使用WorkbenchAdams的高速防护关键部件铰链磨损研究.doc

使用Workbench/Adams的高速防护关键部件铰链磨损研究夏田1，马超1，陆武慧1，缑建文2（1.陕西科技大学机电工程学院，2.陕西科技大学职业教育学院，陕西 西安，710021）摘要：剪刀叉式防护罩同步部件是当前应用最为广泛的高速机床导轨防护罩随动机构1。文章首先考虑剪刀叉部件铰链联接螺栓柔性、采用Ansys workbench加载高速机床进给系统所要求达到的速度、加速度等参量，找到剪刀叉机构在实际工作中的易磨损位置；再利用Adams软件针对易磨损位置进行间隙铰链动力学分析，得出磨损对剪刀叉机构的影响。为此类机构的更合理设计提供帮助。关键字：剪刀叉机构 柔性螺栓 间隙铰链 Workbench Adams中图分类号：TH117.1The joint wear analysis of key components of high speed protection based on Workbench and Adams software XIA Tian1 ,MA Chao1, LU Wu-Hui1, GOU Jian-Wen2(1.Shaanxi University of Science and Technology college of Mechanical and Electrical Engineering, 2. Shaanxi University of Science and Technology Vocational and Technical (Vocational Education Teachers) College xi an Shaanxi,710021)Abstract: scissor fork guard synchronization component is one of the most useful follower mechanism using in the high-speed machine guard rails. Firstly, We consider the hinge bolts on scissors member as flexible bodies, using Ansys workbench software loading the required speed, acceleration and other parameters to find the wear position of the scissor fork guard synchronization component. Then we knew how the wear influent the component by doing the joint gap kinetic analysis focus on the easy wear location which is found before. This research can provide assistance to more rational design of such institutions.Keywords: scissor fork component，flexible bolts，joint gap，Workbench， Adams陕西省科技计划项目：缝纫机制造高速进给伺服驱动及动态性能研究（2013K07-08）第一作者介绍：夏田，女，（1962.5-），陕西科技大学，教授，硕士生导师。研究领域：机械制造装备及其自动化。1.引言当前，高速高精度切削机床和多轴联动机床已经成为我国装备制造业发展的主要方向。随着高速高精度机床在主轴速度、进给速度、精密化、可靠性上的大幅度升高，对数控机床防护的要求也越来越高，普通导轨防护罩已不能满足要求2，具有同步部件的高速防护装置应用逐渐广泛。同步部件能够使导轨防护罩各罩片在工作台牵引力地作用下能够同时运动，从而避免一个拖动另一个时产生的滞后、噪音、摩擦等问题，是高速机床防护装置的关键部件。目前，国内外各大生产企业普遍采用剪刀叉式同步机构如图1.1为带有剪刀叉同步机构的高速导轨防护罩。图1.1高度导轨防护罩上图中能够清晰地看到，剪刀叉同步机构由很多铰链组合而成，由于实际工作中机构水平放置，且需要保证运动精度，故铰链中轴需要进行轴向定位和预紧。为了使导轨防护罩更便于日常维护，常采用非全螺纹螺栓或双头螺柱联接长短轴组成铰链。由于高速导轨防护罩经常在高速度和高加速度的工况下工作，故联接铰链极易出现磨损，增加工作噪音和发热。本文采用Ansys workbench和Adams软件联合分析，研究剪刀叉同步机构铰链磨损问题。2、机构模型建立在进行计算机分析之前，首先需要对研究对象进行数字化建模。本文用3维建模软件Solidworks进行剪刀叉同步机构的模型建立3。该机构建模过程简单，其中长杆总长L=466.84mm，厚d=5mm，短杆总长L1=233.42mm，厚度d1=5mm，所有孔均为10mm，为方便后续软件计算，此处将螺栓杆简化为10X20mm的圆柱体。采用机械联接中的铰链联接进行装配，图2.1为装配后结果。图2.1剪刀叉装配3、薄弱点求解3.1运动状态分析为了最大程度地减小分析误差，使分析结果能够指导设计和生产。需要找到剪刀叉机构众多铰链结构中最容易出现磨损的一个。这就需要从剪刀叉同步机构实际工作状态入手加以考虑。由图1.1可以看出，剪刀叉同步机构一端固定，另一端由工作台带动最接近的第一罩片，从而经过螺栓联接带动运动，所有中间排铰链通过螺栓联接依次驱动。为便于软件求解，将上述过程等价为图3.1形式，用固定最左端螺栓的方式等效实际工作中剪刀叉同步机构与机床的固定端，用最右端螺栓与机架产生滑动副，方向沿中间排螺母外公切线来等效工作台对剪刀叉机构的带动。图3.1剪刀叉工作等效形式3.2软件求解本文采用Ansys workbench软件的瞬态动力学分析模块4求解实际工作中机构的薄弱点。其原理是将模型中的螺栓杆设置为柔性，加载机构在实际工作中的瞬态运动（不计重力），求解各柔性螺栓杆的内应力。由于铰链磨损主要由接触应力和摩擦力引起。其中，在没有螺栓杆轴向载荷的情况下，接触应力能够用内应力直接表示，而摩擦力则正比于作用在螺栓杆径向的正压力，此正压力也即螺栓杆内应力产生的原因。故在不计重力情况下，螺栓杆内应力大小能够间接反应铰链的易磨损程度。用于高速机床进给系统防护罩的剪刀叉机构，要求速度必须大于60m/min。加速度不小于2g5。按上文所述设置瞬态动力学各参数，将螺栓杆设置为柔性，螺栓杆与长短杆间设置旋转副，将最左端螺栓杆与地面（ground）固定，最右端螺栓杆与地面组成滑动副（translational）方向沿中间排螺母外公切线6。设置载荷步长为0.05s，滑动副速度从0加速到1m/s,加速时间0.05s。图3.2为求解所得的各螺栓杆随机3时刻应力图。0时刻应力2.78e-02s应力5e-02s应力图3.2螺栓应力分布由上图可以看出，螺栓杆应力变化为从右端（驱动端）到左端（固定端）依次递减。最易出现磨损的部位是上图最右端的驱动铰链。4、间隙铰链分析文章至此已经寻找到剪刀叉机构工作中最易出现磨损的薄弱点。下面采用Adams软件分析铰链出现磨损间隙后对机构运行的影响。由于剪刀叉同步机构使用中间排螺栓联接防护罩片1，故本节突出分析出现磨损后间隙铰链对中间排螺栓速度、加速度等运动参数的影响。由于在实际工作中驱动螺栓总是在工作台的牵引下做直线运动，且螺栓接触强度大于短杆，故其磨损形式应为下图4.1所示，短杆处磨损出现半径与螺栓相等的偏心圆形孔。图4.1剪刀叉磨损形式示意图4.1模型导入及运动副加载为便于计算求解，需要将模型进行修改，删除除去左端固定螺栓、最右端驱动螺栓以及中间排第三个螺栓外的其他螺栓杆结构，并将修改后的机构通过Parasolid中间格式导入Adams中7。复制机构作为没有出现磨损时工作状态，以便可以进行对比。使用Adams自带建模功能在复制后的驱动螺栓联接处切除如图4.1所示的左右两偏心孔，偏心距为0.1mm。由于本次分析不考虑重力，在运动副设置之前需要先删去系统自行加载的重力约束。之后在最左端螺栓处设置固定副，所有铰链处设置旋转副，在最右端螺栓杆与地面组成滑动副，方向为y轴。采用connect设置间隙处铰链8，完成运动副加载。与上文Workbench分析一样，在Adams中依然选择最右端滑动副为驱动，设置驱动 速度方程为：IF(time-0.05: 20000*time , 1000 , 1000 )。图4.2为模型导入及运动副加载完成后总图。图4.2剪刀叉Adams模型及运动副4.2分析求解设置步数为1000，运算时间为0.1s，求解，在ADAMS/PostProcessor(后处理模块)9中，分别调取有磨损间隙和无磨损间隙两种情况下中间排第三个螺栓(联接螺栓)的位移、速度和加速度曲线，其中，为消除初始位置误差，将位移曲线起点设置为0。图4.3（a）为有无磨损间隙情况下联接螺栓的位移曲线，(b)为速度曲线，(c)为加速度曲线。（a）(b)(c)图4.3有无摩擦间隙联接螺栓运动参数对比图4.4为接触对接触力分析，图4.4接触对接触力分析由上图可见，当螺栓杆与长短杆组成的铰链出现磨损间隙时，会对中间排联接螺栓的运动产生较大的影响，而中间排螺栓是剪刀叉同步机构与高速防护罩罩片联接之处。一旦出现磨损现象，就会产生罩片运动不到位（如图4.3（a）、运动状态不稳定(如图4.3（b）（c）)和激振冲击(如图4.4)噪声大等现象，严重影响高速防护罩运行质量。5、结论本文采用Ansys Workbench软件分析求解到高速防护罩剪刀叉同步机构的易磨损处，并使用Adams软件得出磨损对机构工作的影响。此后高速防护罩剪刀叉同步机构设计中可考虑针对易磨损铰链采取增加润滑、增套耐磨衬套等方法额外加以保护，能够有效提高剪刀叉机构的使用精度和寿命。6、参考文献1弓清忠. 高速机床导轨防护罩的结构分析J. 机床与液压,2011,02:51-52.GONG Qing-zhong. 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