立式加工中心模态性能仿真分析与试验测试


伯特利数控 加工中心  钻攻中心  

 前言:

 引言

数控加工中心的模态性能(固有频率、阻尼比、模态振型)对加工中心的加工精度具有重要影响W.加工中心的设计阶段,可以采用有限元仿真的方法分析加工中心的模态性能,并进行结构优化设计,从而提高加工中心的加工精度.李明林等人仿真分析了一台加工中心的模态性能,并通过试验验证了仿真的准确性m.翁德凯等人仿真分析了一台立式加工中心的模态性能,并提出了加工中心结构优化建议M .刘志伟等人以一台磨床的主轴系统为对象,采用有限元的方法仿真了不同预紧力作用下主轴系统的模态性能W .虽然国内学者对加工中心模态性能的仿扛方法进行了大W研究•似足如何添加边界条件,从而准确仿真加工中心的模态性能,仍然是「1彳内学者们研究的热点.

本文以某立式加工中心为对象,首先采用有限元的方法仿真分析了加工中心的模态性能,并与试验结果进行了对比,最后对加工中心的结构进行了优化.研究方法对于提高加工中心的模态性能具有指导意义.

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1  立式加工中心模态性能仿真分析

1-1有限元模型建立

     立式加工中心主要由床身、床鞍、工作台、立柱、主轴箱、主轴系统、导轨滑块等组成,结构如图i (a)所示.建立加工中心整机的实体模型时,只考虑这些主要的零部件,并忽略掉倒角、圆角、凸台、小孔等结构细节.采用自由网格划分的方法,共生成节点394个,单元22〇 486个,如图1 (b)所示.                                    

床身、床鞍、工作台、立柱、主轴箱的材料是HT3〇0,主轴系统、导轨滑块的材料是40Q.,材料属性参数[s]如表1所示.

1材料属性参数

 

材料

弹性模量(GPa)

泊松比

密度(kg/m3)

HT300

130

0.24

7 250

 

40Cr

200

0.3

7 850


 


 

1.2结合面建模方法

大量研究表明,提高加工中心模态性能仿真精度的关键在于准确添加结合面之间的参数队'该立式加工中心的结合面可以分为两类:⑴螺栓固定结合面,存在于立柱和床身、主轴系统和主轴箱之间,即立柱和主轴系统通过螺栓分别固定在床身和主轴箱上;(2)导轨滑块结合面,存在于工作台和床鞍、床鞍和床身、主轴箱和立柱之间,即工作台、床鞍和主轴箱可以在导轨上分别沿a、2/、z向运动.某企业基于国家科技重大专项,与高校合作开发了结合面数据库,在数据库中输人结合面载荷和面积,就可以得到结合面的刚度和阻尼参数.

1.2.1螺栓固定结合面参数

以立柱和床身之间的固定结合面为例,介绍结合面参数的获取方法.该结合面的受力包括零部件(立柱、主轴箱和主轴系统的重力和螺栓预紧力,其中重力G约16 180 N.螺栓预紧力F的计算方法[8〗是:其中,T是螺栓扞紧力矩,N.m; if是拧紧力矩系数;d是螺纹的公称直径,mm.查阅加工中心的设计参数,计算得到凡=551 〇〇〇 N.立柱与床身之间共8个螺栓,立柱和床身之间结合面承受的总压力F为:

 

F = 8F〇 + G.                                      (2)

IJ_F=4.42xl06 N立柱和床身之间结合面的面积S约为0.19 m2.FS带入数据库,得到单个螺栓位置的刚度和阻尼如表2所示.

采用相同的方法,得到主轴系统和主轴箱之间单个螺栓位置的刚度和阻尼如表3所示.

1.2.2导轨滑块结合面参数

以工作台和床鞍之间的导轨滑块结合面为例,介绍结合面参数的获取方法工作台的重力约4 577

N4个滑块与导轨的接触面积约〇 〇24 8 m2 •将这两个参数带人数据库,得到单个滑块位置的刚度和阻尼如表4所示.


采用相同的方法得到床鞍和床身、主轴箱和立柱之间单个滑块位置的结合面参数,分别如表5和表6所示


图2模态振型仿真结果

2  立式加工中心模态性能试验测试

2.1试验测试系统

为了验证仿真分析的精度,对加工中心的模态参数开展试验测试•采用单输入多输出丨9]的方法,在整机上共布置541个测试点,测点布置如图3 (a)所示;使用力锤在每个位置敲击3次以减小随机误差,将三向加

速度传感器安装在加工中心上拾取振动信号,其中立柱上布置3个,床身、床鞍、工作台、主轴箱上各布置两个;使用LMS多通道数据采集前端进行数据分析和处理•试验测试系统如图3 (b)所示.


 

2.2试验测试结果

数据分析处理后,得到整机前4阶固有频率分别是43.693 Hz、62.173 Hz、92.299 Hz、127.224 Hz,前4阶阻尼比分别是2.47%、3.01%、2.77%、5.21%,前4阶模态振型如图4所示.


2.3仿真与试验结果对比

将固有频率仿真与试验结果进行对比,如表7所示.将图2和图4的模态振型对比可知,前两阶模态振型都是立柱和主轴箱摆动,后两阶模态振型都是床鞍和工作台摆动.说明本文的模态仿真方法合理、结果准确,可以用于分析和预测加工中心的模态性能.

3 立式加工中心模态性能优化

3.1优化方法

研究表明,低阶的模态对加工中心的加工精度影响更大[1Q].为了保证加工中心的加工精度,应适当提高加工中心的低阶固有频率,加工时也应避免在低阶频率附近切削加工.对于本文的立式加工中心,加工中心的结构决定了低阶模态振型,因此,本文以提高低阶模态固有频率为目标,对加工中心的结构进行优化.由于前两阶模态振型表现为立柱和主轴箱的运动,而且这两个零件的尺寸更大、对模态影响也更大,因此对这两个零件的结构进行优化.

为了减小立柱的振动,加大立柱底部筋板的尺寸;为了减小立柱下部的应力集中,将原来筋板的直角过渡修改为圆角过渡.为了增加主轴箱的刚度,加大了主轴箱侧向筋板的跨度并适当加大了筋板的宽度;为了减小主轴箱的应力集中,将内部筋板的直角过渡修改为圆角过渡.立柱和主轴箱的修改方法分别如图5 (a)5 (b)所示.

3.2优化后加工中心模态性能仿真

由于立柱和主轴箱的质量并没有发生太大变化,因此仍然使用之前的结合面参数.修改加工中心的模型,并添加材料属性和结合面参数,仿真得到优化后加工中心的前4阶固有频率,与优化前的仿真结果进行对比,

 


4结论

(1)  建立了立式加工中心的有限元模型,并重点介绍了螺栓固定结合面和导轨滑块结合面的建模方法,仿真得到了加工中心的前4阶固有频率和模态振型.

(2) 试验测量了加工中心的模态参数,并与仿真结果进行了对比.前4阶固有频率的仿真误差最大为I4.59%,模态振型仿真结果与试验结果一致,证明本文的仿真方法合理.

(3) 以立柱和主轴箱为对象,对加工中心的结构进行了优化.优化后加工中心的前4阶固有频率最大提高了5.69%,证明了优化方法的有效性.

 

 

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