基于 ADAMS 的數控機床進給系統動力學仿真
2017-6-23 來源：沈陽化工大學機械工程學院 作者：趙艷春，李尚帥，李鐵軍，王丹
摘要: 為了分析機床進給系統在零件加工時對其精度影響，利用三維造型軟件 Solid Works 建立數控機床進給系統的動力學模型; 利用 Ansys 分別建立絲杠和工作臺的有限元模型，將模型導入 Adams，對數控機床進給系統進行振動仿真。結果表明: 固定轉速下，工作臺在不同位置的振幅不同，改變轉速其規律相近; 在不同轉速下，速度越大，工作臺振幅越大，并呈線性關系。
關鍵詞: 工作臺振動分析; Adams; 數控機床; 進給系統
0.前言
隨著企業效率的提高和自動化程度的提高，人們對高速機床的需求越來越大。國外有些發達國家的先進水平可以使機床的主軸轉速最高可達到 100 000 r/min，但在運用機床高速運轉的同時不得不考慮其高轉速引起的大振動問題，而振動超過一定范圍時就會使機床的穩定性下降，加工精度下降，機床的使用壽命也會減少。所以，研究機床的振動性能對于減小振動，提高機床穩定性是必不可少，也是至關重要的。
數控機床的進給系統是機床的重要組成部分，也是影響數控機床加工精度的重要因素，影響機床進給系統的精度因素有絲杠的導程、工作臺和導軌之間的支撐剛度、絲杠的預拉伸力等等［1 － 2］。
文中主要通過虛擬樣機技術研究進給系統在不同的轉速下對工作臺振動的影響。
1.數控機床進給系統模型的建立
考慮到在 Adams 中建模過程比較繁瑣，采用三維造型軟件 Solid Works 對進給系統進行建模。把裝配體模型文件導入到 Adams 中，構成虛擬樣機的幾何模型，通過給幾何模型中的零部件施加約束、運動、力等，完成數控機床虛擬樣機的建立［3］。由于 Solid Works 軟件建立的模型是剛形體，在仿真中對于大部分零件是符合實際工作情況的，而絲杠和工作臺則與進給系統在實際工作中的情況不符，為了使仿真的結果更真實可靠，接近進給系統的實際工作情況，需要對絲杠和工作臺進行柔性化處理，運用Ansys 軟件對絲杠和工作臺進行網格劃分［4］，處理后導入 Adams 中模型如圖 1 所示。
圖 1 進給系統在 ADAMS 中模型
2.進給系統虛擬樣機仿真
文中研究直徑為 40 mm 的絲杠在不同轉速下對工作臺的振動影響情況。絲杠的轉速從 500 r/min 到4 000 r / min，每加 500 r 仿真一次。并且在絲杠上分別取 10 個等距的點為工作臺仿真初始位置點，研究的目的就是工作臺在不同轉速下某一點的振動情況和同一轉速時不同位置的振動情況比較。仿真系統其他參數［5］設置見表 1。
表 1 系統參數設置
在絲杠上分別取 10 個不同的點作為工作臺振動分析起始點，分別命名為 X1，X2，…，X10。它們的間距分別為 50 mm，X1代表工作臺停在距離絲杠左端的 250 mm 處，而 X2，X3，…，X10是從 X1依次向右取。當工作臺的質心停在 X1時突然給絲杠一個速度，也就是給絲杠一個沖擊，仿真結束得到一組數據后，通過改變轉速值得到在 X1處不同轉速下仿真結果，按此法依次得出十個點的仿真數據，最后通過Adams 的后處理模塊進行分析。
(1) 工作臺同一點在不同轉速下的軸向振幅在 X1及 X5處，不同轉速對工作臺的軸向振動情況如圖 2 及圖 3 所示。
圖 2 X1處最大振幅值變化幅度
圖 3 X5處最大振幅
從圖 2 可以得到在位置 X1處隨著轉速的增加工作臺的振幅隨之增加，大致呈線性規律。從圖 3 可以得到在位置 X5處隨著轉速的增加工作臺的振幅也隨之增加，與在 X1相比，振幅值大小相差不大，且斜率相近。
(2) 同一轉速下工作臺不同位置的軸向振幅各轉速下不同位置的軸向振動情況如圖4—6 所示。
圖 4 轉速為 2 000 r/min 時不同位置的軸向振動
圖 5 轉速為 3 000 r/min 時不同位置的軸向振動
圖 6 轉速為 4 000 r/min 時不同位置的軸向振動
從圖 4—6 可看出，在同一轉速不同位置的下，工作臺振幅大致呈現為 “波浪狀”，隨著位置的變化，其振幅先增大，隨之減小，然后再次增大。
3.結論
通過利用 Solid Works 和 Ansys 軟件完成了數控機床進給系統零部件和裝配體的建模，然后將裝配體導入 Adams 中建立了進給系統虛擬樣機仿真模型，設置約束和參數，完成對數控機床進給系統動力學分析。得出工作臺在絲杠不同轉速激勵下的軸向振動響應曲線，并且得出同一位置不同轉速的最大振幅規律，以及根據同一轉速不同位置最大振幅的變化規律曲線，得出隨著轉速的增加各位置的最大振幅隨之增加呈線性關系; 轉速一定時規律比較明顯，工作臺在開始的時候振幅最大，在絲杠中后部和后端振幅較大。為以后的誤差補償提供一定的依據，同時對工作臺的結構優化設計和絲杠轉速最佳值的選取有一定指導價值。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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