基于剛柔耦合立臥式機床模型絲杠振頻分析
2019-5-16 來源：轉載 作者：-
摘要：為給具有不同切削特征的高精密立式機床和臥式機床選擇合適的機床，本文以絲杠的振動特性為研究對象，采用有限元和虛擬仿真技術，建立高精密臥式機床和立式機床進給系統剛柔耦合模型，并對立式及臥式機床進給系統絲杠的振動特性進行仿真分析。仿真結果表明，無論是在ｚ軸方向還是在ｘ 軸方向上，立式和臥式機床絲杠的位移變化都比較小，說明建立的進給系統模型的精密性較高；在本文所添加的材料屬性和切削力的條件下，立式機床工作臺運動特性比臥式機床劇烈，說明臥式機床的精度較高，所以在相同條件下應該選擇臥式機床加工零件；無論臥式機床還是立式機床，工作臺在ｚ軸方向的位移變化比在ｘ 軸方向的位移變化劇烈。該研究為ｚ 軸方向的后期優化提供了理論基礎。
關鍵詞：高精密機床；進給系統；剛柔耦合模型；絲杠；切削力
隨著我國經濟的不斷發展，機床產業已經成為我國的支柱產業，無論是在航空技術還是在現代電子工業的發展水平上，對所需的材料和型面要求都比較高，以必須采用高精密數控機床進行加工和制造。
在零件加工過程中，機床零部件會發生變形，所以考慮零件的柔性化使機床的加工和生產制造更加精確。對機床進給系統的零部件進行多柔化是提高仿真精度的一個重要方向。近年來
，ＡＤＡＭＳ軟件在機床領域是應用最廣泛的動力學仿真軟件，其分析的主要對象為剛體模型
，但還未實現直接對滿足變形振動的柔性體模型，需要通過其他軟件實現柔性體建模。ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ軟件是廣泛應用于各個領域的通用有限元分析軟件，具有良好的前后處理界面及高效精確的求解器。
目前，高精密數控機床進給系統的研究已成為國際眾多學者研究的熱點問題，但對于橫向
、軸向和扭轉３個方向的運動研究比較少。
李忠新等人研究了絲杠不同進給速度對工作臺的影響，但是沒有對位移和加速度進行研究
。因此，本文以高精密數控機床進給系統為研究對象，采用 ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ
和 ＡＤＡＭＳ軟件，建立剛柔耦合模型，分別研究高精密立式和臥式機床進給系統絲杠的振動特性，并在一定范圍內比較其精確度，以選擇合適的機床。
該研究為柔性體振動的仿真運動提供了更加真實可靠的依據，尤其對高精密機床的仿真模擬具有重要意義。
１ 、進給系統三維模型的建立
利 用三維建模軟件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立高精密機床進給系統模型，進給系統結構模型如圖１所示。
圖１ 進給系統結構模型
建模所圖１ 進給系統結構模型需要的基本參數為：絲杠直徑６６ｍｍ，絲杠導程１０ｍｍ，兩絲杠間的跨距為６８０ｍｍ，床身尺寸為２ ８６０ｍｍ×８７５ｍｍ×２２５ｍｍ，伺
服電機型號為 Ｙ３５５Ｌ３－４。
２ 、進給系統剛柔耦合模型的建立
２．１ 進給系統零部件有限元建模
將所得模型中的絲桿和工作臺的三維模型導入 ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ中，定義絲杠和工作臺材料屬性：材料密度為７８００ｋｇ／ｍ３，彈性模量為２１０ＧＰａ，泊松比為０．３。添加相應的約束，并對其進行網格劃分，網格劃分是有限元非常重要的環節，網格質量對分析結果的精度會造成很大的影響。
劃分網格時要注意網格的密度，不能太稠密，否則會導致計算量不斷增加；同時，網格密度也不能太稀疏，否則無法得到準確的求解精度。本文選擇能很好適應邊界條件的、尺寸為２０的四面體網格，得到各零部件的柔性體模型。絲杠和工作臺有限元模型如圖２所示。
圖２ 絲杠和工作臺有限元模型
２．２ 模態中性文件的生成
ＡＤＡＭＳ中存在兩種方 法建立柔性體。第 １ 種 是ＡＤＡＭＳ軟件里有自動柔性化功能，利用這一功能將剛性體轉換為柔性體；第２種是在一些有限元軟件中生成模態中性文件
，并導入 ＡＤＡＭＳ中，這里選擇第 ２ 種方法，在 ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ中生成絲杠和工作臺的模態中 性文件 ｍｎｆ文件。
２．３ 進給系統剛柔耦合模型的建立
１）將進給系統的三維建模零件圖導入 ＡＤＡＭＳ中，在軟件中添加相應約束及驅動，
以形成一個完整的仿真系統，進給系統各零部件約束關系如圖３所示。
圖３ 進給系統各零件約束關系
為驗證各運動副添加的合理性，對其進行仿真。若能合理運動，則說明運動副的添加合理
；若不能運動，則對運動副進行修改，找出其中錯誤的地方，然后在“Ｓｉｍ－ｕｌａｔｉｏｎ”選項中選擇“設置”，輸入 ｅｎｄ ｔｉｍｅ：５．０，Ｓｔｅｐｓ：１００仿真，驗證約束的合理性。
２）用以上生成的模態中性文件對剛性體進行替換，對不符 合 要 求 的 零 部 件 進 行 調 整，然 后 在 “Ｓｉｍｕｌａ－ｔｉｏｎ”選項中選擇“設置”，輸入 ｅｎｄ ｔｉｍｅ５．０，Ｓｔｅｐ１００ 進行仿真分析驗證，得到剛柔耦合進給系統模型。
３）在模擬仿真時，需考慮實際環境中的阻力對進給系統的影響。一是在模型中添加絲杠預緊力，結合本文絲杠的型號：Ｗ５０１２Ｚ－５７６ＰＳＳＴ－Ｃ３Ｚ２０，經查表計算得預緊力為２２５Ｎ；二是對模型中摩擦力的處理，摩擦力是影響加工中心的一個重要因素，低速進給時易使橫梁產生跟隨誤差，為了分析加工狀態，在模型中需添加一個與預緊力大小一致的摩擦力，即２２５Ｎ；三是對切削力的處理，在高速進給時，切削力的不斷變化對加工穩定性有重要
影響。
其切削力為：
３、立式及臥式機床絲杠的運動特性仿真分析
３．１ 切削力的添加按照以上步驟，把絲杠和工作臺的模態中性文件導入 ＡＤＡＭＳ
中代替剛性體文件，生成高精密機床進給系統的剛柔耦合模型。在機床進給系統模型中，主要考慮工作臺上的零件在切削力作用下所導致的進給系統的振動，立式機床和臥式機床進給系統主要是因為切削力的方向不同，所以在臥式工作臺上添加ｙ方向上的切削力，力的大小為２２２．６３Ｎ，相位為０°，方向沿ｙ 方向；在立式工作臺上添加ｚ方向的切削力，力的大小為５３６．３９Ｎ，相位為０°，方向沿ｚ方向［１０］。
３．２ 仿真分析
首先對臥式機床進行仿真分析，單擊（仿真）Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ命令，輸入ｅｎｄ ｔｉｍｅ５．０，Ｓｔｅｐ１００進行運動仿真，然后依次單擊（結果、后處理）Ｒｕｓｕｌｔｓ
和 Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，進入后處理模塊，在“Ｆｉｌｔｅｒ”中選擇 ｂｏｄｙ，在
“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ”中選擇“Ｐｏｓｉｔｉｏｎ”，在“Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ”中選擇ｚ，得到臥式機床絲杠在柔性體絲杠上沿ｚ方向的位置變；同理，對立式機床做同樣的操作，得到臥式機床和立式機床絲杠在ｚ方向的位置變化。臥式和立式機床絲桿沿ｚ 方向位置
變化如圖４所示。
圖４ 臥式和立式機床絲杠沿ｚ方向位置變化
由圖４可已看出，在ｚ方向，臥式機床和立式機床工作臺位移變化趨勢大致相同，臥式機床絲杠的位移變化最大值為０．２ｍｍ，立式機床絲杠的位移變化最大值為０．２３ｍｍ，在機床的工作過程中，立式機床工作臺的位移變化要比臥式機床工作臺的位移變化劇烈。對臥式機床進行分析，在“Ｆｉｌｔｅｒ”中選擇 ｂｏｄｙ，在“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ”中選擇“Ｐｏｓｉｔｉｏｎ”，在“Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ”中選擇ｘ，得到臥式機床進給系統絲杠在柔性絲杠的位置變化；同理，對立式機床進給系統進行同樣操作，得到臥式和立式機床絲杠在ｘ 方向的位置變化。臥式和立式機床絲杠沿ｘ 方向位置變化如圖５所示。
圖５ 臥式和立式機床絲杠沿ｘ方向位置變化
由圖５可以看出，在ｘ 方向上，臥式機床和立式機床工作臺位移變化趨勢差異性比較強，臥式機床絲杠的位移變化最大值為０．０９ｍｍ，立式機床工作臺的位移變化最大值為０．１１２ ５ｍｍ，在機床工作過程中，立式機床絲杠的位移變化要比臥式機床絲杠的位移變化劇烈。
對臥式機床進行分析，在 “Ｆｉｌｔｅｒ”中 選 擇 ｂｏｄｙ，在“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ”中 選 擇 “Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ”，在 “Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ”中選擇ｚ，得到臥式機床進給系統絲杠在柔性絲杠的加速度變化；同理，對立式機床進給系統進行同樣的操作，得到臥式和立式機床絲杠沿ｚ方向的加速度變化如圖６所示。由圖６可以看出，在ｚ 軸方向上，臥式和立式機床工作臺位移變化趨勢相似，臥式機床絲杠加速度變化最大值為７０００ｍｍ／ｓ２，立式機床工作臺加速度變化最大 值 ５ ０００ｍｍ／ｓ２，在機床工作過程中，立式機床絲杠的位移變化比臥式機床絲杠的加速度變化劇烈。
圖６ 臥式和立式機床絲杠沿ｚ方向加速度變化
４ 、結束語
本文主要對高精密立式和臥式機床進給系統絲杠的振動特性進行研究。研究結果表明，無論是在ｚ 方向還是在ｘ 方向上，立式和臥式機床絲杠的位移變化較小，說明本文所建立的進給系統模型的精密性較高；針對高精密機床進給系統中絲杠的運動特性，采用 ＡＤＡＭＳ和 ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ軟件，建立了臥式和立式機床進給系統剛柔耦合模型；在本文所添加的材料屬性和切削力的條件下，立式機床工作臺運動特性要比臥式機床劇烈，所以臥式機床的精度要高，在相同條件下應該選擇臥式機床加工零件；無論是臥式機床還是立式機床，工作臺在ｚ 軸方向的位移變化比在ｘ 方向的位移變化劇烈，為ｚ方向的后期優化提供了理論基礎。該研究為柔性體振動的仿真運動提供了更加真實可靠的依據。
來源：青島大學 機電工程學院 動力集成及儲能系統工程技術中心
作者： 宣賀，華青松，張洪信，程聯軍，趙清海，張震，張昊
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