸回路（lù）中（zhōng）閥體等元件的回油速度有限（xiàn），又使得滑枕在啟停、換向時的速度受到（dào）限製（zhì）[2]。而（ér）采用“重（chóng）心驅動”理論設計的（de）滑枕能較好地解決上述問題，有效提高加工速度與精度。“重心驅動”首先由日本森精機（jī）製作所提出，目前日本森精（jīng）機製作所（suǒ）已（yǐ）經將“重心驅動”技術運用到多種型號的加工中心上，還解決了運動方向改變（biàn）時（shí）的反向間隙和振動問題，提（tí）高（gāo）了機床的運動精度[3]。

l、重心驅（qū）動簡介

在驅動力推著物體運動的（de）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（wài）的扭矩，使（shǐ）物體產生轉動，造成（chéng）滑枕的低（dī）頭（tóu）現象，從（cóng）而影響（xiǎng）運動的穩定性[4](見圖1)。采用“重心（xīn）驅動”這一思（sī）想，就是要在設計的時候盡量使驅動力通（tōng）過物體的重心，這樣便可減小運動時（shí）的擾動、提高運動精度（dù）。

圖1非重心驅動示意圖

2、采用重心驅動的滑枕結（jié）構設計

本文以南京四開（kāi）數控裝備製造有限公司設計生產的某龍門銑床為（wéi）基礎進行改進設計。該銑床的z軸進給係統由單絲杠驅動，絲杠位於滑枕與托板之間；滑枕與滑座之間的結合麵（miàn）采用硬軌（guǐ），摩（mó）擦係（xì）數為O．03；主軸為插入式結構，主軸（zhóu）電機安（ān）裝在滑枕前方，通過帶輪帶動主軸（zhóu）進行旋轉。由（yóu）於主軸（zhóu）電機安裝在滑枕前方，使得整體的重心進一步前移，而（ér）絲杆提供的驅動力在滑枕後方（fāng），造成運動時（shí）產生較大扭矩，影響Z軸進給運動的穩定（dìng）性。運（yùn）用“重心驅動”對其（qí）進行改進的方法（fǎ）是：運用三維建模軟（ruǎn）件solidworks對主軸（zhóu）電機、電機支架、打刀缸（gāng）、主軸、滑枕（zhěn）組（zǔ）成（chéng）的裝（zhuāng）配體添加材料並確定整體的重心位置，然後采用兩根相同規格的滾珠絲杠對稱（chēng）分布在滑枕的兩側（cè），且兩個絲杠螺母連線正好處於上述裝配體的重心位置[5-7]。改進前後的模（mó）型（xíng）如圖（tú）2a、2b所示(為（wéi）方便後續的有限（xiàn）元分析，托板、模型中的絲杠與（yǔ）滑枕連接（jiē）處做了簡化處（chù）理，驅動絲杠轉動的電機及支架省略（luè）)。

圖（tú）2改進前(單驅)與改進後(雙驅j的滑枕模（mó）型

3、有（yǒu）限元分析

利用有限元軟件ANSYS workbench對改進前後的龍門銑床z軸進給單元進行靜動態（tài）分（fèn）析舊引，可以檢驗“重心驅動”理論是否能夠改善（shàn）龍門銑床z軸進給係統的（de）靜動態特性。

3．1結構的有限元建模

建立精（jīng）確的（de）有限元模型是對結構進行有限元分析的基礎。本文采用的有（yǒu）限元建模方法是：在solid．Works軟件中對（duì）各個零件進行簡化處理(包括去除對分析影響不大的孔、倒角和一些複雜結構（gòu）)；將處理後的（de）裝配體直（zhí）接導入ANSYS workbench中，分別設置各個零件的材料（liào）屬性；網格劃分方式選擇智能網格劃分；結構的結（jié）合麵建模可以劃分為三種類型：Bonded方式(包括（kuò）主軸電機與電機支架之間、電機支架與滑枕之間、打刀缸與滑（huá）枕之間)、蹦ctional方（fāng）式(即滑枕與托板之間的硬軌接觸，摩擦（cā）係數根據（jù）硬軌的加（jiā）工標準確定)、s研ng等效方式(即絲杠與螺母的接觸[10]，等效模型如圖（tú）3所示，剛度值和（hé）阻尼（ní）值根據絲杠型號確定)；邊（biān）界條件為（wéi）滑座底麵和（hé）絲杠兩（liǎng）端的固定支撐方（fāng）式。

圖3絲杠螺母結合麵等效模型

3．2靜態分析

靜態分析是用來計算結構在受到靜（jìng）態載荷作用時變形情（qíng）況。對於Z軸進給係統來說，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置重力加速（sù）度、添加邊界條件、網格劃分並求解之後，得到（dào）改進前後的結構應變雲圖，結果如圖4a、4b所示。

圖4改進前後的靜力分析應變圖

由圖4可以看出，兩種情況下的變形（xíng）最大值均出現在滑枕底部，即所謂“低（dī）頭”現象。這是因為主軸采取“插（chā）入式”安（ān）裝，主（zhǔ）軸電機（jī）的質量很大(164．3kg)，迫使滑枕底部（bù）出現較大的變形。未采用“重心驅動”理論設計情況下的低頭（tóu）量為4．25x10～m，而根據（jù）“重心驅動”理論設計情況下的低頭量為2．89x10～m。對比可知，采用“重心（xīn）驅動”理論可使主軸低頭量減小32％，大大提高了係統的靜態剛度。這（zhè）是（shì）因為絲杠前（qián）移，絲（sī）杠（gàng）力形成的扭矩（jǔ）平衡了一部分由主軸電機重力形成的扭矩，提高了滑枕的（de）靜（jìng）態性能。

3．3模（mó）態分析

模態分析是最基本的動力學分析，也是其他動力（lì）學分析的（de）基礎。它可以幫助設計人員確定結構的固有頻率和振型，從而使結（jié）構設計避免共振，並指（zhǐ）導工程師預測在不同載荷作用下的振動形式[11]。此外，模態分析可以確定結構的自振周期，從而幫助分析人員確定合理的瞬態分析時間步長。在ANSYS wo製)ench中對兩種結構進行模態（tài）分析，提取（qǔ）各自的前六階固有頻率和振型。表1為改進（jìn）前單驅和改進後雙驅兩種方式下進給係（xì）統的前6階（jiē）固有頻率及振型；圖5為改進（jìn）後雙驅進（jìn）給方式的前6階振型圖。

表1改進前後兩種方式下（xià）進給係統（tǒng）的前6階固有頻率及振型

圖（tú）5 改進後雙驅進給方式的前（qián）6階振型圖

該龍門銑（xǐ）床的主軸（zhóu）最大轉速為4000rpm，據此可知主軸激振頻率範圍為0—66．67Hz，為保證進給係統較高的動態性能，應使係統（tǒng）的固有頻率在66．67Hz以上。結合表1及圖5可以看出，沒有采用重心驅動技術設計的進（jìn）給係統，其固（gù）有頻率普遍偏低，其中前三階固有（yǒu）頻率處在主軸激振頻率範圍內，因此容易產生共振，影響加工精度；且各階振型的主振點均發生在滑枕中下部，即刀具所在的地方，因此對加（jiā）工精度的影響更（gèng）加不（bú）容忽視（shì）。而采用重心驅動技（jì）術設計的z軸進給係統（tǒng），前六階固有頻率（lǜ）除第一階（jiē）以外相比改進前均得到了大幅度提（tí）高，其他（tā）各階固（gù）有頻率均處於機床主軸激振頻率範圍以（yǐ）外，而對於前（qián）四階振型，主振點均（jun1）發生在主（zhǔ）軸電機或者電機支架處，滑枕的振型值為O，說明即使激振頻率達到前（qián）四階固有頻率（lǜ），滑（huá）枕底部的振動幅（fú）度也微乎（hū）其微。綜（zōng）上可知，重心驅動技術大幅提升了z軸進給係統的（de）動態性能（néng）。

3．4諧（xié）響應分析

諧響應分析可以確（què）保（bǎo）—個（gè）給定的結構能經受住不同頻率的各種正弦載荷(如（rú）以（yǐ）不（bú）同轉速運行的電機)，同時諧響應分析可以探測共振響應，並避免其發生¨2|。機床運行時的切削（xuē）力（lì）會影響到z軸進給係統的精度。因此，假定刀具處的切削力為簡諧幹擾力。而主軸轉速為o～4000rpm，對應頻率範圍為0—66．6Hz，結合之前的模（mó）態分析可知，改進（jìn）前的前（qián）三階固有頻率和（hé）改進後的第一階固有頻率在此範圍內，故此次諧響應分析主要考慮前三階固有頻率（lǜ）。最（zuì）後輸出（chū）改進前（qián）後兩種結構的（de）諧響應x向應變（biàn）圖(假定簡諧幹擾力為X向（xiàng）)。圖6a為改進前的單（dān）驅（qū）響應曲線，圖6b為改進後的雙驅響應曲線。

對（duì）比看出，單驅情況下的z軸進給係統在53．54Hz和58．092Hz時的振幅最大，正（zhèng）好對（duì）應其第二、第三階固有頻率，這兩個頻率下的振幅分別為21．403mm和12．487mm，這種數量級的變形是不容忽視的；重心驅動情況下的z軸進給係統在各個（gè）頻率（lǜ）下的（de）振動幅度大部分都不足10～mm，最大振幅出現在第一階固有頻率處(50．66Hz)，振幅為2．0078x10。mm，遠（yuǎn）遠小於單驅情況下的（de）變形（xíng）。通（tōng）過分析可知（zhī），重心驅動（dòng）方式極大（dà）地提高了機床的動剛度（dù）。

圖6改進前後的X向簡諧響應曲線

4、結論（lùn）

本文介紹了重心驅動的基本原理，並運用該理（lǐ）論對某龍門銑床z軸進給係統進行改進，建立了（le）雙驅進給三維模型；利用WoIkl弛nch對改進前（qián）後的結構進（jìn）行靜態（tài）分析與模態分析，證明（míng）重心驅動原（yuán）理（lǐ）大幅提升了z軸進給係統的靜剛度，改善（shàn）了結構的動態性能；通過對（duì）改進（jìn）前後的結構進行諧響應分析證明重（chóng）心驅動方式極大地提升了機床的動剛度，很好的減輕了共振現象的影響。

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