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ＰＣＢ數控鑽床工作台部分的動力學仿真與分析

2019-3-5 來源：安徽機（jī）電職（zhí）業技術南京林業大學作者：劉（liú）順張（zhāng）冬冬韓雪

摘要：以六鑽頭龍門式ＰＣＢ數控鑽床工作台部分為研究對象，應用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件（jiàn）建立其三（sān）維模（mó）型，通過ＡＤＡＭＳ軟件建立工作台（tái）部分的剛柔混合模型並進行仿真分（fèn）析，發現了工作台支撐板對係統（tǒng）的動態特性影響較大．因此，要提高工作台部分運動過程中的定位（wèi）精度，有效的方法是對（duì）支撐板進行拓撲優化，利用ＡＮＳＹＳ軟件的拓撲優化模塊，在保證剛度的（de）基礎上，盡可能減少其質量，改進原有（yǒu）的支（zhī）撐板結（jié）構，提高工作台進給係統的動態特（tè）性．

關鍵（jiàn）詞：動態特性；動力學；拓撲優化

０　引（yǐn）言

ＰＣＢ（ｐｒｉｎｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｏａｒｄ）數控鑽床是（shì）加Ｂ板的專用（yòng）設備，鑽孔是印製電路板加工非常重要的（de）一道工序，在（zài）印製電（diàn）路板加工領域（yù）占有重要的（de）地位，而鑽孔（kǒng）的效率（lǜ）和精度是檢驗ＰＣＢ數控鑽床鑽孔性能優劣的（de）重要標準．ＰＣＢ數控（kòng）鑽床（chuáng）分Ｘ、Ｙ和（hé）Ｚ三個運動方向，Ｚ方向是鑽孔的下（xià）鑽運動，而Ｘ、Ｙ向（xiàng）實現定位（wèi）運動．在鑽孔過程中電機的頻（pín）繁（fán）啟（qǐ）動，同時啟動和停止的高加速度，對工作台運動方向上的定位精度提出高要求（qiú）。工作台部（bù）分零件（jiàn）的裝配精度和運動過程中的動特性對工作台運動方向上的（de）精度有重要的（de）影響（xiǎng）．

１、ＰＣＢ數（shù）控鑽床工作台部分的結（jié）構組成

本文（wén）以（yǐ）典型的六鑽頭龍門式ＰＣＢ數控鑽床為例（lì），研究工作台部分進給係統，以典型的（de）旋轉電機加（jiā）滾珠絲（sī）杠作（zuò）為驅（qū）動，應用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件（jiàn）建立三維幾何模型，結構組成如圖１所示．

工作台（tái）部分主要包括傳（chuán）動部分，導向部分和夾緊係統三大部分．傳動部（bù）分由聯軸器、滾珠絲杠和絲杠螺母（mǔ）組成的（de）絲杠（gàng）副、工作台支撐板組成，將電機（jī）的（de）旋轉（zhuǎn）運（yùn）動轉變為工作（zuò）台（tái）的（de）直線運動，通過支撐板將運動和動力傳遞給工作台．導向部分由高精度的滾動導軌和滑塊組成，實現工（gōng）作台部分的支（zhī）撐和精密導向．而夾緊係統由氣動裝置（zhì）、夾緊氣缸和氣缸座組（zǔ）成，實現工作台上ＰＣＢ板的固定和夾緊．另外，在工作台（tái）前端邊緣，還安裝有刀（dāo）具檢（jiǎn）測裝置和機械手換刀裝置．

圖１　六鑽頭（tóu）ＰＣＢ數控鑽床工作台（tái）部分裝（zhuāng）配圖

２　、ＰＣＢ數控鑽床工作（zuò）台部分虛擬樣機模型建立與分析

在工（gōng）作（zuò）台部分三大（dà）組成係統（tǒng）中，夾緊氣缸主要實現工作台ＰＣＢ板的夾緊，在工作台運動過程中對係統的動靜態特性影響（xiǎng）較小，分析時可（kě）以忽（hū）略，而進給係統是工作台部分傳（chuán）遞（dì）運動與動力，其受力變形（xíng）和振動對工作台定位（wèi）精度有重要影響．在進給係統（tǒng）中（zhōng）聯軸器和（hé）滾珠絲杠對工作台部分係統的動態特性（xìng）影（yǐng）響不大（dà），視為剛體．滾動導軌係統在工作台沿（yán）Ｙ方向進給（gěi）運動（dòng）中起到導向與（yǔ）支撐作用，由於安裝穩固，本身結構變形小，對整個（gè）工作台部分係統的影（yǐng）響不（bú）大，視（shì）為剛體．對於目前六鑽頭的數控鑽床為減小工（gōng）作（zuò）過（guò）程中的振動，工作台普遍采用花崗石材料，所（suǒ）以其振動、結構變形小，也視為剛體．

２．１　ＡＤＡＭＳ

軟件係統動力學分析ＡＤＡＭＳ軟件廣泛用於機械係統（tǒng）的動力學分析，可（kě）以（yǐ）建立包括剛體和（hé）柔性體的複雜動力學模型，通過軟（ruǎn）件分析可（kě）以避免複雜的理論動力學模型（xíng），直（zhí）觀（guān）的了解機械係統中結構部件的運動（dòng）與受力情況．ＡＤＡＭＳ軟件動（dòng）力（lì）學分析是運（yùn）用其內部的Ｓｏｌｖｅｒ求解器完成，求解器的理論基礎是運用Ｅｕｌｅｒ－Ｌａ－ｇｒａｎｇｅ方（fāng）法得到動力（lì）學方程，再運（yùn）用Ｎｅｗ－Ｒａｐｈｓｏｎ方法求解．對（duì）於簡單的多剛體動力學模型，忽略了（le）機械係統各構件的受力變形．簡單的受力變形較小的機械零部件，仿真結果與實際誤差較（jiào）小，但受力複雜的機械係統中，重要零部件的彈性振動和（hé）變形不可忽略，不能將其看（kàn）為簡單（dān）的剛體（tǐ），而將其視為柔性體（tǐ），建立剛柔混合動（dòng）力學模型．於剛體運動的位移和柔性體內部的彈性位移（yí）相互（hù）耦合，所以剛柔（róu）混合動力學模型的分析也比較複（fù）雜．

２．２　工作台部分剛（gāng）柔（róu）混合模型的建立

ＡＤＡＭＳ軟件進行動（dòng）力學仿真建立柔性體（tǐ）的三種方法，前兩種是利用ＡＤＡＭＳ軟件建立柔性體適用於幾何形狀規則簡單的柔性體，對於幾何形狀複雜的機械結構零件，建立柔性體比較困難，所以（yǐ）應用ＡＮＳＹＳ軟件對三維零件的（de）幾（jǐ）何模型進行網格劃分，建立有限元模型

，導入到ＡＤＡＭＳ軟件中（zhōng）進行動力學仿真分析．

（１）簡化模型

根據工作台部分運動過程中的受力情況以及各個部件之間的裝配關係和作用，不考慮（lǜ）機械手換刀裝置、刀具檢測裝置、以及氣動夾緊裝置等零部件對運動（dòng）動力分析的影響，簡化三維模型．

（２）將工作台支（zhī）撐板、絲杠螺母座等零件的三維

幾何模型依次導入到ＡＮＳＹＳ軟件中，選擇合適的單元（yuán）類型ｍａｓｓ２１和（hé）ｓｏｌｉｄ９２，確定常實（shí）數，添加（jiā）材（cái）料屬性，進行網格劃分，建立支（zhī）撐板、絲杠螺母座等零件的（de）ＡＮＳＹＳ有限元模型，如圖２所示

．

圖２　支撐（chēng）板和絲杠螺（luó）母（mǔ）座有限元模型

（３）建立ＡＮＳＹＳ有限元（yuán）模型的外（wài）連接點和剛性區域，並生成

ＡＤＡＭＳ軟件能夠（gòu）識別的中性模態（tài）（ＭＮＦ）文件．

（４）將ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件建（jiàn）立的簡化虛擬裝配模型導入（rù）到ＡＤＡＭＳ軟件，添（tiān）加材料屬性，添加構件之間的約束，在工作台上施加載荷，建立（lì）工作台部分多剛體係統動力（lì）學模型．構件之間的運動副約束之間關係如表１所示．

（５）將支撐板、絲杠螺母（mǔ）座等幾何模型生成的（de）ＭＮＦ文件導入到ＡＤＡＭＳ軟（ruǎn）件中，通過外（wài）連接點和剛性區域銜接，代替工（gōng）作台（tái）部分多剛體動力（lì）學模型中的支撐板（bǎn）、絲杠螺母（mǔ）座等重要零件模型，完成工（gōng）作台部分剛柔混（hún）合動力學模型的建立．

表１　構件之間的約束關係

（６）建立好剛柔混合模型後，設置仿真終止時間為１ｓ，仿真（zhēn）步數（shù）為１０００步．理想情況下工作台部分係統的輸入為:

按（àn）照上述建模方式，分（fèn）別建立以支撐板和絲杠螺（luó）母座為（wéi）柔（róu）性體的剛柔混合模型，執行仿真，並選擇工作台上坐標點（diǎn）為測量點，得到分別以支撐板和絲杠螺母座為柔性體（tǐ）的加速度運（yùn）動曲線，如圖４所（suǒ）示．

通過圖（tú）４的仿真結果可以看（kàn）出，高速（sù）高精度的工作台進（jìn）給係（xì）統中，支撐板和螺母座的（de）彈性變形會影響工作（zuò）台部分的瞬態定位誤差，從而（ér）影響工作台（tái）的定位精度．但絲杠螺母座的彈（dàn）性變（biàn）形對工作台部分的（de）定位誤差影響並不明顯，而以（yǐ）支撐板為柔性體的（de）加速度曲線對工作台的動態特性影響較大．

工作台支撐板是（shì）係統（tǒng）的（de）薄弱環節，所（suǒ）以（yǐ）要提高工作（zuò）台的動態特性，需要針對支撐板（bǎn）結構進行優化設計（jì），在保證剛性的基礎上，合理減少（shǎo）支撐板材料（liào），改進結構，提高工作（zuò）台部分（fèn）係統的動態特性．

３　、工作台支撐板的結構優化（huà）和（hé）改進

ＰＣＢ數（shù）控鑽床工作台支撐板是工作台部（bù）分進給係統中（zhōng）非（fēi）常重要的（de）零件．起到連接絲杠螺母座和鑽床（chuáng）工作（zuò）台，傳遞運動和動力的作用．在工作台頻繁高速的啟動與（yǔ）停止過程中，產生較大慣性力，工作台支撐板受力變形，導致鑽孔過程中的定位誤差．拓撲優化是尋求最優的拓撲結構，利用ＡＮＳＹＳ軟（ruǎn）件的拓撲優（yōu）化功能，以支撐板（bǎn）的柔順度為目標函數，體積為約束函數，尋求（qiú）最優（yōu）的材料分布，通過減少（shǎo）支撐（chēng）板結構的材料，使工作台運動係統中的慣性力減小，提（tí）高工作台（tái）運動過（guò）程中的結構（gòu）剛度．

３．１　支撐板（bǎn）結構平麵拓撲（pū）優化過程

根據支撐（chēng）板在進給係（xì）統（tǒng）中和（hé）工作台、絲杠螺母座的裝配關係（xì）和（hé）受力情況，在支撐（chēng）板連接點處添加固（gù）定約束和載荷力（lì）．根據支撐板的材料，確定彈性模量為１．２２×１０５　ＭＰａ、泊鬆比為０．２５和材料密度７８００ｋｇ／ｍ３，選擇迭代次數為１２次，材料減少的優化目標，執行優化．查看減少（shǎo）５０％和７０％材料時的節點偽密（mì）度分布，優化結果如圖５所示．

３．２　優化結（jié）果分析和結構改進（jìn）

利用（yòng）ＡＮＳＹＳ軟件的後處理模（mó）塊功（gōng）能，分別查看減少５０％和７０％材料時的目標函（hán）數的優化（huà）迭代曲線，如圖６所示．

通過圖６可以看出，減少５０％材料時的最小柔度為１６９．４７１ｍ／Ｎ，而減少７０％

材（cái）料時的最（zuì）小柔順度為（wéi）３２１．０９９ｍ／Ｎ，所以減少５０％材料時的柔順度最小，材料的結構剛度最大．通過拓撲優（yōu）化給支（zhī）撐板的結構改進提（tí）供了參考，根據支撐板結構的節點偽密度分布情況（kuàng），合理（lǐ）減少材料結構，保證結構剛度．

改進後的支撐板結（jié）構如（rú）圖７所示

４　、結論

通過ＡＤＡＭＳ軟件的動力學仿真分析，工作台支撐板的彈性（xìng）變形對係統產生瞬態的定位誤差，其剛性對工作台的加速度（dù）影響較大，而（ér）其他零部件的彈性變形對工作台（tái）的加速度影響較小，通過拓撲優化改進原有支撐板結構．結果表明，改進後的支撐板結構對工作台部分的動態特性有了一定的改善．在實際的生產應用過程中提高了該型號的數控（kòng）鑽床（chuáng）工作台的定位精度。

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