大型高效数控铣床有限元模态分析

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大型高效数控铣床有限元模态分析

王伟伟,翁泽宇,巫少龙

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(11浙江工业大学机电学院,浙江杭州310014;21浙江工业大学浙西分校,衢州324006)

摘要:应用ANSYS有限元软件对大型高效数控铣床进行了模态分析。在其三维实体模型的基础上建立了该机床模态分析的有限元模型,通过对模型的求解得出了前九阶固有振动频率和相应的主振型。并在此基础上,指出了机床存在的不足,对此又建立了四种不同的模型并分别进行求解。通过对四种模型所求结果的比较,提供了一种较为合理的结构设计方案。

关键词:模态分析;机床;结构动态;FEM中图分类号:TH122　　文献标识码:A　　文章编号:1001-3881(2005)6-021-2

ModalAnalysisoftheLargeandHighEffectiveCNCMillingMachine

WANGWei2wei,WENGZe2yu,WUShao2long

(11CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China;

21ZhejiangUniversityofTechnologyZhexiBranch,Quzhou324006,China)

Abstract:Afiniteelementmodelwasbuiltupbasedonthe3-DmodelofthelargeandhigheffectivemillingmachineofCNC1Thefiniteelementanalysissoftware-ANSYSwasappliedtothemodalanalysisofthemachinetool1Theprecedingninestepnatu2ralvibrationfrequenciesanditscorrespondingvibrationmodeswereobtained1Thedeficiencyofthemachinetoolwaspointedout1Fourdifferentkindsofmodelswereestablishedtowardsthedeficiencyandtheircalculationsweresolved1Areasonableschemewasprovidedthroughthecomparison1

Keywords:Modalanalysis;Machinetool;Structuredynamics;FEM

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　　现代机械制造工业向高精度、高速度、高效率的方向飞速发展,对机床的设计生产提出了更高要求。近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升,尤其大型高效数控机床越来越受到用户的青睐。由于结构庞大、设备吨位大、制造费用高,很有必要预先计算,从而使设计者对机床的特性有全面的了解,使整个设计更加完善。机床在加工过程中产生振动,这是不可避免的,但是当振动剧烈时,就会降低被加工件的加工精度,影响生产率的提高。为此,本文基于AN2SYS平台对浙江工业大学自行设计的大型高效数控铣床进行模态分析并求得了其固有频率和主振型。1　ANSYS软件模态分析功能

ANSYS软件广泛地应用在机械领域,并且受到了大家的好评。它的功能十分强大,可应用于结构分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析以及多场耦合分析等。其中结构分析可以包括静态分析、模态分析、瞬态动力分析、谐波响应分析等。在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。可选择的模态提取方法有6种:Subspace法、BlockLanc2zos法、PowerDynamics法、Reduce法、Unsymmetric法和Damp法。其中,Subspace法和Lanczos法在进行计算时具有较高的效率而且不需要过多的人为干预。在本文中,采用了Subspace法对数控铣床进行了模态分析。2　数控铣床的模态分析

有限元分析的第一步就是前处理即模型的建立。

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有两种操作方式:交互式和命令流输入方式。交互式操作方法由于易于掌握因此是最为常用的。通过交互式方法可以在分析前方便地对模型的几何形状、材料和边界条件进行修改。此外,命令流输入方式也可以很好地进行结构分析。

211　机床整机有限元模型的建立

ANSYS在前处理阶段有着较强的建模功能,可以直接在其中创建模型。但是对于复杂的模型,它的建模效率是比较低的。所以,一般先通过其它CAD软件(如Pro/E,UG等)进行实体模型的建立,然后通过数据接口读入ANSYS中,经过修正后划分有限元网格进行分析计算。本文数控铣床的实体模型是通过Pro/E建立的。为了避免导入文件时出错,在进行建模时就要对模型进行适当的简化。例如模型中的圆角和倒角以及对结构分析结果不造成很大影响的小孔就应该尽量省略。

根据机床结构与特点,按部件可以分为主轴、主轴箱、立柱、床鞍、工作台、底座六个子结构。在有限元分析中,最后用于求解的模型是离散的有限元模型(FEA)。进行求解之前,实体模型必须转化为FEA,即创建节点、单元。在建立有限元模型时候,做了如下的规定:

(1)数控铣床的各部件的焊接点均为模型的刚性节点,各连接处均作为模型的刚性节点。

(2)根据数控铣床的结构,其有限元模型的单

基金项目:浙江省2002年重大科技招标资助项目(2002C11024)

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元应为三维实体单元,为了提高精度,采用较高阶单元。这里选用ANSYS提供的块单元SOLIDE95。SOLIDE95是一个20节点的等参实体单元,在保证精度的同时允许使用不规则的形状,有相容的位移形状,适用于曲线边界的建模。

(3)数控铣床中主轴部分与其它部分是划分网格的,单元网格划分采用自由网格。

为了进行结构分析,实际上的数控铣床被离散为节点和单元。分析模型共197435个节点,1025个单元。由于数控铣床的结构非常复杂,因此,对机床的主轴、主轴箱、立柱、床鞍、工作台、底座六个部分分别建模然后再组成一个完整的数控铣床,最后得到了有限元模型。图1为数控铣床整机固有振动的有限元计算模型,图2为数控铣床整机模型建立的坐标系。《机床与液压》20051No16

方案,主要针对筋板的数量和厚度的修改。最初设计

的结构与修改后的进行比较后如图4所示。分析结果显示筋板的数量和厚度对数控铣床有很大的影响。

表1　固有频率和振型

阶数频率/Hz1234567

471466216312311138151621816711204122101722011

振型描述

立柱沿床鞍运动方向的摆动立柱沿工作台运动方向的摆动立柱的扭转振动工作台、床鞍的弯曲振动主轴箱与立柱之间的振动工作台的弯曲振动

主轴箱沿工作台运动方向的振动,工作台弯曲

主轴箱电机沿床鞍运动方向的弯曲振动主轴箱沿工作台运动方向弯曲振动,工作台弯曲

图1　整机固有振动有限元模型

212　计算结果与分析

经过有限元整机建模后,在ANSYS中用子空间法进行求解,共提取了9阶模态。同时,我们还进一步进行了动画仿真显示,从中发现了各阶振型主要对底座

图2　整机坐标系

构成影响。表1给出了数控铣床

固有振动频率的有限元计算结果。由于篇幅所限只给出前三阶的振型图(图3)。

图4　四种方案分析结果与原机床比较

(1)立柱筋板厚度对数控铣床的刚度影响很小,

同时,筋板越厚,固有频率越低。

(2)数控铣床一阶振型表明是沿X轴方向的摆动,严重影响了加工精度。因此,应在保证足够刚度的前提下减轻立柱的质量。3　结论

(1)基于大型、高效数控铣床的模态分析,该机床立柱的动态弯曲和扭转变形是影响机床动态性能的主要因素。它将对机床的加工质量造成很大的影响。

(2)机床的立柱和底座是影响机床动态性能的薄弱环节。通过对立柱和底座结构参数的改进,可以有效地提高机床的动态性能。

(3)用大型有限元分析软件ANSYS既可以节省人力和物力,又有比较高的模拟精度,在动态设计中是非常重要的手段。

图3　前三阶振型图

参考文献

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【2】G1P1Zhang,Y1M1Huang,W1H1Shi,W1P1Fu.Pre2

dictingdynamicbehavioursofawholemachinetoolstruc2

从分析中我们可以知道立柱的刚度好于床身,因此它们的连接部分是薄弱环节。机床性能的提高取决于固有振动频率的提高和振动形式的改变。在机床基本结构没有大变动的前提下,提出了四种不同的修改

(下转第36页)

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等,自动转变为数控G代码。系统通过通讯模块与外部网络相连,直接将异地需要加工工件的数控代码传递给该系统,使其具有网络加工能力。

系统中的控制内核将图形编程或网络传递来的数控代码经过编译生成PMAC卡能识别的运动程序并下载给下位机,下位机通过轨迹产生模块,将数控代码翻译成每个伺服轴运动所对应的指令代码,然后由轴控制模块实现伺服控制。控制算法既可以采用PMAC提供的通用算法,也可由用户指定,并通过PC总线下载到PMAC中。下位机通过输入输出端口与外部的传感器和执行器相连,如按纽开关、指示灯等。由于下位机具有强大的可编程离散逻辑控制能力,可实时地监视外设的模拟和数字输入信号、设置状态输出、传递信息、监视运动参数等。其控制逻辑采用文件形式由上位机定制,因此具有很大灵活性。对于实时性要求更强的任务,如位置信号和回零信号的处理,以及一些系统运行安全性检查等,则由下位机直接进行,上位机只接受处理后的完成信息,这样可保持系统的运行安全。

3　数控中心控制系统软件设计

模块化是系统软件编码的前导,它确定系统由哪些模块组成、模块之间的相互关系、模块的功能和输入输出数据的规格,使模块不会产生混乱。

由于PMAC具有良好的软件开放性,从而大大方便了数控软件系统的开发。数控系统的软件结构如图1所示,由主控模块及各个功能模块组成。主控模块为用户提供一个友好的系统操作界面,在此界面下,系统的各功能模块以菜单的形式被调用。系统的功能模块可分为实时控制类功能模块和非实时管理类模块两大类。实时控制类功能模块是控制机床当前运动和动作的软件模块。非实时管理类模块可利用PC微机和PMAC所提供的计算机语言和软件工具实现。由于时间响应要求不高,故由PC微机负责运行。在实时控制类功能模块中,PMAC已提供了基本功能,仅需进行简单的参数输入或选择便可直接调用。如:加工程序解释模块可在PEWIN环境下对已有的PMAC解释程序进行编辑和调试,并下载到PMAC固定内存中,在实际加工时被PMAC自动调用;可直接选择调用PMAC提供的直线插补、圆弧插补及样条插补功能,也可自行定义G、M、T代码。(上接第22页)

ture[J]1InternationalJournalofMachineTools&Man2ufacture,2003,43:699～7061【3】季文美,方　同,陈松淇1机械振动[M]1科学出

版社,19851

【4】陈精一,蔡国忠1电脑辅助工程分析———ANSYS使用

《机床与液压》20051No16

图1　基于PMAC数控系统的软件组成　　PLC控制程序是用于机床系统的开关量的逻辑控制。PLC程序可以极高的采样速率监视模拟输入和数字输入、设定输出值、发送信息、改变增益、命令运动停止/起动等作业,以5～10ms甚至更高的循环速度对PLC程序进行反复扫描。PLC程序由系统I/O端口映射、回参考点、使能许可,自动、单步、点动等工作方式,快速、增量、倍率等速率调整,冷却、润滑、主轴电机启停等控制子程序组成。PLC程序采用PMAC提供的命令语言编写,可以直接运行,也可经编译后执行。4　结束语

计算机数控玻璃雕刻机是集成CAD/CAM技术、计算机数控技术、电机驱动技术、玻璃光学表面成型技术为一体而发展起来的高新技术设备,本论文主要对其中心控制系统作了研究。通过介绍一种基于PMAC运动控制器的开放式数控系统,将其应用于自动玻璃雕刻机。在当前技术条件下,采用这种基于上、下位机的双CPU开放式的数控系统,具有较大的实用价值。

参考文献

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作者简介:田相克,1975年出生,男,山东临沂人,讲师,工学硕士。主要从事数控方面的研究与教学工作。E-mail:tianxk-312@1631com。

收稿时间:2004-03-10

指南[M]1中国铁道出版社,20011【5】M1Zatarain,E1Lejarid,F1Egana1ModularSynthesisofMa2

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作者简介:王伟伟(1980～),女,硕士生,主要从事机械动力学与先进制造技术的研究。

收稿时间:2004-03-25