基于VC的数控机床进给系统设计及有限元分析.pdf

2 0 1 0 年第8 期 设 计 与 研 究 文 章 编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 01 0 0 80 0 0 70 3 基于 V C的数控机床进给系统设计及有限元分析 赵 万 军 重庆 三 峡学 院 应用 技术 学 院 ， 重庆 万州4 0 4 0 0 0 摘 要 在 V C 平 台上集成数控 机床进 给传 动 系统设 计 和基 于 A N S Y S的有 限元 分析 。讨论 了 V C编程 实 现进给 传动 系统设 计的 关键技 术 问题 。通过 V C封装 A P D L命 令 流和 前 台调 用 A N S Y S完成数控 机床 进 给 传动 系统的有 限元 分析 ， 有 限元分析 的结 果一 方 面 回代 到 V C再 次校 核进 给 传动 系统 的静 、 动 态特性 以 弥 补传统设计方法可靠性不足的缺陷， 另一方面为数控机床提 高运动精度及合理使用提供参考依据。 关键 词 进给 系统 ； VC； 数 控机 床 ； ANS YS 中图分类 号 T H1 3 2； T P 3 1 1 ． 5 文 献标识 码 A FEA a nd De s i g n o n t he Fe e di ng Tr a ns mi s s i o n S y s t e m o f CNC M a c h i ne Ba s e d o n VC Z H A O Wa n j u n S c h o o l o f Ap p l i e d T e c h n o l o g y，C h o n g q i n g T h r e e Go r g e s Un i v e r s i t y ，C h o n g q i n g Wa n z h o u 4 0 4 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t Th e d e s i g n o f t h e CNC ma c h i ne’S f e e d ing t r a n s mi s s i o n s y s t e m a nd t he f i ni t e e l e me n t a n a l y s i s ba s e d o n ANS YS wa s i n t e g r a t e d in t h e pl a t f o r m o f VC ．The ke y t e c h ni c a l pr o b l e ms of t he f e e di n g s ys t e rn ’S de s i g n wi t h VC h a ve b e e n di s c u s s e d． FE A o f t h e CNC ma c hine’ S t r a n s mi s s i o n s ys t e m h a s be e n a c c o m- pl i s h e d t h r o u 曲 e n c a p s u l a t i n g AP DL a n d c a l l ing ANS YS in f o r e g r o u n d wa y b y VC． T h i s r e s u l t o f F E A wa s f e d int o VC t o c h e c k t h e s t a t i c a n d d yn a mi c c h a r a c t e r i s t i c of t h e f e e d i ng s ys t e m t o ma k e u p t h e i ns u f fic i e n c y of c o n v e nt i o n a l d e s i gn o n o ne h a n d，o n t he o t he r ha n d i t c a n pr o v i de a ba s i s f o r i mpr o v ing t h e a c c u r a c y a nd t h e r e a s o na b l e us e o f t h e CNC ma c hine ． Ke y wo r ds f e e d i n g t r a ns mi s s i o n s y s t e m；VC CNC ma c h i ne ； ANS YS 0 引 言 数控机床进给传动系统主要 由驱动 电机、 联 轴器 、 支 承轴 承 、 滚珠 丝 杠 副和机 床移 动 部 件等 组 成 ， 它 们基 本 上都是 标 准 件 ， 其 设 计 过 程 主 要 是 选 型 校 核 计 算 。 由于设计 中用 到 的参 数 、 标 准 、 规 范 较 多 ， 且 各 部 件 的 设计相互影响， 使得设计过程比较复杂， 如果采用传统 的手 工设 计方 法效 率低 、 准 确性 差 ， 很 难选 出具 有最 佳 匹配关 系 的传动 部件 。因此 ， 通过 V C 编程 ， 将数 控 机床 进 给传 动系 统设 计 和有 限元 分 析集 成 到一 个 统一 的用 户平 台上 ， 对 于 合 理 选 择 进 给 系 统 组 成 部 件 和 提 高机床 使用 性 能具有 较高 的工程 实用 价值 。 1进 给 系 统 设 计 在综合分析数控机床进给系统理论设计方法的基 础 上 ， 可 以得 出采 用 V C编程 完成 其 设 计 校 核计 算 的 基 本过 程如 图 1 所 示 。 图 1所示 设计 过程 所涉 及 的关 键 技术 主 要 有 以下 图 1 数 控 机 床 进 给 系 统 设 计 计 算 过 程 三个 方 面 。 1 人 机 界面 开发 由于设 计 中用 到 的参 数 较 多 ， 各 部 件 的设 计 有 固 定 的前后 逻 辑顺 序关 系 。 因此 ， 在 程 序 开 发 中采 用 了 多个 人机 交互 界 面 的导航 方式 以引 导使 用 者一 步 步 完 成 设 计工 作 。界 面 设 计 用 到 了 多种 V C控 件 ， 主 要 包 括 E d i t B o x文 本 编 辑 控 件 、 C o m b o B o x组 合 框 控 件 、 L i s t B o x列表控件 、 B u t t o n按钮控件及 P i c t u r e 位图显示 控 件等 。人 机界 面 之一 “ 选择 滚珠 丝杠 副 规格 型号 ” 如 图 2所 示 。 2 全局 变量 的设 置 收稿 日期 2 0 1 00 1 2 6 基金项 目 重庆市教 委科学技术基金 资助项 目 K J 0 9 1 1 1 4 作者简介 赵万军 1 9 7 0 一 ， 男， 重庆万州人 ， 重庆三峡学院讲师， 硕士 ， 主要研究方向为机械设计 与数控技术， Em a i l z h a o z h a n g y u x i n s i n a ． c o m。 设计与研究 组合机床与自 动化加工技术 图 2选 择 滚 珠 丝 杠 副 规 格 型 号 界 面 因为 设计 中用 到多个 V C界 面 、 MF C类 与 函数 ， 大 量参数将在它们之间传 递， 为保证这些数据能够 为各 部分 所共 享 ， 采 用 了将 那 些 需 共 享 的 参 数设 置 为 全局 变量 的 办 法 。具 体 方 法 是 首 先 在 MF C工 程 项 目的 ．c p p 文 件 中定 义 共享 参 数 为 全 局 变 量 ， 然 后 在需 要 用 到 的函数 中 申明它们 为外 部变 量 。 3 数据 库 的引用 由于设 计 中用 到 的表 格较 多 ， 为 简化 编 程 ， 采用 了 V C 利 用 A c t i v e X数 据 对 象 A D O动 态 调 用 A C C E S S 数据库 的方 法 。这 里 以滚 珠 丝杠 副 的选 型校 核 为例 进行 说 明。利用 D a t a G r i d控 件 与 A D O d a t a数据 对 象绑 定 ， 可 以实 现 数 据 表 的 网格 显 示 如 图 2 。点 击 其 上 “自动选择 与校 核滚 珠丝 杠副 ” 按钮 即可 调用 相应 函数 自动完 成滚 珠丝 杠 副 的选 型校 核计算 ， 选 型 结果 由“ 输 出滚珠 丝杠 螺母 副结 果 ” 列表 框输 出 。同 时 ， 设 置 了手 工选 择校 核按 钮 ， 可 以 让 使 用 者输 人 数 据表 中有 的规 格 型号进 行校 核计 算 ， 以提高设 计 的灵 活性 。 进给 系统 其 它 部 件 采 用 了上 述 相 似 方 法 进 行 设 计 。一 台立式 加工 中心 经上 述方 法选 择 出的进 给 系统 各部 件型 号规 格如 图 3列 表框 所示 。 图 3进 给 系统 结 果 输 出界 面 2 有 限元分析 引入 有 限元分 析 的 目的是 为 了获取 机 床进 给 系 统 更为准确的静、 动态特性参数和有限元 图形结果 ， 一方 面作 为进一 步校 核 进 给 系 统 选 择 合 理 性 的 依据 ， 另 一 8 方 面 为分析 和 提 高机 床 运 行 性 能 提 供 帮 助 。V C编 制 的数控 铣床 加工 中心 纵 向进给 系统 有 限元 分析 界 面 如图 4所示。为使有 限元分析按顺序正确进行 ， 需当 工 作 台参数 输 入 完 成 后 才 使 “ 生 成 A P D L ” 按 钮 可 用 ， 其 下方 按钮 的情 况类 似 。 图 4进 给 系统 有 限元 分 析 界 面 下 面讨论 有 限元分 析各 步骤 的功 能及 主要 内容 。 2 ． 1 生成 AP DL文 件 这里 包含 两 个 问 题 一是 V C对 A N S Y S命 令 流 的 封装 ； 二是 有 限元分 析 的内容 及基本 步 骤 。 V C封 装 A P D L命 令 流 的 目的 是 生成 一 个 有 限元 分析宏 文 件 以便 为 A N S Y S所调 用 ， 此 方法 屏 蔽 了有 限 元分 析建 模 、 施 加 约束 与 载荷 等 复 杂 过 程 。其 基 本 方 法是 首先 在磁 盘 的指 定 位 置 生 成 一 个 文件 夹 用 于存 放有 限元 分析宏 文 件 和 结果 文件 ； 然后 采 用 V C的 o s t r e a m文件 输 入／ 出流 对 象 在 刚 才 建 立 的文 件 夹 中生 成宏 文件并 逐条 向其 中输 出 A P D L命令 。 有 限元分 析 的全 过 程 包 含 在 上 述 生 成 的宏 文 件 中 ， 其 流程 如 图 5所 示 。 用， s E T 命令将V C 参数传递给A N S Y S 进入A N S Y S I 处理器． 定义单元类型和材料特性 限元几何建模 ，创建预紧 进入AN S Y s 求解器， 施加约束与载荷 ，求解 进人A B S Y S N处理器． 提取结果并保存 图 5有 限 兀 分 析 流 程 图 5所示 有 限元分 析流 程关键 技术 问题说 明 1 为获取进给系统 的静、 动态特性 ， 分别进行 了 有限元静力 、 模态和谐响应分析。它们的有限元几何 模 型基本 相 同 ， 区别 在 于滚珠 丝 杠螺 母 副螺 旋滚 道 、 滚 动轴 承滚 道结 合 面 的建 模 有 所 不 同。静 力 分 析 时 ， 为 简化 结构 ， 采 用 了将 滚 动 体 向垂 直 于 轴 线 的平 面投 影 为 空心 圆筒 、 滚 道 简 化 为 矩形 截 面沟 槽 的方 法 。模 态 和谐 响应 分析 时 ， 采 用 了弹 簧单 元 C o mb i n l 4来 模 拟结 合 面既有 弹性 又有 阻尼 的特 性 。 2 约束 分别施 加 在 工 作 台底 面 的滚 动 导 轨块 上 和 两端轴 承 的外 圈上 。 2 0 1 0 年第8 期 设 计 与研 究 3 为考虑 预紧 力对 进给 系统 的影 响 ， 有 限元模 型 建立 时在 滚珠 丝 杠 副 预 紧 垫 片 位 置 创建 预 紧 面 ， 进 人 有 限元求解 器 时 在该 面 上施 加 预 紧 力 ， 并 在 求 解 时 激 活该 预应 力选项 。 4 有 限元 分 析 的 载 荷 施 加 分 为 以下 几 种 情 况 。 第一 当考查最大轴 向力作用下丝杠产生的弹性变形 量时 ， 在丝 杠上 施 加 由切 削 力 和 导 轨 摩 擦 力 共 同产 生 的最 大等效 轴 向力 ； 第二 当考查 螺 母及 工 作 台 在运 动 到极 限行 程位 置 时需 换 向而 产生 的反 向死 区误 差 的大 小时 ， 分别 在螺母 的左 、 右 端 面上 施 加 因导 轨静 摩 擦 力 而产生 的轴 向力 ； 第 三 当进 行 模 态 和谐 响应 分 析 时 ， 由于 系统 的动 态 性 能 属 于 其 固有 属 性 而 与 外 载 荷 无 关 ， 因此 ， 除预紧 力外 不再 施加 其它 载荷 。 5 有 限元 求解 结果 包 括两 类 一 类 是进 给 系统 的 最大应力、 最大变形量、 模态频率等数值结果； 另一类是 模态 振型和谐 响应 曲线 等 图片结 果 。对 第一 类 结 果 的 保存方 法是 在 A P D L宏 中首先 提取 应 力 、 变 形 等结 果 ， 然后 打开一个 位 于指 定 文件 夹 中的文 本 文 件并 向该 文 件写入结果数值。对第二类结果保存的方法是 向结果 保存 文件 夹 中直接输 出后缀 名为 J P E G的图片文 件 。 2 ． 2 运行 ANS YS V C调用 A N S Y S ， 目前 的文 献主要 是 讨论 后 台调用 方法 ， 该方 法 不 会 显 示 A N S Y S界 面 ， 使 用 者 无 法 实 时 监控 有 限元 分 析 计 算 过 程 。 因此 ， 本 文 研 究 了 V C前 台调 用 A N S Y S的方 法 ， 其 基 本 过 程 是 将 用 于 进 给 系 统 的静 力 和模 态 分 析 按 钮 宏 命 令 追 加 到 A N S Y S安 装 目录 的 s t a r t 9 0 ． a n s 文 件 的最 后 面 ， 当 A N S Y S启 动 时 这 两个 专 用按 钮 “ S F F E A” 和 “ MO D A L F E A” 将 与 A N ． S Y S原 有 的缺省 按钮 一起 出项 在 T o o r b a r 工 具 条 上 ， 如 图 6所示 。通 过 V C编 程创 建 A N S Y S进程来 启 动 A N S Y S ， 当 A N S Y S界 面启 动 后 ， 点 击 工 具 条 上 的 “ S F F E A ” 或 “ MO D A L F E A”按 钮 ， A N S Y S自动调 用前 述生 成 的 A P D L宏 文件分 别 进行 静 力 和 模 态 、 谐 响应 分 析 ， 由于 A N S Y S窗 口在这 种情 况 下始 终 是 打 开 的 ， 使用 者 可 以观查 到有 限元分 析 的全 过程 。 塑 剃 堡 璺 翌 墅 图 6 A NS YS工具条 按钮 2 ． 3 结 果显 示 点击 图 4所示 “ 结 果显 示 “ 按 钮 可打 开结 果显 示 对 话 框 略 ， 再 点击 其 上相 应 按 钮 即可 打 开 有 限元 分 析 所保 存 的 结 果 数 值 或 图 片 。 图 7所 示 为 结 果 图 片 之 一 前 述加 工 中心纵 向进 给 系统 在 最 大轴 向力作 用 下 的变形 云 图 。 2 ． 4校核 计算 由图 1可 知 ， 在 选 择 出进 给 系 统各 组成 部 件 之 后 图 7 有 限 元 分 析 结 果 图 片 之 一 即进行 了一次 定 位 精 度 和 动 态 性 能 校 核 ， 但 这 次 校 核 是 基 于材 料力 学 理 论 的一 种 粗 略 的简 化 计 算 ， 准 确性 不 足 。在 有 限元 分 析完 毕之 后 再 进行 一 次 校核 可 以 极 大 地提 高设 计 的 可靠 性 。其 基本 方 法是 V C编程 从保 存 的结 果 文本文 件 中取 出静 动 态特 性 参 数 与设 计 要求 进 行 比较 ， 如校 核合 格则 输 出最 终 设计 结 果 ， 否 则 提示 回到 图 2界 面 ， 通 过 点 击 其 上 “ 手 工 选 择 滚 珠 丝 杠 型 号 ” 按钮 输入 丝 杠 公 称 直 径 较 原 选 择 型 号 直径 更 大 一 级 的滚 珠丝 杠 型号 重新 开 始 其 后 的 设 计 校 核 步 骤 ， 直 至选 出合 格产 品为止 。前 述 加工 中心 按理 论 方 法校 核 合格 选 出 的进 给 系 统 各 部 件 规 格 型 号 如 图 3所 示 ， 滚 珠丝 杠 副型 号 为 F F Z D 3 2 1 03 ， 经有 限元 分 析 的 丝 杠 最大变形量为 7 ． 0 6 m， 超 过其 国标规定值 5 ． 5 m 。 重新选 择 并 校 核 合 格 的滚 珠 丝 杠 副 型 号 为 F F Z D 4 0 1 0 3 ， 有 限元 分 析 的 丝 杠 最 大 变 形 量 为 4 ． 0 1 m 如 图 7 ， 未 超过 其 国标 规 定 值 。而 生 产 实 际 中采 用 的 也 是 后 一种 型 号 ， 以前 一 种 滚 珠 丝 杠 副 型 号组 成 的 进 给 系 统的定位精度达不到预期要求 ， 这充分说 明了引入有 限元分 析 的重要 性 和必 要性 。 3 结束 语 通 过 V C编 程 并 引入 有 限元 分 析 方 法 ， 能 够 以快 捷 、 准确 、 可 靠 的 方 式 选 择 出数 控 机 床 进 给 系 统 各 部 件 ， 实现 了设计 过 程 的 自动化 ， 为 数 控机 床 进 给 系统 设 计提 供 了新方 法 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]戴 曙．金属切 削机床 [ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 2 ]王正军．V i s u a l C 6 ． 0程序 设计 从入 门到精通 [ M] ．北 京 人 民邮电出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ]安琦瑜 ， 冯 平法 ， 郁 鼎文．基 于 F E A 的滚 珠丝杠 进 给系 统 动态性 能分 析[ J ] ．制 造技术与机床 ， 2 0 0 5 1 0 8 5 8 8 ． [ 4 ]曹永娟 ．基于 A N S Y S的永磁 同步 电机设 计分 析软件 [ J ] ． 电机 与控制 应用 ， 2 0 0 6 ， 3 3 2 2 5 2 9 ． [ 5 ]丁锋 ， 陈洪芳 ．伺服进 给系统滚珠丝杠 C A D系统 开发 [ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 0 7， 2 9 1 0 2 6 2 9 ． 编辑赵蓉 9