盧強(qiáng)，陸會(huì)鑒，李軍強(qiáng)

(紐威數(shù)控裝備(蘇州)股份有限公司，江蘇蘇州 215153)

0 前言

裝備制造業(yè)作為基礎(chǔ)制造業(yè)的重要組成部分，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合實(shí)力的提高提供了強(qiáng)有力的保障。有“工業(yè)母機(jī)”之稱的數(shù)控機(jī)床，在裝備制造業(yè)領(lǐng)域有著無(wú)法比擬的地位，在船舶、汽車、航天航空及發(fā)電設(shè)備等制造生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。

數(shù)控機(jī)床的加工性能與機(jī)床整體的動(dòng)態(tài)性能直接相關(guān)，因此對(duì)數(shù)控機(jī)床整體系統(tǒng)進(jìn)行多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真是數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)工作的重要內(nèi)容。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性開(kāi)展了研究。ZATARAIN等[2]利用有限元分析軟件對(duì)機(jī)床部件進(jìn)行仿真建模，分析同一種部件在不同位置、不同結(jié)構(gòu)下的動(dòng)力學(xué)特性。LAW等[3]基于傳統(tǒng)有限元建模方法，利用改進(jìn)降階模型子結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，獲得機(jī)床不同加工位置的動(dòng)力學(xué)特性。劉海濤、趙萬(wàn)華[4]根據(jù)機(jī)床整體質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣隨機(jī)床刀具位置姿態(tài)的改變而改變，建立了三軸機(jī)床的模型，仿真分析了刀具在不同位置時(shí)的整機(jī)固有頻率。

目前，國(guó)內(nèi)的研究主要是在機(jī)床單個(gè)零部件的動(dòng)力學(xué)分析或靜力學(xué)分析方面。但是對(duì)于機(jī)床整體系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件接觸面剛度和阻尼等參數(shù)難以確定[5]。針對(duì)靜力學(xué)分析難以考慮慣性力的問(wèn)題，本文作者通過(guò)調(diào)整接觸單元?jiǎng)偠群妥枘岬姆椒ㄟM(jìn)行整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析，研究機(jī)床主軸、導(dǎo)軌面等關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)量、變形量[6]。

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)及說(shuō)明

HE63機(jī)床是正T形臥式加工中心，整機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、加工精度高等特點(diǎn)，是一種高端臥式加工中心[7-9]。為了深入地研究該機(jī)型的特性，進(jìn)一步提高該機(jī)型的性能，對(duì)它進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。HE63機(jī)型的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 HE63機(jī)型結(jié)構(gòu)示意Fig.1 HE63 structure

2 分析前處理

2.1 模型簡(jiǎn)化處理

在不影響整體剛度分析的前提下，去掉配體中的螺釘、螺母、銷釘、墊圈、墊片等很小的零件，同時(shí)去掉零件中的小孔、倒角、圓角、凸臺(tái)等細(xì)小的特征[10]。忽略機(jī)床防護(hù)罩及附件(冷卻、液壓)對(duì)機(jī)床剛度及振動(dòng)的影響。

2.2 材料設(shè)置

零件的剛度與材料的彈性模量直接相關(guān)，為了提高分析精度，必須獲得導(dǎo)軌、滑塊、墊鐵等部件準(zhǔn)確的彈性模量[11]，使其剛度與實(shí)際接近[12]。主要部件的材料屬性如表1所示。

表1 主要零件的材料屬性Tab.1 Material attribute of main parts

3 動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)力學(xué)(Dynamics)是運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)的統(tǒng)稱，它主要研究機(jī)構(gòu)上作用的所有力，包括平衡的或非平衡的力、組件的質(zhì)心、加速度的慣性力。根據(jù)是否考慮零部件變形情況又分為剛體動(dòng)力學(xué)和柔性體動(dòng)力學(xué)[13-14]。典型的動(dòng)力學(xué)分析流程如圖2所示。

圖2 動(dòng)力學(xué)分析流程Fig.2 Flow of dynamic analysis

3.1 機(jī)床剛體動(dòng)力學(xué)分析

機(jī)床剛體動(dòng)力學(xué)主要是研究機(jī)床各個(gè)進(jìn)給軸的加減速運(yùn)動(dòng)，包括啟動(dòng)、加速、勻速、減速等運(yùn)動(dòng)，即加減速運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件的位移、速度、加速度及關(guān)心部件的受力、力矩等隨著時(shí)間歷程的變化情況。

在Rigit Dynamic模塊中，時(shí)間步設(shè)置Δtintial=1/(20fresponse)，其中Δtintial為初始時(shí)間步長(zhǎng)，考察機(jī)床不同的模態(tài)振型，最后確定哪些模態(tài)對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有貢獻(xiàn)，進(jìn)而確定所關(guān)心的最高階模態(tài)頻率fresponse，即fresponse為所關(guān)心機(jī)床結(jié)構(gòu)振型的頻率。

X軸運(yùn)動(dòng)工況下，按照最大加速度分析，即0.2 s內(nèi)立柱部件速度達(dá)到最大36 m/min，再勻速，最后減速，0.2 s內(nèi)速度由最大減小到零。立柱部件的位移曲線如圖3所示，移動(dòng)的位移為996.74 mm。

圖3 立柱部件的位移曲線Fig.3 Displacement curve of column

立柱部件的最大速度為599.93 mm/s，接近該機(jī)床最高快移速度36 m/min。

3.2 機(jī)床柔體動(dòng)力學(xué)分析

機(jī)床柔體動(dòng)力學(xué)分析能夠確定機(jī)床整體系統(tǒng)在任何類型載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，與剛體動(dòng)力學(xué)不同的是，物體可以是柔性的，柔性體可以是線性或非線性材料，能夠獲得零件的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果。在動(dòng)力學(xué)中引入時(shí)間的概念，位移、速度、加速度都是時(shí)間的函數(shù)[15]，研究機(jī)床關(guān)鍵部件在動(dòng)態(tài)載荷作用下的振動(dòng)量、變形量。

3.2.1 考慮切削力時(shí)柔體動(dòng)力學(xué)分析

以臥式加工中心典型加工工況進(jìn)行分析，機(jī)床的進(jìn)給軸先加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度達(dá)到3 m/min時(shí)開(kāi)始切削，施加切削力，各個(gè)進(jìn)給軸保持加速度為1 000 mm/s2進(jìn)行加速切削加工[16]。

整個(gè)加工過(guò)程中，立柱Y向(前后方向)變形曲線如圖4所示，最大變形量為0.052 6 mm。

圖4 立柱前后方向(Y向)變形曲線Fig.4 Deformation curves of column in front and back direction (Y direction)

3.2.2 靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果對(duì)比

在各個(gè)部件的位置相同、切削力大小方向相同的條件下，分別對(duì)整機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)比靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀況下各個(gè)部件的變形量，如圖5所示。

圖5 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)各個(gè)部件變形量對(duì)比Fig.5 Comparison of static and dynamic deformations of each component

由圖5可以看出：動(dòng)力學(xué)分析的變形量明顯大于靜力學(xué)分析，動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果是整個(gè)過(guò)程中最大的變形量，一般是機(jī)床加減速時(shí)的數(shù)值。當(dāng)機(jī)床加減速運(yùn)動(dòng)加工時(shí)，該變形量對(duì)機(jī)床性能影響很大。

4 動(dòng)力學(xué)分析的一些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析可以分析運(yùn)動(dòng)部件在行程范圍內(nèi)的變形量，各個(gè)導(dǎo)軌面法向變形量、導(dǎo)軌面偏差量等[17]。

4.1 導(dǎo)軌面法向變形分析

首先設(shè)定測(cè)量參考點(diǎn)如圖6所示，測(cè)量點(diǎn)1為立柱導(dǎo)軌面前后方向彎曲變形，測(cè)量點(diǎn)2為床身后導(dǎo)軌面法向變形。

圖6 測(cè)量參考點(diǎn)設(shè)定示意Fig.6 Measurement reference point

主軸箱部件全行程內(nèi)，測(cè)量點(diǎn)1在法向的變形可以反映出隨著主軸箱運(yùn)動(dòng)立柱的彎曲變形情況，如圖7所示。

圖7 主軸箱在不同位置時(shí)立柱的彎曲線Fig.7 Bend curves of column when headstock is in different position

由圖7可以看出：除了開(kāi)始波動(dòng)之外，立柱的彎曲量(前后方向變形)逐漸減小，說(shuō)明立柱的彎曲量隨著主軸箱向下運(yùn)動(dòng)逐漸減小。由圖7和文獻(xiàn)[18]中的數(shù)據(jù)可知：主軸箱在最高點(diǎn)時(shí)立柱彎曲量為0.017 8 mm，當(dāng)主軸箱移動(dòng)到最下方時(shí)立柱彎曲量為0.005 9 mm。

立柱部件全行程內(nèi)，測(cè)量點(diǎn)2在法向的變形可以反映出隨著立柱的移動(dòng)床身導(dǎo)軌面的變形情況，如圖8所示。

圖8 床身后導(dǎo)軌面法向變形Fig.8 Normal direction deformation of guideway surface behind the bed

4.2 導(dǎo)軌面法向偏差分析

在機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，2條導(dǎo)軌面法向變形較大時(shí)嚴(yán)重影響機(jī)床的精度，如圖9所示。由于圖中點(diǎn)1、2高度不一致造成一定的傾角[19]，立柱將向前端傾斜。分析立柱運(yùn)動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)2與點(diǎn)1的法向偏差量，全行程內(nèi)床身后導(dǎo)軌面法向變形偏差對(duì)比如圖10所示。

圖9 測(cè)量點(diǎn)變形示意Fig.9 Deformation of measuring point

圖10 床身后導(dǎo)軌面法向偏差Fig.10 Normal direction deviation of guideway surface behind the bed

從圖10中可以看出：床身后導(dǎo)軌面1要比2變形量大，即導(dǎo)軌面2比導(dǎo)軌面1高，從曲線圖及數(shù)據(jù)整理可得偏差為0.004 8 mm。

4.3 柔性體的主軸動(dòng)平衡分析

分析主軸存在不平衡量時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)對(duì)立柱、主軸箱振動(dòng)的影響，分別比較主軸箱在上下方向和左右方向的振動(dòng)量。

按照最大扭矩驅(qū)動(dòng)主軸，隨著時(shí)間增加主軸加速旋轉(zhuǎn)，直至達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。存在不平衡量時(shí)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主軸箱端面左右方向最大振動(dòng)量如圖11所示。

圖11 主軸箱端面左右方向變形Fig.11 Deformation in the left and right directions of headstock end surface

主軸箱在左右方向和上下方向振動(dòng)量對(duì)比曲線如圖12所示，最大振動(dòng)量達(dá)到0.02 mm。

圖12 主軸箱在不同方向的振動(dòng)量Fig.12 The vibration of the headstock in different directions

從圖12可以看出：當(dāng)主軸存在不平衡量時(shí)，主軸箱在上下方向的振動(dòng)量大于左右方向，說(shuō)明立柱和主軸箱構(gòu)成的部件在上下方向的剛度小于左右方向。因?yàn)橹鬏S箱上下方向的剛度主要取決于絲桿的軸向剛度，而絲桿的剛度遠(yuǎn)小于立柱左右方向的剛度。

綜上可知：機(jī)床在啟動(dòng)、加減速時(shí)變形和振動(dòng)較大，原因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)部件從靜止到運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。零部件的振動(dòng)直接影響機(jī)床的加工精度，因此機(jī)床研發(fā)過(guò)程一定要嚴(yán)格控制振動(dòng)量。

5 總結(jié)

文中基于ANSYS Workbench軟件對(duì)HM63整機(jī)進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)仿真分析，分析典型工況下關(guān)鍵零部件的變形和振動(dòng)。機(jī)床在啟動(dòng)、加減速時(shí)變形和振動(dòng)較大，主軸存在不平衡量時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)對(duì)立柱、主軸箱的振動(dòng)影響較大。機(jī)床零部件的振動(dòng)直接影響到機(jī)床的加工精度，因此機(jī)床研發(fā)過(guò)程一定要嚴(yán)格控制機(jī)床的振動(dòng)量。

通過(guò)柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)技術(shù)，研究整機(jī)動(dòng)力學(xué)性能的影響因素，為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了有效的手段。