ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺(tái)部分的動(dòng)力學(xué)仿真與分析
2019-3-5 來(lái)源：安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù) 南京林業(yè)大學(xué) 作者：劉順 張冬冬 韓雪
摘要：以六鉆頭龍門式 ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺(tái)部分為研究對(duì)象，應(yīng)用 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件建立其三維模型，通過(guò) ＡＤＡＭＳ軟件建立工作臺(tái)部分的剛?cè)峄旌夏Ｐ筒⑦M(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)了工作臺(tái)支撐板對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響較大．因此，要提高工作臺(tái)部分運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的定位精度，有效的方法是對(duì)支撐板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，利用 ＡＮＳＹＳ軟件的拓?fù)鋬?yōu)化模塊，在保證剛度的基礎(chǔ)上，盡可能減少其質(zhì)量，改進(jìn)原有的支撐板結(jié)構(gòu)，提高工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性．
關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)特性；動(dòng)力學(xué)；拓?fù)鋬?yōu)化
０ 引言
ＰＣＢ（ｐｒｉｎｔｅｄ?。悖椋颍悖酰椋簟。猓铮幔颍洌?shù)控鉆床是加Ｂ板的專用設(shè)備，鉆孔是印制電路板加工非常重要的一道工序，在印制電路板加工領(lǐng)域占有重要的地位，而鉆孔的效率和精度是檢驗(yàn) ＰＣＢ 數(shù)控鉆床鉆孔性能優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)．ＰＣＢ數(shù)控鉆床分 Ｘ、Ｙ 和Ｚ 三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，Ｚ方向是鉆孔的下鉆運(yùn)動(dòng)，而 Ｘ、Ｙ 向?qū)崿F(xiàn)定位運(yùn)動(dòng)．在鉆孔過(guò)程中電機(jī)的頻繁啟動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)和停止的高加速度，對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向上的定位精度提出高要求。工作臺(tái)部分零件的裝配精度和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)特性對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向上的精度有重要的影響．
１、ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺(tái)部分的結(jié)構(gòu)組成
本文以典型的六鉆頭龍門式 ＰＣＢ 數(shù)控鉆床為例，研究工作臺(tái)部分進(jìn)給系統(tǒng)，以典型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠作為驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件建立三維幾何模型，結(jié)構(gòu)組成如圖１所示．
工作臺(tái)部分主要包括傳動(dòng)部分，導(dǎo)向部分和夾緊系統(tǒng)三大部分．傳動(dòng)部分由聯(lián)軸器、滾珠絲杠和絲杠螺母組成的絲杠副、工作臺(tái)支撐板組成，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)支撐板將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給工作臺(tái)．導(dǎo)向部分由高精度的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑塊組成，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)部分的支撐和精密導(dǎo)向．而夾緊系統(tǒng)由氣動(dòng)裝置、夾緊氣缸和氣缸座組成，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)上 ＰＣＢ板的固定和夾緊．另外，在工作臺(tái)前端邊緣，還安裝有刀具檢測(cè)裝置和機(jī)械手換刀裝置．
圖１ 六鉆頭 ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺(tái)部分裝配圖
２ 、ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺(tái)部分虛擬樣機(jī)模型建立與分析
在工作臺(tái)部分三大組成系統(tǒng)中，夾緊氣缸主要實(shí)現(xiàn)工作臺(tái) ＰＣＢ板的夾緊，在工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性影響較小，分析時(shí)可以忽略，而進(jìn)給系統(tǒng)是工作臺(tái)部分傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力，其受力變形和振動(dòng)對(duì)工作臺(tái)定位精度有重要影響．在進(jìn)給系統(tǒng)中聯(lián)軸器和滾珠絲杠對(duì)工作臺(tái)部分系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響不大，視為剛體．滾動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)在工作臺(tái)沿Ｙ方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中起到導(dǎo)向與支撐作用，由于安裝穩(wěn)固，本身結(jié)構(gòu)變形小，對(duì)整個(gè)工作臺(tái)部分系統(tǒng)的影響不大，視為剛體．對(duì)于目前六鉆頭的數(shù)控鉆床為減小工作過(guò)程中的振動(dòng)，工作臺(tái)普遍采用花崗石材料，所以其振動(dòng)、結(jié)構(gòu)變形小，也視為剛體．
２．１?。粒模粒停?/font>
軟件系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析ＡＤＡＭＳ軟件 廣 泛 用 于 機(jī) 械 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 力 學(xué) 分析，可以建立包括剛體和柔性體的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)軟件分析可以避免復(fù)雜的理論動(dòng)力學(xué)模型，直觀的了解機(jī)械系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)部件的運(yùn)動(dòng)與受力情況．ＡＤＡＭＳ軟件 動(dòng)力學(xué)分析是運(yùn)用其 內(nèi) 部 的 Ｓｏｌｖｅｒ求解器完成，求解器的理論基礎(chǔ)是運(yùn)用 Ｅｕｌｅｒ－Ｌａ－ｇｒａｎｇｅ 方法得到動(dòng)力學(xué)方程，再運(yùn) 用 Ｎｅｗ －Ｒａｐｈｓｏｎ方法求解．對(duì)于簡(jiǎn)單的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，忽略了機(jī)械系統(tǒng)各構(gòu)件的受力變形．簡(jiǎn)單的受力變形較小的機(jī)械零部件，仿真結(jié)果與實(shí)際誤差較小，但受力復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)中，重要零部件的彈性振動(dòng)和變形不可忽略，不能將其看為簡(jiǎn)單的剛體，而將其視為柔性體，建立剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型．于剛體運(yùn)動(dòng)的位移和柔性體內(nèi)部的彈性位移相互耦合，所以剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型的分析也比較復(fù)雜．
２．２ 工作臺(tái)部分剛?cè)峄旌夏Ｐ偷慕?/font>
ＡＤＡＭＳ軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真建立柔性體的三種方法，前兩種是利用 ＡＤＡＭＳ軟件建立柔性 體適用于幾何形狀規(guī)則簡(jiǎn)單的柔性體，對(duì)于幾何形狀復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)零件，建立柔性體比較困難，所以應(yīng)用 ＡＮＳＹＳ軟件對(duì)三維零件的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型
，導(dǎo)入到 ＡＤＡＭＳ 軟件中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析．
（１）簡(jiǎn)化模型
根據(jù)工作臺(tái)部分運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況以及各個(gè)部件之間的裝配關(guān)系和作用，不考慮機(jī)械手換刀裝置、刀具檢測(cè)裝置、以及氣動(dòng)夾緊裝置等零部件對(duì)運(yùn)動(dòng) 動(dòng)力分析的影響，簡(jiǎn)化三維模型．
（２）將工作臺(tái)支撐板、絲杠螺母座等零件的三維
幾何模型依次導(dǎo)入到 ＡＮＳＹＳ軟件中，選擇合適的單元類型 ｍａｓｓ２１和ｓｏｌｉｄ９２，確定常實(shí)數(shù)，添加材料屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立支撐板、絲杠螺母座等零件的 ＡＮＳＹＳ有限元模型，如圖２所示
．
圖２ 支撐板和絲杠螺母座有限元模型
（３）建立 ＡＮＳＹＳ有限元模型的外連接點(diǎn)和剛性區(qū)域，并生成
ＡＤＡＭＳ軟件能夠識(shí)別的中性模態(tài)（ＭＮＦ）文件．
（４）將ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件建立的簡(jiǎn)化虛擬裝配模型導(dǎo)入到 ＡＤＡＭＳ軟件，添加材料屬性，添加構(gòu)件之間的約束，在工作臺(tái)上施加載荷，建立工作臺(tái)部分多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型．構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副約束之間關(guān)系如表１所示．
（５）將支撐板、絲 杠螺母座 等幾何模型 生成的ＭＮＦ文件導(dǎo)入到 ＡＤＡＭＳ軟件中，通過(guò)外連接點(diǎn)和剛性區(qū)域銜接，代替工作臺(tái)部分多剛體動(dòng)力學(xué)模型中的支撐板、絲杠螺母座等重要零件模型，完成工作臺(tái)部分剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型的建立．
表１ 構(gòu)件之間的約束關(guān)系
（６）建立好剛?cè)峄旌夏Ｐ秃螅O(shè)置仿真終止時(shí)間為１ｓ，仿真步數(shù)為１０００步．理想情況下工作臺(tái)部分系統(tǒng)的輸入為:
按照上述建模方式，分別建立以支撐板和絲杠螺母座為柔性體的剛?cè)峄旌夏Ｐ停瑘?zhí)行仿真，并選擇工作臺(tái)上坐標(biāo)點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)，得到分別以支撐板和絲杠螺母座為柔性體的加速度運(yùn)動(dòng)曲線，如圖４所示．
通過(guò)圖４的仿真結(jié)果可以看出，高速高精度的工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)中，支撐板和螺母座的彈性變形會(huì)影響工作臺(tái)部分的瞬態(tài)定位誤差，從而影響工作臺(tái)的定位精度．但絲杠螺母座的彈性變形對(duì)工作臺(tái)部分的定位誤差影響并不明顯，而以支撐板為柔性體的加速度曲線對(duì)工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性影響較大．
工作臺(tái)支撐板是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，所以要提高工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性，需要針對(duì)支撐板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證剛性的基礎(chǔ)上，合理減少支撐板材料，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提高工作臺(tái)部分系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性．
３ 、工作臺(tái)支撐板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)
ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺(tái)支撐 板 是工作臺(tái)部分進(jìn)給系統(tǒng)中非常重要的零件．起到連接絲杠螺母座和鉆床工作臺(tái)，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的作用．在工作臺(tái)頻繁高速的啟動(dòng)與停止過(guò)程中，產(chǎn)生較大慣性力，工作臺(tái)支撐板受力變形，導(dǎo)致鉆孔過(guò)程中的定位誤差．拓?fù)鋬?yōu)化是尋求最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用 ＡＮＳＹＳ軟件的拓?fù)鋬?yōu)化功能，以支撐板的柔順度為目標(biāo)函數(shù)，體積為約束函數(shù)，尋求最優(yōu)的材料分布，通過(guò)減少支撐板結(jié)構(gòu)的材料，使工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的慣性力減小，提高工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)剛度．
３．１ 支撐板結(jié)構(gòu)平面拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程
根據(jù)支撐板在進(jìn)給系統(tǒng)中和工作臺(tái)、絲杠螺母座的裝配關(guān)系和受力情況，在支撐板連接點(diǎn)處添加固定約束和載荷力．根據(jù)支撐板的材料，確定彈性模量為１．２２×１０５?。停校?、泊 松 比 為 ０．２５ 和 材 料 密 度７８００ｋｇ／ｍ３，選擇迭代次數(shù)為１２次，材料減少的優(yōu)化目標(biāo)，執(zhí)行優(yōu)化．查看減少 ５０％和 ７０％ 材料時(shí)的節(jié)點(diǎn)偽密度分布，優(yōu)化結(jié)果如圖５所示．
３．２ 優(yōu)化結(jié)果分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)
利用 ＡＮＳＹＳ軟件的后處理模塊功能，分別查看減少５０％和７０％材料時(shí)的目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化迭代曲線，如圖６所示．
通過(guò)圖６可以看出，減少５０％材料時(shí)的最小柔度為１６９．４７１ｍ／Ｎ，而減少７０％
材料時(shí)的最小柔順度為３２１．０９９ｍ／Ｎ，所以減少５０％材料時(shí)的柔順度最小，材料的結(jié)構(gòu)剛度最大．通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化給支撐板的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了參考，根據(jù)支撐板結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)偽密度分布情況，合理減少材料結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)剛度．
改進(jìn)后的支撐板結(jié)構(gòu)如圖７所示
４ 、結(jié)論
通過(guò) ＡＤＡＭＳ軟件的動(dòng)力學(xué)仿真分析，工作臺(tái)支撐板的彈性變形對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生瞬態(tài)的定位誤差，其剛性對(duì)工作臺(tái)的加速度影響較大，而其他零部件的彈性變形對(duì)工作臺(tái)的加速度影響較小，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化改進(jìn)原有支撐板結(jié)構(gòu)．結(jié)果表明，改進(jìn)后的支撐板結(jié)構(gòu)對(duì)工作臺(tái)部分的動(dòng)態(tài)特性有了一定的改善．在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中提高了該型號(hào)的數(shù)控鉆床工作臺(tái)的定位精度。
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