基于刚柔耦合的数控铣齿机床动态特性分析.pdf

1 5 6 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g nM a n uf a c t u r e 第 7期 2 0 1 1 年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 t 0 7 0 1 5 6 0 2 基于刚柔耦合的数控铣齿机床动态特性分析 术 房瑞祥黄筱调 南京工业大学 机械与动力工程学院， 南京 2 1 0 0 0 9 Th e d y n a mi c a n s y s o f NC mi l l i n g ma c h i n e b a s e d o n r i g i d f l e x i b l e c o u p l i n g F ANG Rui - x i a n g， HUANG Xi a o d i a o C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a 中图分类号 T H1 6 ， T G 5 4 7 文献标识码 A ． ￡ 一 L 1 日 IJ 舌 极坐标数控高速高精成型铣齿机床是十分重要的一种齿轮加 工机床， 也是齿轮加工生产中的一种高效率的加工设备。该铣齿机 床的加工对象是一些使用在大型机械 如风力发电设备， 建筑机械， 港口机械 大模数齿轮， 其较高的加工速度和较大的切削用量， 也就 要求了机床必须具有合理的结构配置和优良的动 能ll _2 1。 机床整机动力学模型的建立非常困难， 其关键是机床包含 大量的结合面， 机床结构的动力学特性很大程度上取决于结合面 的特性。 结合面间既储存能量又消耗能量的“ 柔性结合” 本质极大 地影响着机床整机的静 、 动态特性。 结合面间的弹性和阻尼， 尤其 是阻尼， 往往比结构本身的弹性和阻尼还大。对铣齿机结合面用 弹簧阻尼器模拟 ，主轴箱用 A N S Y S生成柔性体导人到 A D AM S 中， 实现刚柔耦合， 并模拟铣齿机在切削过程中的铣削力来激励 主轴箱 ； 同时， 通过 L MS噪声振动测试仪器对铣齿机加工过程中 主轴箱进行了振动噪声测试， 实验结果与仿真结合相符[4 1 。 2铣削力模型的建立 铣齿加工为非连续性强力切削，瞬态切削力的影响因素复 杂且变化幅值大， 所以对机电耦合系统的快速响应性以及稳定性 要求更高。 文献13 1总结了铣齿切削功率的计算方法， 在此基础上综 合考虑铣齿加工的周期以及瞬时铣削深度的铣齿切削力进给分 量模型 为 F z t 9 ． - ， ．2 1 0 3 x k - 1 ． 1 f 。 a I l z 1 式中 铣削功率修正系数； 铣刀直径； 铣削深度； 每 齿进给量 ； 铣削宽度 ， o T , ---- k t t g 2 0 。 ； 。 铣刀刀片数 ； 一 铣刀转速。 切削力近似正比于切削截面积 f 。 2 式中 K ， 9 ． 2 1 0 3 ． 0 ．82 x 1 0 x k d Z lI 一。 向铣削刚度， 即单位切削宽 式中 ． 。 。一。 向铣削刚度， 即单位切削苋 度和单位切削厚度时的切削力。 。 一 [ x t - x t 一 ] 3 式中 f 实际铣削深度； 。 本次名义铣削深度； 一本次 铣削的振纹轨迹； 目 邻两次铣削之间的时间差； ￡ 卜 上 次铣削残留振纹轨迹。 使用某公司的切削参数进行铣齿切削力模型分析铣刀模 数 m 1 6 mm， 铣刀直径 d o 4 0 0 mm， 铣刀刀片数 z 3 6 ， 3个刀片为 一 组， 主轴转速 8 0 r ／ m i n ， 进给速度 v 1 2 0 mm ／ mi n ， 被加工齿轮材 料为 5 0 Mn 。铣齿切削力是周期性的切削载荷， 其周期 f 卜 0 ．0 6 2 5 4 将铣齿切削力载荷模型表示为阶跃函数和锯齿波函数， 一 个周期内铣齿切削时丝杆的扭矩模型图， 如图 1 所示。 ★ 来稿 日 期 2 0 1 0 0 9 1 3 ★ 基金项目 江苏省工业装备数字制造及控制技术重点实验室高技术项 目 B M 2 0 0 7 2 0 1 ， 江苏省 自 然科学基金 B K 2 0 0 8 3 7 4 ， 江苏省科技支撑计划 工业 项目 B E 2 0 0 9 1 6 7 第7 期 房瑞祥等 基于刚柔耦合的数控铣齿机床动态梅陛分析 1 5 7 1 ／。 ， ⋯ 一 t ⋯ ’ l i { ； t s 图 1铣齿切削丝杆扭矩模 型 3铣齿机床刚柔耦合模型的建立 3 ． 1主轴箱柔性体的生成 A D A MS与 A N S Y S以及其他的三维建模软件之间都具有接 口， A D A MS ／ F l e x 模块允许在 A D A MS模型中根据模态频率数据 创建柔性体部件， 而 A N S Y S则提供一个专用接口生成模态中性 文件 mn f ， 具体的技术路线 ， 如图 2 所示 。 图 2 A N S Y S和 AD A MS联合仿真的技术路线 3 _ 2铣齿机床整机刚柔耦合模型的建立 铣齿机床的三维图形三维软件 P R O E绘制， 然后倒人到 A D A MS中， 并通过 A D A MS ／ F L E X倒人之前 A N S Y S生成的模态 中性文件 m n f ， 建立刚柔耦合模型， 同时， 拖板和主轴箱的螺栓结 合部用弹簧阻尼模型模拟， 其他导轨结合部也用一系列的弹簧阻 尼单元模拟， 文献噼 细讲述了结合部弹簧阻尼的刚度和阻尼数值 的计算方法， 在此不再详述， 建立的刚柔耦合模型， 如图 3 所示 。 图3铣齿机刚柔耦合模型 3 ． 3基于 AD A MS ／ 、 ， i b r a t i o n模块振动分析 A D MA S专门开发了振动仿真分析模块 A D A M S ／ V i b r a t i o n ， 在振动仿真分析模块中可以进行类似真实的实验一样对系统进 行多方面的测试。 铣齿机主轴箱刀盘附近添加上文所讨论到的铣 削力作为输入激励条件， 分别建立 和z向两个输． - i n p u t 激 励， 同时， 把刀盘附近实验测试中加速度传感器的三个测试点作 为输出通道， 分别建立三个输出 o u t p u t lll 应通道， 使得实验测试 与仿真模型的高度吻合 ，9 1 。 在大型系统中， 由于我们比较关心系 统的低阶频率对系统动态性能的影响， 所以仿真过程中我们取频 率为 1 0 ～ 1 0 0 0 H z 这个频率段来仿真 ， 分析步数设为 4 0 0步， 运 行振动分析对话框 ， 如图4所示。 通过后处理 ， 得到主轴箱实验测 试点的频响函数， 频响函数， 如图5所示㈣。 图4运行振动分析对话框 I V io n A is 2 1 p ul C ha n ne l 1 0 u ilx i_C h lL 3R ⋯ spa l ＼ 、 ＼ ＼ ＼ 一＼ ＼ ／ ～ 『 ＼ I 、 ＼ { | 图 5振动仿真频响结果 4铣齿机床加工状态下的动态测试实验 实验采用的是比利时某公司的振动噪声测试仪器 ， 加速度 传感器采用的某公司的传感器 ， 测试点分别布置在主轴箱刀盘附 近 、 Y、 z三个方向， 现场测诸隋景， 如图6 、 图7所示。 图6铣齿机主轴箱振动测试现场 图7 L M S 数采卡和后处理软件 5实验结果与仿真结果分析 因为由实验模态分析结果建立的实验模型的自由度是很有限 的， 而仿真模型的自由度是很大的， 有时由仿真模型算得的振型， 在 实验模态分析中测不出； 同时， 由于地基或其它因素的影响， 某些实 验模态分析测得的频率和振型， 在有限元模型分析结果中没有出现； 当然， 由于工厂的复杂的 外在环境， 在试验测试的过程中难免有些干 扰， 6 l 而影响试验的准确性， 所以采用试验和仿真结果相互对照比较 的方法来确定铣齿机的振动频率， 具有较高的准确性。 动态性能试验 就是为了仿真结果分析的正确性，实验结果表明实验数据和仿真数 据基本吻合， 误差在工程范围允许之内， 能满足工程分析的需要。 1 5 8 机 械 设计 与 制造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 7期 2 0 1 1 年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 7 0 1 5 8 0 3 基于 A N S Y S的超细高速冲击磨结构刚度优化设计 l 李志荣 王 东 王雅萍 四川理工学院， 自贡 6 4 3 0 0 0 西南科技大学 制造科学与工程学院 ， 绵阳 6 2 1 0 1 0 Op t j mu m d e s i g n o f s t r u c t u r a l s t i f f n e s s o f t h e s u p e r f i n e h i g h s p e e d i mp a c t mi l I b a s e d o n ANSYS L I Z h i - r o n g I , WANG d o n g 1 , WANG Ya - p i n g S i c h u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e E n g i n e e r i n g ， Z i g o n g 6 4 3 0 0 0 ， C h i n a c h o o l o f Ma n u f a c t u r i n g S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 ， C h i n a 々 ● 十 量， t斤 ” ”t 斤 ● 璺， t ● t 斤 “、 量 N H 、 量 H 、 ． H 、 1斤 “、 量 t斤 ● t ．、 ● 斤 t 1 、 曼 t斤 ● t t ’ l 【 摘要】 为快速获得不同结构参数的模型， 利用A N S Y S 的A P D L 语言对超细高 速机械冲-2 - 磨的 ； }机架进行参数化建模， 利用模态分析找到机架中影响轴承座支承刚度的薄弱环节并做相应优化设计， i最 后利用 谐响应分析技术 验证了 机架结构刚度提高的有效性。 分析结果表明， 在保证结构刚度较大幅 l ；提高的条件下， 优化后的机架结构重量可得到不同程度的减轻， 这对在机械设计过程中从设计上保证 }高速机械的轴承工作条件、 减少材料消耗以及降低机器的生产成本有一定的指导意义。 { l 关键词 冲击磨； 结构刚度； 模态分析； 谐响应分析 2 } 【 A b s t r a c t 】 I n o r d e r t o g e t m o d e ls w i t h d iff e r e n t p a r a m e t e r of s t r u c t u r e q u i c k ly ， 0 p a r a m e t r ic m o d e l i n g{ l f o r s u p e n e h i g h s p e e d im p a c t m i l l is p r e s e n te d in th is p a p e r u s i n g t h e A P D L l a n g u a g e ofA N S Y S ， t h e n ￡ 2 }w e a k l i n k i n f r a m e w o r k i s a n a l y z e d and f o u n d w h i c h m a y i n fl u e n c e t h e b e ar i n g s t iff n e s s and t h e c o r r e s p o n d 一 ； o p t i m a l d e s i g n is p r o v i d e d b y usin g t h e t e c h n o lo g y ofm o d al anal y s i s ．F in al l y ， ￡ e v al id a t i o n ofi m p r o v i n g； ；s t r u c t u r e s t if f n e s s is c ar r ie d o u t w i t h t h e t e c h n o lo gy o f h ar m o n i c r e s p o n s e anal y s is ，w h i c h r e s u h i n d i c a t e s t h at j } w e ig h t ofs t r u c t u r e o p t i m iz e d is l i g h t e n e d in d if f e r e n t d e g r e e u n d e r e n s u r i n g s tr u c t u r al s t if f n e s s b e in g c a - { l h anc e d t r e men d o u s l y ， w h i c h w i l l h a v e s o m e gui d a n c e i n i n s u r i n g t h e o p e r at i o n ofth e mec h a n i c al b e ar in g s i n 2 i如s ， r e d u c in g t h e m at e r i al s c o nsu m p t i o n and t h e c o s t of p r o d u c t io n w h e n w e 如s m ach i n e s ． ； K e y w o r d s I mp a c t mi l l ； S t r u c t u r a l s t i ff n e s s ； Mo d a l a n a l y s is ； H a r m o n i c r e s p o n s e a n a l y s i s 5 中图分类号 T H1 6 ， 0 2 4 ． 1 ， T B 1 1 5 文献标识码 A 1 弓I 言 的 轴承的 安装条 件也较高 日 ， 而 这些安装条 件中， 机架的 刚度 有着 超细高速机械冲击磨 以下简称冲击磨 是利用高速冲击碰 举足重轻的作用。 前期研究表明， 如果能提高机架的刚度， 无疑对 撞原理来粉碎物料的机器【l _。 在实际工业化生产中， 由于冲击磨的 保障轴承的工作条件是非常有利的 。 转速一般都比较高 超过 2 0 0 0 r ／ mi n ， 相应地对于支承转动部件 由于机架结构比较复杂，无法用理论计算确定其各部分刚 ★ 来稿 日 期 2 0 1 0 - 0 9 1 8 -k 基金项目 四川理工学院人才启动工程 0 7 Z R 3 3 ， 四川省科技厅重点攻关项目 资助 0 2 S G - 0 1 1 - 0 4 4 6结语 提出了多种软件 P r 、 A N S Y S与 A D A Ms 集成的刚一 柔耦 合建模技术 ，在考虑铣齿机结合面的基础上 ，利用 A D A MS ／ V i b r a t i o n 模块模拟了铣齿机在加工过程中主轴箱的振动情况， 通 过软件分析和动态实验相结合的方法进行了研究， 实验结果证实 了仿真模型的正确性， 可以达到工程分析要求 ， 为今后铣齿机的 改型及动态分析提供了依据。 参考文献 P ] _中国 0 0 5 2 0 0 7 6 8 2 7 2 2 0 o5 ． [ 2 ] 陈生华．数控高速铣齿机床结构有限元分析及优化研究[ D ] ． 南京 南 京工业大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 于春建， 黄筱调， 王亨雷， 等．基于 B P神经网络铣齿切削功率计算方法 的研究[ J ] ． 工具技术， 2 0 0 8 ， 4 2 4 6 2 6 5 ． [ 4 ] 张永德， 汪洋涛 ， 王沫楠， 等．基于 A N S Y S 与A D A M S 的柔性体联合仿 真[ n系统仿真学报， 2 0 0 8 ， 2 0 1 7 4 5 0 1 - 4 5 0 4 [ 5 ] 李增刚．A D A M S 入门详解与实例[ M] ．北京 国防工业出版社， 2 0 0 6 ． [ 6 ]H ． Y ． H w a n g ．I d e n t i fi c a t i o n t e c h n i q u e s o f s t r u c t u r e c o n n e c t i o n p a r a m e t e r s u s i n ge q u e n c y r e s po n s e f u n c t i o n s ， J o u r n a l o f S o u n d a n d Vi b r a t io n， 1 9 9 8 4 6 9 - -47 9 ． [ 7 ] 朱春霞， 朱立达， 刘永贤， 等． 基于 A D A MS 的并联机床刚柔耦合系统 的协同建模研究[ J ] ． 组合机床与自 动化加工技术， 2 0 0 7 1 1 1 _ 4 ． [ 8 ] 刘俊， 林砺宗， 刘小平， 等． A D A M S 柔性体运动仿真分析研究及运用 [ J ] ． 现代制造工程， 2 0 0 4 5 5 3 5 5 ． [ 9 ] 赵丽娟， 王乘云．复杂刚柔耦合系统模态参数识别与振动分析研究[ n 制造业自 动化， 2 0 0 9 ， 3 1 4 1 0 5 1 0 8 ． [ 1 0 ] 祁燕燕．基于刚柔祸合门式起重机静动态设计分析[ D ] ． 大连 大连理 工大学出版社 ， 2 0 0 8 ．