基于结合面的机床动态特性研究.pdf

机械制造与研究 罗卫平， 等 基于结合面的机床动态特性研究 基于结合面的机床动态特性研究 罗卫 平 ， 王瑁 金陵科技学院 机电工程学院。 江苏 南京 2 1 1 1 6 9 摘要 运用三维建模软件 P w ／ E和有限元分析软件 A N S Y S ， 建立了虚拟样机模型。考虑结合 面的影响， 对机床进行了动态分析， 研究结合面对于机械结构动态特性的影响， 实现无物理样 机环境下机床整体动力学性能预测和综合评价的目的。 关键词 机床； 结合面； 动态特性 中图分类号 T H1 1 3 ． 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 1 0 4 - 0 0 4 2 - 0 2 Re s e a r c h o n Dy n a mi c s Ch a r a c t e r i s t i c s o f M a c h i n e T o o l Ba s e d o n J 『o i n t s L U 0 We i ． p i n g ， WANG J u n C o l le g e o f E le c t r i c a l a n d Me c h a n ic a l E n g i n e e r in g ， J i n l i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o lo g y ， N a n j in g 2 1 l 1 6 9， C h i n a Ab s t r a c t A v i r t u a l p r o t o ty p e mo d e l o f ma c h in e t o o l i s c o n s t r u c t e d b y u s i n g t h e P r o ／ E s o f t w a r e a n d t h e AN S YS so f t wa r e ．C o n s i d e r i n g t h e e ff e c t s o f j o i n t s ， t h is p a p e r ma k e s a s t u d y o f d y n a mi c a n a ly s e s o f ma c h i n e t o o l a n d t h e e ff e c t o f j o i n t s o n t h e d y n a mi c c h a r a c t er i s t ic s o f ma ch i n e t o ol t o a t t ain t h e p u r p o s e o f s y n t h e t i c a l ly pr ed ic t in g a n d e v a l u a t ing t h e NC ma c h i n e t o ol d y na mi c p erf o r man c e wit h o u t a p h y s ic al s a mple． Ke y wo r d s ma c h in e t o o l ； j o in t ； d y n a mic c h a r a c t e r is t ic s 0 前言 机床的机械结构中， 除了有床身、 立柱、 滑座、 工作台、 主轴箱和主轴等结构本体之外 ， 还有螺栓联结、 导轨联结、 丝杠联结、 轴承联结等结合面。结合面的刚度常常是机械 结构整体刚度的重要组成部分 ， 有时甚至成为整体刚度的 薄弱环节⋯。许 多研究表 明 机床的静刚度中 3 0 ％ ～ 5 0 ％决定于结合面的刚度特性； 机床上出现的振动问题有 6 0 ％以上源 自结合面 ； 机床的阻尼 9 0 ％以上来源于结 合面 。因此， 在研究和解决机床结合面的动态特性尤 为重要 。 1 结合面、的处理 1 ． 1 固定结合 面的处理 在机床结构中， 固定结合面以螺栓联接结合面最为典 型， 于是， 针对螺栓联接固定结合面提出结合面力学模型， 如图 1 所示。由于结合面具有刚度和阻尼特性 ， 因此 ， 结 合面可以用弹簧和阻尼器元件来模拟。在解析时， 结合点 选取的数 目要根据结合面的状态及具体结构而定。选择 多个结合点时， 实际上是把结合面分割成多个子结合部， 而每个子结合部仍用一个等效结合点来代替。所以一般 用一个结合部为一个等效结合点 弹簧与阻尼器的组合 的情况来进行分析。 对于结合面单元而言， 由于结合部两接触面上微凸体 的质量是可以忽略的， 在建立其动力学模型时， 只考虑结 合部的刚度和阻尼特性， 其振动方程式为 J C F 1 式中 K _结合部刚度矩阵； c 结合部阻尼矩阵； 卜结合部相对位移列阵； 卜结合部力列阵； ∞ 系统的谐振频率。 因此确定结合部特性参数， 就是要求 出矩阵 和 C⋯ 国 l 塑塑 l 图 1 结合面力学模型 1 ． 2导轨 与滑块 结合 面处理 机床导轨滑块结合面可以简化成一个单自由度系统， 在竖直方向和水平方向均简化为一个弹簧． 阻尼系统。根 据模态理论识别出竖直方向和水平方 向的刚度 、 阻尼系 数。设一个单 自由度系统对应的固有频率为， ， 滑块质量 为 肘， 接触面的刚度为 ， 根据机械振动理论有 K 4 M 订 2 对得到的传递函数采取分量分析法求接触面的刚度 和阻尼。在固有频率附近， 频响函数通过 自己的极值， 此 时实部为零， 而虚部幅值最大， 出现极值的那个频率是系 作者简介 罗卫平 1 9 7 3 一 ， 女， 江苏南京人， 讲师， 硕士， 研究方向为虚拟技术和动力学仿真。 4 2 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自 动化 机械制造与研究 罗卫平， 等 基于结合面的机床动态特性研究 统固有频率 甜， 相应的阻尼比 ， 采用半功率点法得到 。 设 ∞ 和∞ 分别为半功率点对应的两个频率 ∞ ， j , o 为频响函数的虚部， C为阻尼 ， 则 I H j t o 1 I I H j , o I 3 有 C 2 2 实例分析 2 ． 1 建模 高速五轴龙门加工中心是一个复杂的机械结构， 在建 模过程中， 根据其结构特点 ， 可以将整机分为立柱组件 、 滑 座、 传动系统组件、 滑台、 横梁 、 箱体、 电主轴架、 电主轴 、 电 主轴套等， 其整机的有限元模型如图 2所示。 图 2 整机有 限元模型 2 ． 2结合 面 的 处 理 对于立柱与地面、 立柱与滑座、 轴直线导轨与滑台、 Y轴直线导轨与横梁、 轴直线导轨与箱体的接触面均采 用螺栓固接， 每个螺栓连接处用三个梁单元模拟； 对于 ， y ， 方向上的导轨滑块结合面参数采用锤击激振实验法 得到， 导轨滑台之间用哑物体进行连接 ， 实验结果如表 1 所示 。 表 1 导轨接触面 刚度和阻尼 2 ． 3 整机动态分析 对整机进行模态分析， 图3为在 1 0 0 0 N简谐力激励 下机床刀具的振动响应曲线图， 其中， 虚线代表不考虑结 合面的影响， 结合面之间采用刚性联接； 实线代表考虑结 Ma c h in e B u i ld i n g 8 A u t o m a ti o n ， Au g 2 0 1 1 ， 4 0 4 4 2-4 3 合面的影响， 在结合面之间加入等效的动力学参数。从图 3中可以看出， 结合面对整机的影响表现在模态频率的降 低和模态振型的衰减。模态振型的衰减是有利的， 但模态 频率的降低是不利的， 会导致共振现象的发生， 因此， 在整 机设计时， 必须考虑结合面的影响。 3 结论 u s u m 考虑结合面 图3 刀具振动响应曲线图 机床是一种复杂机械， 除 了结构本体之外， 还包含 有各种各样许许多多的结合面。结合面 的动态特性是 机床动态特性的重要组成部分。本文用实验测定 和计 算机模拟方法 ， 对 机床结合 面的动态特性进 行研究。 这为机床整机结合部的非线性特性的合理处理提供了 一 种方法 ， 从而为机床设计 阶段 的整机性能预测开辟 了道路 。 参考文献 [ 1 ]赵宏林 ， 丁庆新 ， 曾鸣 ， 等．机床结 合部特 性的理论解 析及应 用 [ J ] ．机械工程学报 ， 2 0 0 8， 1 2 2 0 8 - 2 1 4 ． [ 2 ]张学良， 徐格宁， 温淑花． 机械结合面静动态特性研究回顾及 展望 [ J ] ． 太原科技大学学报 ， 2 0 0 2 ， 2 3 3 2 7 7 - 2 7 8 ． [ 3 ]Hu a n g Yu m e i ， F u We i p i n g ， T o n g J u n x i a n ．A Me t h o d o f Ac q u i r i n g A p p l i e d T a n g e n t i a l D a m p i n g P a r a m e t e r s o f J o i n t S u r f a c e s [ J ] ． J o u r n a l o f Xi ’ a n U n i v e r s i t y ， 1 9 9 6， 1 2 1 1 - 5 ． [ 4 ]秦宝荣． 机床结合面动态特性研究 [ J ] ． 制造技术与机床， 1 9 9 6 8 3 5 3 7． [ 5 ]许丹 ， 刘强． 基于结合 面建模 的数控机床 动力 学联合仿 真研 究[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 8 3 9 - 1 1 ． [ 6 ] 郑佳明． 高架桥式高速五坐标龙门加工中心动力学仿真研究 [ D ] ． 南京 东南大学， 2 0 0 6 3 7 - 3 8 ． 收稿 日期 2 0 1 01 2 2 0 4 3