【《快速刀具伺服（FTS）三维建模及有限元分析案例》3400字】

快速刀具伺服（FTS）三维建模及有限元分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u2273快速刀具伺服（FTS）三维建模及有限元分析案例 113230第1章FTS装置三维建模与安装 132961.1柔性铰链的建模与安装 1203321.1.1柔性铰链的建模 1196031.1.2柔性铰链与立板的安装 2146401.2连接杆建模及安装 3286261.2.1连接杆的建模 372821.2.3连接杆的安装 349121.3光栅座建模与安装 4119121.1.1光栅座的建模 4157311.1.2光栅台及读数头安装 537851.4整机的装配 532183第2章FTS装置的有限元分析 7124312.1FTS装置的模态分析 7245282.2FTS装置的力-位移分析 9262722.3FTS装置的应力分析 9第1章FTS装置三维建模与安装1.1柔性铰链的建模与安装1.1.1柔性铰链的建模柔性铰链作为FTS装置的导向结构，对柔性铰链的加工以及安装的精度要求都比较高，参考了较多的文献后发现，在使用直梁型柔性铰链的FTS装置中，绝大多数的柔性铰链都是通过螺纹连接，通过螺纹连接将柔性铰链安装在底座上，而这对于装配的精度要求非常高，安装的误差会影响整体的精度。依据对上述问题的考虑，思考采用一种整体式的结构，使得柔性铰链与底座一体式加工成型，当然，这样的设计会使加工的难度有一定的提升。但是权衡装配的难度，还是选用一体式的结构设计。柔性铰链及底座的设计如图1.1所示。图1.4柔性铰链及底座的三维模型柔性铰链采用前述的Y型结构，柔性铰链、立板与底座为一体式结构，前后共两个柔性铰链，由于沿z向的力通过FTS控制过程进行抵消，当切削过程中z向受力时，仅通过一个柔性铰链连接类似于悬臂结构会使刚度不足，这时在后侧再加一个柔性铰链，即形成了简支结构，可以提升刚度并减小变形。前端柔性铰链的中间部分为通孔，用双螺母的方式紧固，四周为螺纹孔，通过螺钉可以将刀架等装置固定在上面。由于一侧需要安装电机，所以后侧的柔性铰链中间部分为螺纹孔，这样通过单个螺母与螺纹孔实现双螺纹防松，同样四周为螺纹孔，将光栅台安装在相应的位置上。中间的立板中间部分为通孔，将连接杆穿入音圈电机，并与两侧铰链相连，同样四周加工四个均布的螺纹孔，用于安装电机的定子部分，调整螺纹孔的均布角度，使之恰好不被前侧的柔性铰链挡住，能够在柔性铰链端实现螺钉的紧固，简化了安装过程。1.1.2柔性铰链与立板的安装由于采用了一体式的结构，所以极大的简便了柔性铰链与立板及底座的装配关系，使得三者间的垂直度、平行度到装配误差都得到了很好的保证。最后仅需要将底座通过螺纹连接安装在机床的相配合的基座中，并将盖板盖上，完成柔性铰链以及底座间的装配。1.2连接杆建模及安装1.2.1连接杆的建模根据安装需求，连接杆需要两侧攻螺纹，且在安装时要注意安装顺序，应当是小端先穿入整个机构中，再在大端侧使用一字或十字螺丝刀将连接杆拧上。两端的长度均需要大过柔性铰链的长度，且安装双螺母一侧需要预留出铰链和双螺母的总长，建模示意图如图1.5所示。图1.5连接杆建模1.2.3连接杆的安装前后两个铰链的凸台分别安装刀架和安装光栅尺的支座，通过四个螺纹孔的螺钉进行固定，柔性铰链中央部分钻出通孔并攻螺纹，连接杆由中央部分的孔穿入，后侧的铰链攻有螺纹，连接杆通过螺纹与铰链连接，在沉孔处安装扁螺母，实现双螺母防松紧固住连接杆。考虑到装配的难度，将前端铰链做成通孔，连接杆与前端铰链无螺纹配合关系，而是通过两个扁螺母在前端铰链两侧实现对连接杆的固定。连接杆与柔性铰链及立板连接安装如图1.6所示。图1.6连接杆与柔性铰链安装1.3光栅座建模与安装1.1.1光栅座的建模设计光栅座的作用主要是为了便于光栅读数头的装配，由于光栅测量的精度高，相对应的，其安装精度也有一定要求，所以在安装过程当中应当可以实时的对光栅读数头的姿态进行调整，且应当在至少能在两个非平行的平面上对光栅读数头进行调整。根据需求设计了两个相互垂直的平面，通过螺钉与光栅读数头进行连接。根据TONICT1000的产品说明书要求光栅读数头与光栅尺的距离要求应严格控制在2.1±0.15mm，所以对光栅台的高度以及光栅尺的裁剪安装均有一定限制要求。光栅台建模如图1.7所示。图1.7光栅台建模1.1.2光栅台及读数头安装光栅台将通过两个螺纹孔紧固在底座上，在之前的柔性铰链-底座一体式设计中，已经为光栅台的安装预留了位置。根据安装的距离设计，在没有加工误差的情况下，安装完光栅读数头之后，读数头距离光栅尺的距离应当恰好为2.1mm。在安装读数头时需要保证读数头平面与光栅尺平面严格平行，无法通过目测方式保证平行要求，TONICT1000系列产品在光栅读数头的侧方设有两个指示灯，当安装位置正确时绿灯亮，当安装位置不当时黄灯亮，通过指示灯，能很好的保证安装精度。光栅台与读数头的安装如图1.8所示。图1.8读数头及光栅台1.4整机的装配根据前文所述，立板、柔性铰链与底座为一体式的加工工件，不需要额外的安装需求。立板上由四个均布的孔对应音圈电机定子的四个螺纹孔，音圈电机的定子部分与后侧柔性铰链通过螺纹相连接，中间连接杆通过前端的孔穿入整个结构，并通过螺母的紧固连接前后两个柔性铰链，后侧柔性铰链的四个螺纹孔与光栅台的四个螺纹孔相配合，安装光栅台。前侧的柔性铰链四个螺纹孔与刀架上的四个螺纹孔相配合，后侧安装刀架。整机装配情况如图1.9所示。图1.9整机装配第4章FTS装置的有限元分析有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）是工程上一种高效率的用于完成数学计算分析的一种方法。其可以用离散的数学运算来模拟连续的物理系统。其工作的原理是，将物理模型划分成离散的若干个网格，网格结构以四面体居多，但六面体效果更好，模拟的结果更接近真实值，之后将这些划分好的网格单元以节点的方式连接在一起。在离散之后还需要通过矩阵将各个离散的单元重新合并为整体，所以早期也有人称FEA方法为矩阵近似方法REF_Ref71813138\r\h[29]。由于实际的较为繁琐的物理模型被一个个简单的问题所替代，所以求得的结果只可能是近似解，但是往往工程问题上很难能求得精确解，而且大多数问题也不要求精确解，所以往往在合适的分析模拟下，能得到较好的近似结果，尤其对于各种复杂的不规则的几何形状，FEA方法有着得天独厚的优势。本文所使用的材料是45钢，调质处理，在进行有限元分析时将中间连接杆与两端柔性铰链固定在一起，整体装置上方应加装盖板。在有限元的建模中为方便分析问题，将上方盖板与底座、立板置为一体。由于ANSYS软件的建模功能和其他软件不互通，应用有限，所以建模采用之前的CATIA建模文件。材料选用为结构钢，泊松比为0.3，许用应力为600MPa，弹性模量为206GPa,密度设定为7850kg2.1FTS装置的模态分析机床工作时的共振现象会极大的影响机床的加工精度和动态精度，并且会对加工工件的刀具造成一定程度的磨损，若是共振情况十分严重，可能会直接导致工件加工的失败。FTS所加工的光学曲面一般精度要求非常高，即使共振频率相近也会造成十分大的影响，所以FTS在工作时必须避免上述存在的可能。共设计了六阶的模态分析，其分析情况及图片如表2.1所示，根据实验结果可以看出，整个装置的一阶共振频率为226.56Hz，远大于工作时所需要的20Hz，所以可以认为本装置在正常工作条件下是不会产生共振现象的。虽然理论的共振频率分析不能十分准确地反映加工时的工况，但是具有一定的参考价值。表2.1装置的六阶振型及频率一阶振型二阶振型共振频率表三阶振型四阶振型五阶振型六阶振型2.2FTS装置的力-位移分析根据计算可知，FTS的刚度为259.9Nmm，根据公式（2.6）计算需要电机的最大力为125.76N，由于在本研究之中需要两个柔性铰链通过中间连接杆串联，所以需要约251N左右的力，为了验证依据推导公式所计算出的力是否正确，在Ansys仿真软件上进行了模拟测试，在后侧柔性铰链部分平面上施加251N的斜坡力，计算其最终位移。仿真结果如图2.（a）前侧柔性铰链位移（b）后侧柔性铰链位移图2.1位移仿真结果从仿真结果可以看到，当施加了251N的斜坡力后柔性铰链所产生的位移为0.525mm，与实际计算结果约有5%的误差，说明计算效果很好，仿真模型和计算模型符合一致。选用该种型号的音圈电机并配合所设计的柔性铰链，可以满足位移需求。2.3FTS装置的应力分析在实际的施力-位移过程中，不仅仅需要考虑施加多大的力能产生所需要的位移，也同样需要考虑当产生相应的位移之后，装置的应力分布情况，否则在柔性铰链的最大应力分布处可能会产生断裂的风险。在Ansys仿真软件中设定0.5mm位移后，测量装置的应力分布情况，得到的应力分布情况如图2.2所示。图2.20.5mm位移的应力分布情况可以通过仿真分析