陳 琪，卜 剛

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化

陳 琪，卜 剛

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

為滿足橫梁系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)要求，需提高其動(dòng)態(tài)性能。分別采用有限元分析和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析與研究，根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果提出優(yōu)化方案，并驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性，從而達(dá)到提高橫梁系統(tǒng)剛性和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)性能的目的。

橫梁系統(tǒng)；位移；加速度；優(yōu)化

橫梁是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床送料系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)性能好壞直接影響板材加工精度[1]，因此，研究橫梁動(dòng)力學(xué)性能具有非常重要的意義。動(dòng)力學(xué)分析主要有兩種方法：一種是動(dòng)態(tài)測(cè)試，主要測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)位移、動(dòng)力加速度、固有頻率等；另一種是利用動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行理論分析[2]。本研究采用動(dòng)態(tài)測(cè)試與動(dòng)力學(xué)模型分析相結(jié)合的方法對(duì)橫梁系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，利用分析數(shù)據(jù)找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果。

1 橫梁結(jié)構(gòu)

1.1 橫梁模型

橫梁主要由電機(jī)、絲桿、導(dǎo)軌、夾鉗、橫梁方管以及加強(qiáng)筋組成，其中橫梁方管是橫梁的支撐部件，厚10 mm；加強(qiáng)筋用于增加橫梁的剛度，豎直方向加強(qiáng)筋Z1厚8 mm，水平方向加強(qiáng)筋X1厚10 mm。橫梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橫梁結(jié)構(gòu)圖

1.2 橫梁有限元模型

對(duì)橫梁進(jìn)行有限元分析，需先建立有限元模型。①為減少計(jì)算量和防止計(jì)算不收斂，對(duì)橫梁模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如去倒角、小孔[3]；②設(shè)定橫梁材料，橫梁由3種材料組成：Q235A、Q235B及45鋼；③劃分橫梁網(wǎng)格，橫梁主體采用四面體和六面體實(shí)體單元，絲桿采用橫梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐志W(wǎng)格[4]；④設(shè)定橫梁各部件約束，橫梁主體采用Tie約束，導(dǎo)軌和絲桿采用Connector約束[5]，如圖2所示。

圖2 橫梁網(wǎng)格劃分模型

2 優(yōu)化前橫梁動(dòng)態(tài)性能及優(yōu)化方案

2.1 動(dòng)力學(xué)模型分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，其分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)分析具有特定的固有頻率、阻尼比和振型[6]。

本研究采用有限元分析方法對(duì)橫梁系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，通過有限元分析，得到橫梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)[7]。模態(tài)低階頻率對(duì)橫梁系統(tǒng)影響較大[8]，因此，經(jīng)模擬分析選取橫梁系統(tǒng)前六階固有頻率和振型，如表1和圖3所示。

表1 橫梁系統(tǒng)固有頻率和振型

圖3 優(yōu)化前橫梁系統(tǒng)振型圖

2.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試分析

動(dòng)態(tài)測(cè)試主要研究橫梁系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)載荷激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)位移和加速度。測(cè)試電測(cè)法在橫梁上布置測(cè)點(diǎn)，并獲得測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移和加速度。不同工況下橫梁系統(tǒng)所獲得的動(dòng)態(tài)位移和加速度各不相同，本研究選取橫梁夾持板材位于中間和空載兩種工況，橫梁以100%(即60 m/min)速度，做1 mm，10 mm，25 mm和600 mm往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。測(cè)試所得優(yōu)化前橫梁動(dòng)態(tài)位移如表2所示，優(yōu)化前橫梁加速度如表3所示。

表2 優(yōu)化前橫梁動(dòng)態(tài)位移

表3 優(yōu)化前橫梁加速度

由測(cè)試結(jié)果可知：①在相同工況下，橫梁夾持板材比空載時(shí)動(dòng)態(tài)位移要大，如橫梁做10 mm運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)位移如圖4所示；同一測(cè)點(diǎn)，橫梁做25 mm反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)位移最大；②在相同速度下，橫梁夾持板材和空載時(shí)加速度基本相同。

圖4 橫梁做10 mm運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)位移

2.3 優(yōu)化方案

經(jīng)上述動(dòng)力學(xué)分析可知，橫梁系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能基本能滿足現(xiàn)階段加工需求，但是當(dāng)橫梁高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高頻振動(dòng)，而高速運(yùn)動(dòng)又是沖床今后發(fā)展的趨勢(shì)，因此需優(yōu)化橫梁系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能。主要從提高橫梁剛性、提高加速度兩個(gè)方面優(yōu)化橫梁動(dòng)力學(xué)性能。

橫梁筋板用于提高橫梁主體方管的剛度，故增加筋板尺寸可達(dá)到提高剛度、減小動(dòng)態(tài)位移的目的。將縱向筋板厚度X1增加為12 mm，橫向筋板厚度X2增加為12 mm。

對(duì)橫梁主體方管進(jìn)行輕量化處理，可以減小慣性力，以提高橫梁系統(tǒng)的加速度響應(yīng)。為不影響橫梁整體作用，僅對(duì)橫梁主體方管兩側(cè)板材進(jìn)行處理，將其厚度變?yōu)?6 mm，優(yōu)化后橫梁由原來(lái)的588.57 kg減至553.61 kg。

3 優(yōu)化后橫梁動(dòng)態(tài)性能

3.1 動(dòng)力學(xué)模型分析

橫梁系統(tǒng)優(yōu)化后固有頻率如表4和圖5所示。

表4 優(yōu)化后固有頻率和振型

圖5 優(yōu)化后橫梁系統(tǒng)振型圖

3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試分析

橫梁系統(tǒng)優(yōu)化后動(dòng)態(tài)位移和加速度如表5和表6所示。

表5 優(yōu)化后橫梁動(dòng)態(tài)位移

表6 優(yōu)化后橫梁加速度

4 結(jié)論

對(duì)比改進(jìn)前后動(dòng)力學(xué)模型分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)可知：

1) 優(yōu)化后橫梁系統(tǒng)除二階、三階外，其他固有頻率都有所下降，達(dá)到了輕量化的目的。

2) 在相同工況下，橫梁系統(tǒng)改進(jìn)后動(dòng)態(tài)位移明顯減小，說(shuō)明改進(jìn)后橫梁系統(tǒng)剛性得以提高。3) 在相同工況下，橫梁系統(tǒng)改進(jìn)后加速度變大，響應(yīng)速度變快。

[1] 龔立新，胡金龍，吳長(zhǎng)明，等.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床動(dòng)態(tài)特性研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014(1)：20-22.

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(責(zé)任編輯：李 華)

Dynamic Optimization of the Beam of CNC Turret Punch Press

CHEN Qi，BU Gang
(School of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

To meet the requirement of high speed movement of the beam system， its dynamic performance needs improving. This paper adopts finite element analysis and dynamic experiment to carry out dynamic researches into CNC turret punch press beam system. According to the results of dynamic analysis， an optimized approach is proposed and its feasibility is verifed， which can improve the rigid beam system and the dynamic response.

beam system；displacement；acceleration；optimization

TH164

A

1008-5475(2017)02-0032-05

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.02.006

2017-02-11；

2017-02-28

陳 琪(1987-)，女，江蘇南通人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)研究。

陳琪，卜剛.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，28(2)：32-36.