基于ANSYS的立式加工中心動態(tài)分析

趙天義，周俊榮，呂超超，王瑞超，李會軍

(五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020)

1 引 言

T-V1165S立式加工中心具有高速、高效率等優(yōu)點，適用于加工各種精度高、工序多、形狀復(fù)雜的零件，廣泛應(yīng)用于精密零件、5G產(chǎn)品、五金、汽配、醫(yī)療器械等行業(yè)。該機床的設(shè)計難點主要在于需要保證機床對工件的加工精度，而機床的動態(tài)特性會對機床加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。使用有限元分析方法分析機床的動態(tài)特性，研究機床的性能，同時對樣機進行模態(tài)試驗，使用模態(tài)試驗數(shù)據(jù)對有限元分析結(jié)果的可靠性進行驗證[1-3]，進而獲取準(zhǔn)確的機床動態(tài)性能結(jié)果，這對機床的后續(xù)設(shè)計與優(yōu)化具有重要意義。

2 立式加工中心動態(tài)分析

使用ANSYS Workbench進行立式加工中心的動態(tài)分析，設(shè)置零部件的材料屬性。固有頻率是結(jié)構(gòu)的自身屬性，所以忽略各種載荷。對模型的地腳螺栓處施加固定約束，對機床與地面接觸施加無摩擦約束。在現(xiàn)實情況的應(yīng)用中，機械結(jié)構(gòu)的高階固有頻率計算精度偏低，而低階固有頻率更容易被激發(fā)出來產(chǎn)生共振。因此，本文將分析立式加工中心的前6階固有頻率，分析結(jié)果見表1。

表1 T-V1165S立式加工中心的前6階固有頻率與振型描述

3 模態(tài)試驗

3.1 模態(tài)測試

立式加工中心的模態(tài)測試試驗選擇單點激勵、多點響應(yīng)試驗法，激振方式選擇測試周期短、精度較高的單點脈沖激振。模態(tài)試驗設(shè)備連接示意圖如圖1所示。

圖1 模態(tài)試驗設(shè)備連接示意圖

利用ME′scope模態(tài)分析軟件， 按照機床實際結(jié)構(gòu)尺寸建立機床幾何模型，根據(jù)模型采取均勻布點試驗法布置測點與響應(yīng)點[4]。本文對加工中心共布置310個響應(yīng)測點，依據(jù)實際工程應(yīng)用選擇在主軸箱前端位置作為激勵點(圖2中測點309點位置)，進行X向(徑向)激勵。模態(tài)測試模型如圖2所示，試驗現(xiàn)場圖如圖3所示。

圖2 模態(tài)測試模型

(a)力錘脈沖激勵位置與主軸箱傳感器布置位置

為了驗證模態(tài)試驗分析結(jié)果的可靠性，通常使用每一組激勵測試產(chǎn)生的相干函數(shù)進行檢驗。圖4是立式加工中心模態(tài)試驗測點的相干函數(shù)，從不同點的相干函數(shù)曲線上可以看出，相干函數(shù)值基本都接近1，說明模態(tài)試驗每組試驗測試結(jié)果滿足要求。

圖4 測點相干函數(shù)均值曲線

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)模態(tài)分析軟件分析處理之后，即可獲得T-V1165S立式加工中心的頻率響應(yīng)曲線(如圖5所示),T-V1165S立式加工中心的前6階固有頻率如表2所示。

圖5 立式加工中心頻響曲線

表2 T-V1165S立式加工中心前6階固有頻率

3.2 試驗?zāi)B(tài)結(jié)果驗證

在模態(tài)測試試驗中，通常使用模態(tài)置信準(zhǔn)則驗證試驗的準(zhǔn)確度。模態(tài)置信準(zhǔn)則主要用來分析被測系統(tǒng)各個振型之間的相關(guān)性，其為振型向量的點積，簡稱MAC(Modal Assurance Criterion)[5]。MAC矩陣直方圖是由立式加工中心整機的低階試驗?zāi)B(tài)參數(shù)所得，如圖6所示。

圖6 模態(tài)判定準(zhǔn)則MAC

從圖6可以清楚地看出，只有對角線同向量之間的MAC值是1，其它各模態(tài)向量之間的MAC值均不超過0.1，這表明各模態(tài)向量之間是線性獨立的，說明本次試驗得到的模態(tài)參數(shù)結(jié)果誤差較小，試驗精度較高。

將立式加工中心仿真分析的結(jié)果與模態(tài)測試的數(shù)據(jù)進行對比，檢驗仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對比結(jié)果如表3所示。

表3 加工中心試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比

仿真分析與試驗結(jié)果的對比表明，立式加工中心有限元仿真分析與模態(tài)試驗結(jié)果誤差在4.0%～12.7%之間，在工程所允許的范圍內(nèi)，驗證了機床有限元模型的可靠性。

4 諧響應(yīng)分析

機床在工作情況下，由于機床主軸自轉(zhuǎn)，會給予機床自身結(jié)構(gòu)持續(xù)穩(wěn)定的周期載荷，而諧響應(yīng)分析就是分析機床自身結(jié)構(gòu)在周期載荷激勵下的響應(yīng)情況[6,7]。在立式加工中心主軸3個方向上施加大小為2000N、頻率0～250Hz的簡諧力，分析機床的振動響應(yīng)情況，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 T-V1165S立式加工中心幅頻響應(yīng)曲線

從圖7可以看出，在機床前6階固有頻率附近均有振幅，引發(fā)共振。在頻率為50Hz、100Hz時，振動響應(yīng)幅值分別為6.9μm、7.3μm，分別處于整機模態(tài)的前2階固有頻率附近，產(chǎn)生共振時，對加工影響較大。參照整機的模態(tài)分析振型，整機的前2階模態(tài)的主振型為主軸箱，確定機床的關(guān)鍵部件為主軸箱。

5 結(jié) 論

本文對機床進行了模態(tài)分析，獲取了機床的前6階固有頻率及相應(yīng)振型，并根據(jù)試驗結(jié)果驗證了有限元仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時對機床進行了諧響應(yīng)分析，根據(jù)諧響應(yīng)與模態(tài)分析的結(jié)果確定了機床的關(guān)鍵部件為主軸箱，這為后續(xù)機床二次設(shè)計及優(yōu)化提供了重要依據(jù)與方向。