（机械工程专业论文）龙门式五轴加工中心结构动态设计与实验方法.pdf

摘要 伴随着对数控机床加工精度、加工效率、表面加工质量和生产效率等性能要 求的提高，机床结构静、动态特性已成为评估机床整体性能的一项重要指标，而 机床静结合面的处理在获得机床结构静、动态特性方面显得尤为重要。本课题结 合0 4 专项，与沈阳中捷机床有限公司共同开展某型号高速龙门五轴式加工中心的 结构动态设计，通过对该龙门式五轴加工中心结构的静、动力学和实验分析，全 面地开展了整机和关键部件有限元建模与仿真、整机模态试验分析、结构修改等 方面的研究工作，极大的提高了其加工效率与抗振性。同时，对机床静结合面进 行初步的实验研究，得出一定条件下机床静结合面的变化规律，为之后龙门高速 加工中心的结构动态设计奠定了重要的理论与实验基础。论文主要进行了以下几 方面的工作： ( 1 ) 利用a n s y s 软件建立该龙门五轴式加工中心关键部件及整机结构的有限元模 型，在建模期间，充分考虑边界条件以及结合面的处理，而后对其进行静、动力 学分析，根据所做的数字仿真分析，给出了具有一定意义的结论； ( 2 ) 针对所研制的龙门五轴式加工中心，利用l m st e s t l a b9 a 模态分析系统以及 其他实验设备，对其关键部件和整机结构进行模态振动实验，验证了有限元模型分 析结果，同时获得该龙门中心的动态特性并发现结构的薄弱环节，而后提出了改进 方案； ( 3 ) 通过有限元分析软件a n s y s 计算分析，验证结构改进方案的可行性； ( 4 ) 针对高速龙门五轴加工中心的结构特点，设计了一套结合面特性实验装置， 利用已有的结合面参数识别方法，进行了试验，并得出相关的结论，为之后的深入 研究奠定了一定的基础，同时，为龙门加工中心的动态设计提供必要的实验依据。 关键词：动态特性a n s y s 动力学分析l m s 结构优化静结合面 a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n gd e m a n d i n gf o r t h em a c h i n i n ga c c u r a c 5s p e e d ，a n dt n e p r o d u c t i v i t y , t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n e t o o l ss t r u c t u r eb e c a m ea n i m p o n a n ti n d i c a t o ro fo v e r a l ls t r u c t u r a lp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n m e a n t i m e ，h o wt od e a l w i t ht h es t a t i cl o i n ti n t e r f a c eo fm a c h i n et o o l sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei no b t a i n i n gi t s s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s b a s e do nt h e0 4i m p o r t a n t n a t i o n a ls p e c i f i cp r o j e c t s a n dw i t ht h eh e l po ft h es m t c l ，s t r u c t u r a ld y n a m i cd e s i g no fa c e r t a i nm o d e l so f 5 - a x i sg a n t r ym a c h i n i n gc e n t e rh a sb e e nc a r r i e db u ti nt h i sp a p e r t h i sp a p e r f o c u s e so n f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n go fm a c h i n i n gt o o l sa n d i t sk e yc o m p o n e n t ，s t a t i ca n dd y n a r n l c a n a l y s i s m o d a le x p e r i m e n ta n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e d t h e p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y a n dv i b r a t i o nr e s i s t a n c e a n ds o m er u l e sw e r eo b t a i n e dm t h i s p a p e rb yt h ee x p e r i m e n tf o rs t a t i cj o i n ti n t e r f a c e ，w h i c h e s t a b l i s h e da ni m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o rs t r u c t u r a ld y n a m i cd e s i g n a n de x p e r i m e n t a l m e t h o d so fg a n t r ym a c h i n i n gc e n t e r t h ec o n t e n to f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 1c o n s i d e r i n go fb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dj o i n ti n t e r f a c e ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l o f t h e5 - a x i sg a n t r ym a c h i n i n gc e n t e ra n di t sk e yc o m p o n e n t sw a s b u i l ta n di t ss 诅t l c a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s w e r eo b t a i n e dt h r o u g hs i m u l a t i o nb ya n s y s a c c o r d i n g t or e s u l t so fs i m u l a t i o n ，s o m ec o n c l u s i o n sw e r eg i v e ni nt h i ss e c t i o n ( 2 、m o d a la n a l y s i se x p e r i m e n t so ft h e5 - a x i sg a n t r ym a c h i n i n gc e n t e r a n di t sk e y c o m p o n e n t sw e r ec a r d e do u tt oa c q u i r ei t sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sb yl m st e s t l a b ， w h i c hv e r i f l e dt h ea n a l y s e sb ya n s y s a n dt h em o d i f i c a t i o nf o rt h es t r u c t u r eh a d b e e np r o p o s e dw h e nt h ew e a k n e s sw a sf o u n d a f t e r f 3 1t h em o d i f i c a t i o nf o rt h es t r u c t u r a lw e a k n e s sw a s v a l i d a t e db ya n s y s ( 4 1b a s e do ns t r u c t u r a ld y n a m i cd e s i g no f t h e5 - a x i sg a n t r ym a c h i n i n gc e n t e r , as e to f e x p e r i m e n t a le q u i p m e n tf o rt h e s t a t i cj o i n ti n t e r f a c ew a sd e s i g n e d m e a n w h i l e ， e x d e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tb yu s i n ge x i s t i n gp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s f o r s t a t i ci o i n ti n t e r f h c e ，a n ds o m er e l e v a n tc o n c l u s i o n sw e r ed r a w e d i nt h i sp a p e r , w h i c h c o u l dp r o v i d ec e r t a i nf o u n d a t i o n t ot h es t r u c t u r a ld y n a m l cd e s l g n o fg a n t r y m a c h i n i n gc e n t e ra n di n - d e p t hr e s e a r c h k e yw o r d s ：d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，a n s y s ，d y n a m i ca n a l y s i s ，l m s ，s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n ，s t a t i cj o i n ti n t e r f a c e 第一章绪论 1 i 课题研究背景与意义 第一章绪论 伴随着机械工程工业与科学技术的快速发展，高精度、高速度、高效率、复 合高效性和高表面加工质量的要求在数控机床行业中愈发的占据着主导地位。 在国内外众多机床设计方法与原则中，机床整机结构的设计原则大多处于按 静力准则为基础，进而忽略机床整体的动态特性。然而导致加工误差的主要原因 是机床的整体刚度不足而产生的振动，为有效的改进机床的加工精度、加工速率 等特性，机床结构的动态性能已纳入评估机床性能的重要指标之一1 1 j 。相对于国外 来说，我国在机床设计方面还是缺乏一定的理论与技术基础，比如精密程度，高 效率等。而国外对机床高速加工的理论与实验的研究已具有一定的进展，同时， 在机床刚度，机床精度等方面也有所涉及，这为机床设计的稳定性提供了一定的 保障。我国在精密机床的研究与设计正处于起步阶段，在技术与理论方面存在一 定的不足，然而，动态特性的研究是保证精密机床符合标准的基础，为此，研究 高速数控机床的结构动态特性，对提高机床高速性与高效性，增强我国数控机床 设计实力具有一定的意义。 如今机床设计最为有效的方法便是借助于现代有限元分析软件与模态分析软 件进行计算机仿真模拟，从而完成机床的优化设计，同时，在利用计算机模拟仿 真的过程中，找出机床整体结构中存在的薄弱环节，并通过一定方法进行结构优 化，以提高机床整机的动态性能，保证其加工精度等多方面的要求。 本文在加入对机床结合面特性的拟合的基础上，通过模拟软件研究机床的结 构动态特性，并对机床的整体结构进行合理的改进与优化，以期望能提高机床的 加工精度等要求，为再次开发该类数控机床提供一定的技术与理论的参考依据。 然而，机床结合面的动力学参数由于受到多种因素的影响，虽然现今已有多位学 者参与结合面参数识别的研究，但是仍未提出一定有效可行的方法来模拟机床结 合面，对于机床结合面存在的规律法则仍处于未知的状态，所以，对机床结合面 的深层次的研究迫在眉睫。 随着机床行业的发展，将本课题所做出的成果应用于大型龙门数控加工中心 设计与加工实践中，能够极大的解决国内机床行业存在的各种问题，增强大型龙 门数控加工中心的整体动态性能，从而较大的提升国内龙门数控加工中心整体结 构的动态设计水平。 第一章绪论 1 2 高速龙门加工中心动态特性研究的国内外发展现状 1 2 1 高速龙门加工中心动态特性研究的国内发展现状 国内数控机床的设计研发起步比较晚，对于现代机床设计的发展方向，主要 表现在以下几个方面： 1 复合化：其核心主要表现在同一部机床上要集中完成车、铣、磨等多种操作 工序，从而提高了机床的加工效率和加工精度。 2 高速化、高精度化：进给速度、主轴转速在很大程度上有所提高，同时，加 工精度已从过去的微米级逐渐的转向纳米级。 3 智能化：操作逐渐人性化，简便易懂，同时采用自动编程，界面简单，在监 控方面以及诊断方面采用智能方式，并具有一定的反馈机制。 4 柔性化：由以前单一生产逐渐的多元化，慢慢发展成具有系统化的柔性系统。 随着科学技术的发展，尤其计算机的充分利用，加工中心在高速、高精、多 轴、复合等多方面都有较大的突破，在龙门加工中心和数控龙门镗铣床等方面更 为明显。然而，我国对于龙门加工中心的设计理论与加工技术存在一定的缺陷， 且对于各项信息集成程度不高。由于现今国内技术水平和工业基础还相对比较落 后，数控机床的整体性能和可靠性与工业发达国家相比，差距还是较大，因此加 速进行数控系统的工程化、高效化等问题的处理，尽快建成与完善数控机床系统 成为当前的主要任判2 | 。 在最近几十年间，机床结构的整体设计方法与技术逐渐趋于成熟。其中，学 者张坚针对一种移动式数控龙门铣床，通过对床身、龙门架、滑台、主轴箱、三 轴进给驱动机构机械部分及相关数控伺服部分的设计，从而提出一种合理的设计 方案【3 】；同时，学者胡文彬考虑到传动系统、机床的主要结构、性能以及部分机床 几何精度检验等方面，采用较为成熟的技术成功设计出一种床身式数控立式铣床， 该产品投放市场后，取得了较好的经济效果【4 】。尽管国内的学者对铣床提出了各种 设计方案，但机床的动态性能在设计过程中过多的被忽略。 然而，最近一段时间，机床的动态性能越发的受到设计研发人员的重视。北 京信息科技大学的李扬采用实验模态分析和有限元分析相结合的方法，对一龙门 铣床进行分析，以获得该铣床的动态特性【5 】。东北大学刘阳利用静、动态特性实验 得出机床的各项动态参数，然后用a n s y s 有限元分析软件模拟并显示机床在考虑 导轨结合面参数条件下的各阶模态下的振型和固有频率，最后对整个机床进行激 振试验，全面得出该机床的动态特性【6 。尽管如今机床的动态特性已经进入设计人 员的视野，可是，对于机床动态特性的获得，却存在着许多的问题急需解决。 第一章绪论 1 2 2 高速龙门加工中心动态特性研究的国外发展现状 高速龙门数控加工中心是一种高精度、高生产率且适合于加工复杂型面的自 动化机床，对加工中心的刚度、热变形、精度、切削能力和稳定性以及自动检测、 自动监控等都有比较高的要求，而且国外设计研究人员有不断提高其柔性化和智 能化水平的趋势。国外的数控加工中心的设计技术主要从以下几个方面发展：高 速化、高精度化、智能化、高灵敏度化、柔性化。 据相关资料介绍，对于一些著名的机床生产厂家，如德国的h e i f e r ，美国的辛 辛那提，日本的日立精机，山崎等从早期开始，都在开发专用的数控机床，该种 机床专用性强，且拥有较好的结构特性，在操作和性能上完全的符合用户的需要。 同时，系统中取消部分不需要的功能，却是越发的看重机床的动态性能，进而价 格降低，体积减少，更为实用。此外，在第2 2 届日本国际机床展览会( j i m t o f2 0 0 4 ) 上，日本大隈株式会社展出一台m c r - a 5 6 五轴动梁龙门加工中心，主轴系统采用 气浮结构，刀库容量1 2 0 把，主轴转速最高为4 0 0 0 0 r m i n ，主轴功率1 8 5 2 2 k w ， 采用直线电机驱动x 、y 、z 轴，快速移动速度为4 0 m m i n ，工作台面积2 0 0 0 m m 3 0 0 0 m m 。由于机床整机结构设计利用热对称形式，使机床一直处于平衡温度场 中，同时，在结构上具有较好的机床动态性能，保证了机床整机精度处于1 0 i t m 左 右，所以该机床具有一定的高加工精度。另据相关资料说明，法国费雷斯特一里 内( f o r e s t - l i n e ) 公司生产- 种a e r o m i n u m a c 型高速龙门铣床，该铣床采用 多个铣头同时进行精密高速加工，主要应用于航空航天工业中铝合金、钛合金等 复杂型面结构的大型零件加工，主轴最高转速4 0 0 0 0 r m i n ，主电机最大功率 1 0 0 k w ，x 、y 、z 最大加工范围2 0 0 0 0 m mx 4 0 0 0 m m 1 0 0 0 m m ，最快进给速度 3 0 m m i n 。当今世界上以生产龙门加工中心与数控龙门镗铣床而著名的厂家德国瓦 德里希科堡公司( w a l d 融c h c o b u r g ) ，推出的新产品不仅大大的提高了高速、 高精等方面的要求，而且逐渐在多功能复合化方面深入研究。比如瓦德里希科堡 公司提出一种在龙门移动式机床的固定工作台上配置数控车、铣复合旋转工作台， 以增加车削等功能，以达到功能复合化。 伴随着科学技术与机械工业的发展，出现了机械的高速化、结构轻型化，机 床的工作环境也更加复杂，导致机械结构的振动问题日益突出，甚至因振动引起 严重的事故，因此，高速龙门加工中心的动态性能在设计阶段越发的受到重视， 特别是加工中心运动的高速化，其动态特性不容忽视。而模态参数是对加工中心 结构动态特性的充分表现，并且获得模态参数的目的是为了对现有机械结构进行 分析修改，或在加工中心结构设计阶段优化其动态性能，以缩短从图纸到产品的 周期。高速龙门数控加工中心的设计已经逐渐从静态的强度设计步入了动态设计。 第一章绪论 1 3 机床结合面动态特性国内外研究现状 机床结合面的研究最早可以追溯到苏联5 0 年代，欧洲、美国、日本等国的学 者也在6 0 7 0 年代开始进行单个样件和各类典型结合面的特性实验。除此之外，波 兰、法国、巴西、印度等国也有学者进行了结合面特性方面的研究i ，j 。 1 9 8 0 年，日本学者堤正臣开始了对结合面的研究，尽管研究的成果具有一定 的局限性，但是，此次的实验研究被认为是对结合面理论研究的开端瞄j 。 同年，前苏联学者p b b j i h k b 主要研究了机床螺纹联接阻尼方面，认为螺纹 间及相配零件结合面处的摩擦，以及接触表面间的相互碰撞，是其能量消耗的主 要原因，并通过多因素相关递归分析，得出了单个螺纹联接的阻尼比1 9 j 。 德国学者洛菲尔德对车床先测量床身阻尼，而后分别安装拖板、床头箱和尾 架，在每次安装完之后测量一次阻尼，其阻尼值呈现逐渐增加，最终达到床身阻 尼的8 倒1 0 】。1 9 8 5 年c f b e a d s 通过大量的研究和试验证明，在大多数的机械结 构中，大约有9 0 的阻尼产生于结合面1 1 1 | 。 上世纪7 0 年代左右，单件的静态结合面实验已经在国内开始进行。之后的多 年时间，伴随着计算机技术的应用，中国学者与科研人员在机床动力学理论与实 验分析等多方面都取得很大突破。管华，杨家华等学者写的论文机床床身立柱 结合面参数识别的研究中就提到一种建立目标函数的方法：首先建立其模型的 动力学方程，然后根据结合面的具体情况建立其目标方程，在动力学方程中，利 用优化方法对其参数进行计算，再对计算结果与实测值进行对比，发现其误差范 围在1 0 内【1 2 】。而后在纪海慧，卢熹等学者所写的论文 c k l 4 1 6 数控车床整机结 合面动力学特性建模与仿真中提出以模态试验测试结果优化为目标，以接触单 元的法向刚度和切向刚度及摩擦系数为变量的优化方法求出结合面参数，对有限 元模型进行修正，逐步逼近，从而提高建模精度1 1 3 。同时，张波、陈天宁等在论 文某型数控车床床身结合面有限元建模及参数优化识别中提到以联接面的线 形弹簧阻尼单元的三个方向的刚度值以及底座与地基联接面的刚度值作为设计变 量，而后建立相应的目标函数，计算采用a n s y s5 7 软件优化模块提供的一阶优 化方法，它通过添加惩罚函数将约束问题转化为无约束问题，然后用序列无约束 极小化方法( s e q u e n t i a lu n c o n s t r a i n e dm i n i m i z a t i o nt e c h n i q u e ，简称s u m t ) 求最优 解，得出参数【1 4 】。台湾学者d a v i dt e y e nh u a n g 与j y h j o nl e e 在其文章o n o b t a i n i n gm a c h i n et o o ls t i f f n e s sb yc a et e c h n i q u e s ) ) 也有提到，机床结构有限元分析 的两种方法，需要注意的方面包括建立合适的有限元模型，等效力与力矩的转换， 接触面的处理，约束的设置和结果的分析。其中第一种为s i n g l em o d u l em e t h o d f s m m ) 单个模块分析方法，其主要讲述了在分析单个部件时，对该单件进行网格 第一章绪论 划分，而后进行等效力与力矩转换，约束，进行分析。第二种方法h y b r i dm o d e l i n g m e t h o d ( h m m ) 混合模块分析，即整体分析，把所有单件组合在一起进行网格划分， 而后对接触面进行单点耦合( 祸合处为滑块螺栓处) ，等效力与力矩转换，设置 约束，进行分析。通过比较，发现h m m 比s m m 精度上和效率上更好【l 川。 近几十年来，对于结合面的研究越发的受到学者们的重视。在学者李建华， 赵翠萍所写论文螺栓结合面接触刚度和接触阻尼中，首先在结合面模型中给 出刚度和阻尼的初始值，而后采用锤击激振法进行实测，修改参数，直到满足优 化条件为止。同时该论文研究了在不同条件下机床结合面参数的的变化规律【l 6 | 。 而在刘晓明，徐燕申，彭泽民所写论文结合面参数识别方法在摇臂钻床模型上 的应用中提出将有限元法与实验模态分析技术有机地结合起来，利用弹簧和阻 尼代替结合面( 三个方向) ，凭经验给出参数初始值，通过试验给出所测结果，进 行比较，改变参数，直到满足一定要求，从而得出结合面参数1 1 7 | 。 1 4 主要研究内容 本文以与沈阳中捷机床有限公司共同开发设计的高速龙门五轴式加工中心为 研究对象，在充分考虑边界条件以及结合面的处理的前提下，利用a n s y s1 1 0 有 限元分析软件分别进行了静力学和动力学分析，同时利用l m st e s t l a b9 a 模态分 析软件等仪器设备对其进行模态实验，验证了有限元分析的结果，并通过以上方 法，找出该机床的薄弱环节，并相应的提出合理的结构改进意见。最后针对高速 龙门五轴加工中心的结构特点，设计了一套结合面特性实验装置，运用已有的结 合面参数识别方法，利用l m st e s t l a b9 a 模态分析系统等仪器设备，测试在不同 粗糙度、面压、预紧力大小等条件下机床固定静结合面刚度与阻尼参数变化的一 般规律。全文内容结构如下： 第一章说明课题的研究背景和意义，详细介绍了龙门加工中心动态特性与 机床结合面研究的国内外相关领域研究状况，并提出本文研究的主要内容。 第二章在限元分析软件a n s y s1 1 0 中，建立与沈阳中捷机床有限公司共同 开发设计的某型号高速龙门五轴式加工中心的有限元模型，在建模期间，充分考 虑边界条件以及结合面的处理，而后分别对其进行静、动力学分析，找出该3 n - r 中心整机结构中存在的问题。 第三章利用l m st e s t l a b9 a 模态分析系统和其他试验设备对该高速龙门 五轴式加工中心进行整机模态试验及关键部件的模态试验，验证了有限元模型分 析结果，同时获得该龙门中一t h , 的动态特性并发现结构的薄弱环节，而后通过仿真 与试验结果相结合，找出该加工中心结构薄弱环节存在的问题，并提出合理的结 第一章绪论 构优化方案，通过a n s y s 验证改进方案的可行性和有效性。 第四章针对高速龙门五轴加工中心的结构特点，设计了一套结合面特性实 验装置，运用已有的结合面参数识别方法，利用l m st e g l a b9 a 模态振动分析系 统，进行了结合面特性实验，并得出相关的结论，为之后的机床静结合面参数变 化规律的进一步研究打下了一定的基础，同时，为龙门加工中心的动态设计提供 必要的实验依据。 第五章阐述本课题得出的结论，并提出今后待深入研究的问题，以及进展 方向。 第二章高速龙门五轴式d h t 中心静、动力学分析 2 1 引言 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 本章以与沈阳中捷机床有限公司共同开发设计的某型号高速龙门五轴式加工 中心为研究对象，利用有限元软件a n s y s 分别对其进行静力学分析与动力学分析， 初步了解该机床单件和整体的静、动态性能，并找出该加工中心结构中存在的问题? 2 2 高速龙门五轴式d n - r 中, b 设计方案 该高速龙门五轴式加工中心是沈阳中捷机床有限公司新研制的五轴飞机铝合 金大型结构件加工设备，机床总体布局采用龙门式结构，两立柱分别置于床身上。 该加工中心由床身、立柱、横梁、工作台、主轴箱等组成。床身用于支撑和连 接机床各个部件，比如两个立柱与工作台等；主轴箱可沿横梁上的导轨在z 向与y 向移动，使刀具上升或下降；工作台位于床身上，用于安装工件或夹具；工作台沿 导轨在x 向移动，从而实现x 向的移动。同时，该加工中心拥有a i b 双轴系统， 能够实现复杂性曲面的加工。其主要特点是主轴转速高、加工精度高、快速定位、 能够加工复杂表面等，由于结构具有较高的动态特性，从而提高了加工效率，同时 该加工中心整机结构刚度较高，能保证一定的加工质量等特点陋1 9 珈2 1 】。该高速龙 门五轴式加工中心结构设计图如图2 。1 所示，其中，模型在三维软件u g 中建立。 图2 1 高速龙门五轴式加工中心结构设计图 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 2 3 高速龙门五轴式加工中心的有限元分析 2 3 1 高速龙门五轴式加工中心的静力学性能分析 机床在加工过程中，各个部件易产生弯曲等各种形变，过大的变形量将影响其 定位精度和使用寿命等，因此，采用有限元方法对该加工中心各个主要部件进行静 力学特性分析是非常必要的【2 2 】。该加工中心的关键部件主要包括工作台、床身、立 柱、横梁、滑枕、主轴箱、刀架等。 由于在机床加工过程中所受冲击载荷较小，因此，首先主要通过静力学计算， 分析各个部件的结构受力变形、应力分布、以及各个主要部件的静刚度，以判断单 件结构设计的合理性。同时，根据现场加工状态，有必要对其典型工况的极限情况 进行计算分析。以下为该加工中心各个部件的静力学分析以及整机在静置时的变形 情况。 ( 1 ) 工作台静力学分析 模型在三维软件u g 建立，考虑到要利用有限元分析软件a n s y sl1 0 2 3 进行 计算，同时由于结构中许多小孔与小倒角对计算分析带来很多不便，并且可能导致 错误，特别把工作台模型的小孔与倒角去除，而后转化成中性文件格式x t ，以便 转化到a n s y s 软件中进行计算。工作台三维结构模型图如图2 2 所示。 图2 - 2 工作台三维结构模型图 此次分析是在有限元分析软件a n s y s11 0 中进行，把之前做好的中性文件模 型导入该软件中，根据实际工况条件情况，在该软件中设置材料属性如下：材料弹 性模量为2 1 1 0 p a ，材料泊松比为0 2 9 ，材料密度为7 8 0 0 k g m 3 ： 在有限元分析软件a n s y s 中，对其进行单元网格划分等前处理工作。在 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 a n s y s 软件中存在多种划分网格单元类型，本次选用s o l i d 9 2 号，s o l i d 9 2 号单元 主要适用于较大三维实体模型的网格划分工作。同时，考虑到工作台模型比较大， 网格划分方式采用自由划分。工作台划分网格后模型如图2 3 所示。 图2 3 工作台网格划分后模型图 为了计算工作台静刚度，在a n s y s 软件中对工作台各个方向施加1 0 0 0 0 n 的 竖直力，作用点分别置于工作台中间部位，而后在工作台与滑块联接处施加三个方 向全约束。通过a n s y s 计算，分别得出x 、y 、z 三方向的静刚度，如表2 1 所示。 表2 - 1 工作台三个方向的静刚度 = 刃r 一j 一 瓣一 ( a ) 工作台x 向变形图( b ) 工作台y 向变形图 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 ( c ) 工作台z 向变形图( d ) 最大变形量为2 8 8 9 i n 图2 - 4 工作台a n s y s 静力学分析计算结果 其中在a n s y s 中计算静刚度如图2 - 4 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示，可知，工作台三个方 向刚度较大，结构上完全满足要求。图2 - 4 ( d ) 为2 1 2 作台在加工极限情况下所做的静 力学分析，即当加工工件质量为1 0 吨，且位于工作台中间时所产生的变形，而后 在工作台与滑块联接处施加三个方向全约束。计算后可知，最大变形量为2 8 8 i t m ， 变形量较小，满足精度要求。 ( 2 ) 床身静力学分析 模型在三维软件u g 建立，同理，把床身模型的小孔与倒角去除，而后转化成 xt 中性文件格式，以便转化到a n s y s 软件中进行分析计算。床身三维结构模型 图如图2 5 所示。 图2 - 5 床身三维结构模型图 在经过中性文件xt 格式导入到软件a n s y s 中之后，并对其进行分析计算所 需要的各项前处理工作。在a n s y s 软件中设置该床身材料属性如下：材料弹性模 量为2 】1 0 p a ，材料泊松比为0 2 9 ，材料密度为7 8 0 0 k g m 3o 单元类型采用s o l i d 9 2 号单元，采用自由网格划分方式划分网格。划分网格后床身模型图如图2 - 6 所示。 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 图2 - 6 床身网格划分后模型图 同理，在a n s y s 软件中对床身各个方向施加1 0 0 0 0 n 的竖直力，根据实际情 况，在床身与地面联接地脚处施加三个方向全约束，通过a n s y s 计算分析，分别 得出床身x 、y 、z 三个方向的静刚度，数据如表2 - 2 所示。 表2 - 2 床身三个方向的静刚度 其中在a n s y s 中计算静刚度如图2 - 7 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示，可以看出，z 向具有 较大刚度，具有一定的承载能力，y 向刚度略微不足。图2 - 7 ( d ) 为床身在极限加工 情况下所做的静力学分析，而后在床身与地面联接地脚处施加三个方向全约束，计 算后可知，最大变形量为3 8 0 p t m ，床身变形量较小，满足结构精度要求。 一 啊叮 ( a ) 床身x 向变形图( b ) 床身y 向变形图 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 一1 玎 一_ _ _ 一一_ 7 r ! ：二：! 竺竺兰! ! ! 竺! ! 三竺兰! 竺兰兰：三! ! ! 尘三 一 ( c ) 床身z 向变形图 ( d ) 最大变形量为3 8 0 b i n 图2 7 床身a n s y s 静力学分析计算结果 由a n s y s 计算静刚度和在加工时床身的静变形，可以发现，床身在x 、z 方 向拥有较大的静刚度，但y 方向的静刚度相对较小。 ( 3 ) 立柱静力学分析 立柱采用梯形结构，宽度与高度设计合理，厚度适宜，内部采用空心结构，具 有较好的刚度。同理，去除微小特征，而后转化成x t 中性文件格式，转化到有限 元软件a n s y s 中进行计算。立柱三维结构模型图如图2 - 8 所示。 图2 - 8 立柱三维结构模型图 在a n s y s 软件中，对其进行单元网格划分，约束设置等前处理工作。并设置 该立柱材料属性数值如下：材料弹性模量为2 1 1 0 p a ，材料泊松比为0 2 9 ，材料 密度为7 8 0 0 k g m 3 。单元类型选用s o l i d 9 2 号单元，采用自由网格划分方式划分模 型网格。划分网格后模型图如图2 - 9 所示。 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 一一一一一一 图2 - 9 立柱网格划分后模型图 同理，通过a n s y s 计算，分别得出立柱x 、y 、z 三个方向的静刚度，数据如 表2 3 所示。 表2 - 3 立柱三个方向的静刚度 其中在a n s y s 中计算静刚度如图2 ，1 0 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示，x 、y 向刚度略微不 足，z 向刚度较好。图2 1 0 ( d ) 为立柱在极限加工情况下所做的静力学分析，而后在 立柱与床身螺栓联接处施加三个方向的全约束，计算后可知，最大变形量为1 1 8 p r o ， 变形较大。 _ _ 一一硼、 心 ( a ) 立柱x 向变形图( b ) 立柱y 向变形图 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 一，常言9 一一一= l 一：一- ( c ) 立柱z 向变形图( d ) 最大变形量为1 1 8l a m 图2 1 0 立柱a n s y s 静力学分析计算结果 由a n s y s 计算静刚度和在加工时立柱的静变形，可以发现，立柱在z 方向拥 有较大的静刚度，但x 、y 方向的静刚度相对较小，应适当加强。 ( 4 ) 横梁静力学分析 横梁内部筋板结构设置较密，所以各个方向上具有较好的刚度，同理，去除横 梁模型结构中的小孔与倒角，而后转化成xt 中性文件格式，转化到有限元分析软 件a n s y s 中进行计算。横梁三维结构模型图如图2 1 1 所示。 图2 11 横梁三维结构模型图 在经过中性文件x j 格式导入到软件a n s y s 中之后，并对其进行分析计算所 需要的各项前处理工作。同时，在该软件中设置该横梁材料属性如下：材料弹性模 量为2 1 1 0 p a ，材料泊松比为0 2 9 ，材料密度为7 8 0 0 k g m 3o 单元类型采用s o l i d 9 2 号单元，划分网格形式采用自由网格划分。划分网格后模型图如图2 1 2 所示。 同理，在a n s y s 软件中对横梁各个方向施加1 0 0 0 0 n 的竖直力，根据实际工 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 况条件情况，在横梁与立柱的螺栓联接处施加三个方向的全约束，通过a n s y s 计 算，分别得出横梁x 、y 、z 三个方向的静刚度，数据如表2 - 4 所示。 图2 1 2 横梁网格划分后模型图 表2 - 4 横梁三个方向的静刚度 其中在a n s y s 中计算静刚度如图2 1 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。图2 1 3 ( d ) 为横梁在 极限加工情况下所做的静力学分析( 考虑其产生的弯曲与扭转变形，在横梁上添加 等效质量体，其质量为主轴箱及其其他在主轴箱上部件的等效质量) ，而后在横梁 与立柱的螺栓联接处施加三个方向的全约束，计算后可知，最大变形量为3 6 8 9 m ， 变形量较小。 ( a ) 横梁x 向变形图 一1 碌广 ( b ) 横梁y 向变形图 第二章高速龙f - j r 轴式加工中心静、动力学分析 一 n 一= i i _ 一一一一乔f r 一 ( c ) 横梁z 向变形图 ( d ) 最大变形量为3 6 8 1 m a 图2 1 3 横梁a n s y s 静力学分析计算结果 由a n s y s 计算静刚度和在加工时横梁的静变形，可以发现，横梁在x 、y 、z 方向拥有较大的静刚度，且变形量小，具有承受一定载荷的能力。 ( 5 ) 滑枕、主轴箱、刀架静力学分析 同理，考虑到要利用有限元分析软件a n s y s1 1 0 进行计算，特别把滑枕、主 轴箱、刀架装配体中的小孔与倒角等微小特征去除，而后转化成x t 中性文件格式， 以便转化到a n s y s 软件中进行计算。其三维结构模型图如图2 - 1 4 所示。 图2 1 4 滑枕、主轴箱、刀架装配体的三维结构模型图 在经过中性文件x 3 格式导入到软件a n s y s 中之后，并对其进行分析计算所 需要的各项前处理工作。在该软件中设置该装配体材料属性如下：材料弹性模量为 2 1 i o h p a ，材料泊松比为0 2 9 ，材料密度为7 8 0 0 k g m 3 。单元类型采用s o l i d 9 2 号单元，采用自由网格划分方式划分网格。划分网格后模型图如图2 - 1 5 所示。 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 一7 瀑厂 一，。1 l一 图2 1 5 滑枕、主轴箱、刀架装配体网格划分后模型图 同理，通过a n s y s 计算，分别得出该装配体x 、y 、z 三个方向的静刚度，数 据如表2 - 5 所示。 耋：塑垫：圭丝笪：翌墨茎堡签三全互旦塑堂! ! 壅 x y z 一 作用力( n ) 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 变形量( 岬) 5 3 0 1 3 7 0 5 5 6 整旦! 鏖型塑21 ：! ! 圣! ! ： z ：! 圣! ! ：! ：! ! 圣! ! ：一 其中在a n s y s 中计算静刚度如图2 - 1 6 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。图2 1 6 ( d ) 为滑枕、 主轴箱、刀架装配体在极限加工情况下所做的静力学分析，而后在滑座与滑块的联 接处施加三个方向的全约束。计算后可知，最大变形量为1 1 1 0 p m ，变形量较大， 可能由于自重前倾导致。 ( a ) 滑枕、主轴箱、刀架装配体x 向变形图 ( b ) 滑枕、主轴箱、刀架装配体y 向变形图 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 旷= j _ 蔑。誊。除 ( c ) 滑枕、主轴箱、刀架装配体z 向变形图( d ) 最大变形量为1 1 1 0 1 a m 图2 1 6 滑枕、主轴箱、刀架装配体a n s y s 静力学分析计算结果 由a n s y s 计算静刚度和在加工时滑枕、主轴箱i 刀架装配体的静变形，可以 发现，滑枕、主轴箱、刀架装配体在x 、y 、z 方向拥有较大的静刚度，然而变形量 大，可能由于自身重量过大，导致整体前倾。 ( 6 ) 高速龙门五轴式加工中心整机静力学分析 此次计算为该加工中心在静置情况下的静变形。考虑到要利用a n s y s1 1 0 进 行计算，把整机装配体中的小孔与倒角等微小特征去除，而后转化成xt 中性文件 格式，以便转化到a n s y s 软件中进行计算。其三维结构模型图如图2 1 所示。 在经过中性文件xt 格式导入到软件a n s y s 中之后，并对其进行分析计算所 需要的各项前处理工作。在该软件中设置整机装配体材料属性如下：材料弹性模量 为2 1x1 0 p a ，材料泊松比为0 2 9 ，材料密度为7 8 0 0 k g m 3 。单元类型采用s o l i d 9 2 号单元，划分网格形式采用自由网格划分。划分网格后模型图如图2 - 1 7 所示。 图2 】7 整机装配网格划分后模型图 第二章高速龙门五轴式加工中心静、动力学分析 根据实际情况，在床身各个地脚处分别施加三个方向的全约束，同时考虑到其 边界条件与结合面，在a n s y s 中计算结果如图2 1 8 所示，由于滑枕、主轴箱和刀 架等自身重量较大，主轴箱处产生前倾的趋势，从而导致变形量较大，计算后可知， 最大变形量为1 5 1 3 p m ，该加工中心整体变形量较小。 图2 1 8 整机装配体a n s y s 静力学分析计算结果 在充分考虑边界条件以及结合面的处理的前提下，利用a n s y s 软件建立该龙 门五轴式加工中心关键部件及整机结构的有限元模型，并进行静力学分析，发现其 单件与整机都具有较好的静刚度，但是，相对而言，立柱x 与y 向刚度略显不足。 2 3 2 高速龙门五轴式力nq - , 心的动力学分析 机床在加工过程当中，各个部件必然会产生相应的振动，而此类振动必然会给 加工精度、加工效率和机床使用寿命等造成一定的负面影响，同时，主轴转动频率 应适当的避开机床整机振动频率和各个部件的振动频率，以防达到共振而引起较大 的加工误差。同时，通过各个部件与整机的模态分析，可以发现在振动环境下存在 的结构问题，尽早的做好准备【2 4 ，2 5 1 。因此，采用有限元方法对该机床整机和各个主 要部件进行模态振动分析非常必要的。以下为各个部件和整机的模态分析结果。 ( 1 ) 工作台模态分析 此次分析也是在有限元分析软件a