加工中心进给系统动态特性分析及工作台尺寸优化设计


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龙门加工中心由工作台、立柱、横梁、滑鞍等部件组成。其中工作台进给系统由伺服电动机、滚珠丝杠、导轨滑块与工作台组成,其负载工件并作进给运动,因此进给系统的动态性能是影响加工中心加工精度的重要因素。对于进给系统动态特性的分析与关键部位的优化一直是相关领域的热点问题。

针对进给系统动态特性分析,国内外学者在模态分析、谐响应分析、振动信号分析等方面开展了大量的工作&_3]。目前大致有理论分析(刘立0基于有限元法研究了丝杠支撑方式、螺母位置等因素对进给系统动态特性的影响)、实验测试、测试与有限元分析相结合的方法,例如朱坚民B]等人利用实验与仿真相结合的方法,通过模态振型和固有频率的对比验证了有限元模型以及滚动结合部刚度计算方法的正确性。

在工作台结构优化方面,田亚峰@设计了不同的工作台筋板形式,然后以轻量化为目标拓扑优化其结构,并利用ANSYS进行静动态特性研究,实现了工作台质量略有下降的情况下提高固有频率的目标。在三维连续体结构拓扑优化方面,叶红玲H等人针对频率约束和结构重量最小的拓扑优化问题建立了频率约束下的三维连续体的拓扑优化模型。

借鉴航天领域广泛应用的薄板加筋[8]方法,梁东平@开展了复合材料格栅加筋板布局优化设计的工作。其采用一种参数化的平铺等效刚度计算方法,设计变量为轴向和横向的筋条间距、筋条高度和厚度以及筋条的布局。针对板壳结构加强筋的设计主要是采用结构拓扑优化的方法,如均匀化的方法M以及变密度法[11]。季金Q2]等人受到自适应成长设计法的启发采用了准则法结合数学规划法求解板壳结构加强筋的分布问题,建立了满足KKT条件的优化准则,并建立了相应的优化准则和寻优迭代公式。

以上的研究虽达到了结构优化的目的,然而建立优化模型的过程均未从结构振动信号测试与分析的结果出发。本文从进给系统的动态特性测试和分析出发,分析了进给系统的振动规律,然后进行模态测试和有限元模型的建立与验证,最终确定优化的关键部件。并实现了在保证质量不增加的情况下提高工作台的整体刚度的目标。

1进给系统模态分析

1.1研究对象

 

本研究对象为一台龙门加工中心的进给系统,为使测试过程及分析结果接近于实际工况,将该加工中心典型工件——某汽车覆盖件模具安置在工作台上,进给系统基本结构与技术参数如图1与表1所示。

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结束语:

本文从对加工中心进给系统运行时所产生的振动信号的分析入手,通过仿真与实验相结合的方法研究进给系统动态特性,确定了工作台的优化模型并进行了尺寸优化,最终验证了优化后的结果。工作中共有以下结论:

(1) 进给系统运行时工作台所产生的振动一部分可归因于进给运动传动链冲击所造成的受迫振动,另一部分则是由工作台自由振动产生,频率为136 Hz左右,振型表现为工作台台面中心起伏振动。

(2) 对进给系统进行了模态测试与仿真模态分析,其结果表明测试与仿真前四阶固有频率误差均在10%以内。

 

(3) 利用Ansys Workbench对工作台的结构,以及其筋板进行了尺寸优化设计。实现了在保证工作台质量不增加的情况下,提升工作台各阶固有频率的目的,有效地提高了工作台的刚度与进给系统的动态性能。

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