YKS5120B_3数控插齿机床身结构有限元分析

1、第26卷第3期2010年6月机械设计与研究Machine Design and Research Vol26No3Jun，2010 收稿日期：20091104基金项目：湖北省教育厅自然科学资助项目（020091302）文章编号：1006-2343（2010）03-053-04YKS5120B-3数控插齿机床身结构有限元分析田启华，周祥曼，杜义贤，李慧，王伟（三峡大学机械与材料学院，湖北宜昌443002，E-mail ：tqhctgueducn ）摘要：基于Pro /E 建立了YKS5120B 3数控插齿机床身的三维模型，并利用Pro /E 与ANSYS 接口将该模型直接导入ANSYS ，对床身

2、进行了结构静、动态有限元分析，得到了床身静态应力及变形数据、前5阶模态的固有频率和振型。根据分析结果，对床身结构提出了改进方案并进行了验证。本研究为YKS5120B 3数控插齿机床身设计与制造提供了一种理论指导。关键词：数控插齿机；床身；有限元分析；模态分析中图分类号：TH122；TP3917文献标识码：AThe Finite Element Analysis of Machine ToolBed of YKS5120B-3NC Gear ShaperTIAN Qi-hua ，ZHOU Xiang-man ，DU Yi-xian ，LI Hui ，WANG Wei（College of Mec

3、hanical Material Engineering ，China Three Gorges University ，Yichang 443002，China ）Abstract ：The 3D model of machine tool bed of YKS5120B-3NC gear shaper is created in Pro /EThis model is introduced directly into the ANSYS with the interface of ANSYS and Pro /EThe bed structural static stress and de

4、form-ation ，the five-order modal natural frequencies and mode of vibration are obtained by ANSYS static and dynamic analy-sisBased on the analysis results ，the improvement scheme of the bed structure is proposed and verifiedThis study offers a kind of theoretical instruction for the design and manuf

5、acture of machine tool bed of YKS5120B-3NC gear shaperKeywords ：NC gear shaper ；machine tool bed ；finite element analysis ；modal analysis随着制造业的发展和先进设计理念的应用，对数控机床静、动态性能要求越来越高。由于数控机床在工作时同时受到静、动载荷的作用，故而数控机床各零、部件在结构设计时，需要同时满足静刚度和动刚度要求，因此现代的数控机床设计逐渐采用结构动态设计原理和有限元法的变量化分析技术1，通过静、动态结构的分析优化，不仅可使零部件的静力学性能得到改善

6、，还可使结构的抗振特性得到提高。本文以YKS5120B 3数控插齿机床身为研究对象，采用AN-SYS 有限元分析软件对其进行结构静力学和模态分析，进而根据结果提出改进方案并进行验证。1床身的静力学有限元分析11模型的建立由于本文研究对象YKS5120B-3数控插齿机床身为多层板式结构，结构较为复杂，为了能方便进行结构分析并获得可用的计算结果，同时保证分析的效率，首先对实际结构的构件受力、形状及尺寸、材料特性等等做出适当的简化假设，如去掉一些对分析影响不大的细小特征（如小的倒角、倒圆、小孔等）。由于ANSYS 软件的三维建模功能相对薄弱，而Pro /E软件的三维建模功能比较强。所以首先在Pro

7、/E 中建立床身三维模型，然后利用ANSYS 提供的与Pro /E 的接口功能，将在Pro /E 中建立床身三维模型直接导入到ANSYS 中（文中选用Pro /E30与ANSYS100），然后选用Solid45单元，采用ANSYS 智能网格划分方式按照二级精度对床身划分网格。床身材料为HT2000，其参数如下：弹性模量126 103MPa ，泊松比03，密度70 109t /mm 3。床身简化后的三维模型和对应的有限元模型分别如图1和图2所示。图1数控插齿机床身三维模型 图2数控插齿机床身有限元模型12加载及求解实际床身底部两侧是用6个地脚螺栓与硬地基连接的，所以在连接面上施加三个方向自由度为

8、零的位移约束。顶部方形平台连接的工作台的压力为002425MPa 。由于与床身导轨接触中床身导轨副是移动的，所以有多种工况，但是通过分析发现导轨副位于床身排屑槽上方时为最危险工况，因此这里分析了这种工况，接触区域的压力107826MPa 。由于床身重量较大，因此还要考虑床身自重，在Y 方向施加重力加速度9810mm /s 2。求解完成后就可以进入后处理模块。13结果查看和数据分析进入通用后处理器查看等效应力和总变形，如图3和图4所示 。图3 床身等效应力图图4床身总变形图从图3可以看出，床身的最大等效应力为2568MPa ，位置在导轨与导轨副的接触处，但应力值远远小于材料的强度极限，从应力分析

9、的角度看，材料的抗破坏能力还有很大潜力。因此床身设计很保守，还有很大的优化空间。从图4可以看到，最大的变形为000432mm ，发生在排屑槽上方的导轨上和底部的转角处，说明床身的变形比较小，静刚度满足要求。通过提取两个导轨面上Y 方向的位移数据，可以看到左、右导轨Y 向的最大变形量分别为000425mm 和000325mm ，左导轨的两个最大变形处的变形量相差为000125mm ，右导轨的两个最大变形处的变形量相差为000013mm ，因此可以看到，左导轨Y 方向上的变形量相差较大，这样会导致在插齿过程中引起较大的误差，因此有必要改变导轨下的支撑结构，使其整体刚度加强，导轨Y 方向的变形差减小

10、。结构优化前两导轨Y 方向变形曲线图如图5、图6所示 。图5改进前沿左导轨Y 方向位移图6改进前沿右导轨Y 方向位移2床身的模态分析模态分析可以用来确定结构的振动特性，包括固有频率和振型。通过计算床身的固有频率和振型，就可以分析其动态特性和结构动刚度的薄弱环节，分析结果可以作为优化设计和结构改进的理论依据。利用ANSYS 对床身进行模态分析，提取前5阶模态数据。其固有频率和振型如下表所示，振型图如图7 图11所示。床身的前5阶固有频率和振型阶数频率/Hz 振型147150整体前后摆动248363整体左右摆动354228床身上下振动459132床身绕左右对称面扭振564438床身中间部分上下振动

11、45机械设计与研究第26卷 图7床身第1 阶模态振型图图8床身第2 阶模态振型图图9床身第3 阶模态振型图图10床身第4阶模态振型图从床身前5阶模态分析可以看出，前三阶振型主要是整体振动，但是也有局部振动，说明内部筋板布局不合理，有必要改善结构，进一步提高动刚度。从床身的前5阶固有频率可以看出，床身的固有频率在470 650Hz 之间，而机床插齿频率为25Hz 、主电机的最大回转频率为100Hz ，因此这两种激励不会引起床身共振 。图11床身第5阶模态振型图3床身结构优化由床身的结构静力学分析和模态分析可知，床身设计过于保守，且存在局部结构不合理等缺点。因此可以通过对不同优化方案的分析对比，提

12、出如下优化方案：（1）床身底部原来只有前后两侧与地面接触，现在中间添加支撑面，以增大床身与地面的接触面积，如下图12所示；（2）将床身内部支撑导轨的两个主要竖直筋板由原来的30mm 改为40mm ，其它筋板由20mm 改为15mm ，如图13、14所示 ；1底部新添加支撑图12底部支撑改进图3）对照上一次静、动态分析的结果，去掉一些对强度和刚度影响不大的筋板，调整一些内部筋板的布局，改进前、后内部结构分别见图13、14所示 。130mm 导轨支撑筋板2其他20mm 筋板图13床身结构改进前的内部结构图 图14床身结构改进后的内部结构图结构改变之后，按照原来的参数再次分析后发现，床身的最大等效应

13、力和总变形分别为1877MPa 和0002191mm ，相对原来2568MPa 和000432mm 分别减小了27%和49%，说明改进后的静态性能得到了显著的提高。对改进后的模型进行模态分析后发现，改进后床身的前5阶模态频率分别提高到531446Hz 、641609Hz 、665154Hz 、743626Hz 、862862Hz ，相对改进前分别有较大的提高，说明床身的动态性能也得到了提高。床身优化后的等效应力和总变形云图分别如图15和16所示。 图15优化后的床身等效应力图16优化后的床身总变形图4结论床身是机床的重要支撑部件，其静、动态性能对机床的整体性能具有关键性作用及影响。本文运用有限

14、元方法对YKS5120B-3数控插齿机床身进行了静、动态分析，进而针对分析结果提出了优化方案并进行了验证，为床身和机床其它零部件的进一步优化设计提供了理论依据与指导。参考文献1张学玲，徐燕申，钟伟泓基于有限元分析的数控机床床身结构动态优化设计方法研究J 机械强度，2005，27（3）：353 3572梅瑛，李瑞琴，张晨爱，等基于ANSYS 的筒形件强力反旋应力应变分析J 机械设计与研究，2008，24（6）：68 713王勖成，邵敏有限单元法基本原理和数值方法M 北京：清华大学出版社，19964邢静忠，王永岗，陈晓霞，等ANSYS 分析实例与工程应用M 北京：机械工业出版社，20045向家伟，

15、王荣，徐晋勇，等大型龙门铣床主轴滑枕结构有限元分析J 制造技术与机床，2009（9）：47 506龚曙光，谢桂兰，王亚等基于有限元的快开门装置结构优化设计J 机械设计与研究，2004，20（1）：83 86作者简介：田启华（1962），男，博士，教授，主要从事机械设计及理论，CAD /CAM 与制造业信息化等，发表论文50余篇欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁。（上接第52页）4结论在机械系统运动仿真平台COSMOSMotion 上完成了无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动机构的运动学仿真，研究了蜗杆、蜗轮以及滚子的运动状态。验证了蜗杆齿

16、面方程的正确性。通过对无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动机构添加三维碰撞约束，模拟了传动机构在碰撞力作用下机构运动的运行状态，得到蜗杆、蜗轮角速度曲线以及蜗轮滚子齿的角速度、角加速度曲线，且在加载条件下研究了蜗轮滚子齿转动副处的运动副反力。仿真结果表明：蜗轮的角速度以及蜗轮滚子齿的角速度、角加速度在蜗轮有工作阻力的情况下波动较大，由此得出在蜗杆传动在工作过程中可能有较大的振动和冲击作用。该研究方法为进一步的机构运动过程模拟、动态干涉检验、动力学分析、强度校核、优化设计和振动噪声分析等提供了较为准确可靠的依据。参考文献1王进戈，张均富，洪雷无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动机构P 中国：发明专利：CN101290042200842洪雷，王进戈，张均富，等无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动的啮合分析J 西华大学学报，2008，27（3）：18 233洪雷无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动的研究D 成都：西华大学，20074吴江无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动的设计与制造D 成都：西华大学，20085孙昌佑，李儒琼，何凤琴，等环面蜗杆螺旋线参数建模与齿面生成J