基于ANSYS／WORKBENCH的机床动态性能分析及改进.pdf

2 0 1 2年 1月 第 4 0卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS J a n．2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 3 0 基于 A N S Y S ／ WO R K B E N C H的机床动态性能分析及改进 孙永清 ，王永泉 ，朱祥 ，寸花英 1 ．西安交通大学机械工程学院， 陕西西安 7 1 0 0 4 9 ； 2 ．沈机集团昆明机床股份有限公司，云南昆明 6 5 0 2 0 3 摘要基于 P r o ／ E与 A N S Y S ／ WO R K B E N C H协同仿真及优化的解决方案 ，建立了某精密卧式加工中心立柱结构的有限 元分析模型。以提高其模态频率为目标 ，进行了结构型式及尺寸参数的优化设计。在考虑结合面单元特性的整机模型中验 证优化效果，结果表明在降低加工中心质量的同时提高了整机结构动刚度。优化设计方法及结果为机床设计提供了重要 依据 。 关键词立柱 ；有限元；优化设计；A N S Y S ／ WO R K B E N C H协同仿真平台 中图分类号T P T 0 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 1 1 0 4 An a l y s i s a n d I mpr o v e me n t o f M a c h i ne To o l Dy n a mi c Pe r f o r ma n c e Ba s e d o n ANS YS ／W oRKBENCH S UN Yo n g q i n g ， W ANG Yo ng q u a n ， Z HU Xi a n g ， CUN Hu a y i n g 1 ． X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 4 9 ，C h i n a ； 2 ． S h e n j i G r o u p K u n mi n g Ma c h i n e T o o l C o m p a n y L i m i t e d ，K u n mi n g Y u n n a n 6 5 0 2 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n P r o ／ E a n d AN S Y S W ORKB E NC H C O s i mu l a t i o n a n d o p t i mi z a t i o n p l a t f o r m，t h e F EM mo d e l o f t h e c o l u mn o f s o me p r e c i s i o n h o r i z o n t a l ma c h i n i n g c e n t e r wa s e s t a b l i s h e d ．T o i n c r e a s e n a t u r a l f r e q u e n c i e s ．t h e o p t i mi z a t i o n s o f t h e s t r u c t u r e a n d d i m e n s i o n p a r a me t e r s w e r e p e r f o r m e d ．T h e o p t i m a l r e s u l t s w e r e v a l i d a t e d b y t e s t i n g t h e v i r t u a l m o d e l o f t h e w h o l e ma c h i n i n g c e n t e r j o i n i n g w i t h S u rfa c e e l e me n t s ． Re s u l t s s h o w t h a t t h e q u a l i t y o f t h e ma c h i n i n g c e n t e r i s d e c r e a s e d wh i l e t h e d y n a mi c s t i f f n e s s o f t h e w h o l e ma c h i n e i s i n c r e a s e d ．Op t i mi z a t i o n r e s u l t s p r o v i d e a n i mp o r t a n t b a s i s f o r t h e ma c h i n e t o o l d e s i g n ． Ke y wo r d s Co l u mn； F i n i t e e l e me n t ；Op t i mi z a t i o n；ANS YS W ORKB E NC H C O s i mu l a t i o n p l a t f o r m 精密加工中心在工作时采用高速下进给的方式来 追求加工精度，切削用量一般不大，所承受的工作载 荷一般都比较小，因此加工中心的动态性能就成为影 响其工作性能和机床产品质量的主要因素 。立柱是 加工中心的一个重要部件，其上承载着滑鞍、主轴箱 等移动部件 ，因此立柱的动态性能，直接影响到被加 工零件的质量。要保证大型精密加工中心具有 良好的 动态性，首先必须保证立柱有良好的动态性能。作者 以某型精密卧式加工中心立柱的优化设计为例 ，采用 基于P r o ／ E与 A N s Y s ／ wO R K B E N c H的协同仿真及优 化方法 ，对立柱结构内部筋板的形式及设计参数进行 了优化 ，不但提高了机床床身的动态特性 ，而且节省 了材料 ，降低了生产成本。 1 初始整机三维模型及集合简化 在三维建模软件 P r o ／ E中建立整机三维模型，如 图 1所示 。 图 1 卧式加工中心三维实体模型 压缩不会 改变分 析模 型特性 的一些局部特征 ，如 倒角、小孔、退刀槽 、定位孔 、小凸台、小沉孔、螺 纹 、消隙等均按实体处理。零部件的结合面之间采用 固结的方式对初始设计进行模态分析，结果如图2 、 3和表 1 所示 。 收稿 日期 2 0 1 01 2 2 9 基金项目国家高档数控机床与基础制造装备重大专项资助项目 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 1 - 0 2 2 作者简介孙永清 1 9 8 3 一 ，男，硕士，研究方向为振动与噪声控制。E ma i l Y q ． s u n s t u ． x j t n ． e d u ． c n 。 第 1期 孙永清 等基于 A N s Y s ／ w0 R K B E N c H的机床动态性能分析及改进 -1 1 3 4 整机动力学仿真 为 了验证立柱在 整机中的重要 地位 ，装配整机三 维模型 ，进行有限元计算。在建立整机有限元模型 时，除了之前对零部件建模时需要考虑的因素，最主 要是对结合部的弹簧 一阻尼单元的建模。 使用瑞士 S C H N E E B E R G E R公 司生产的 MR B 4 5 和 MR B 5 5两种型号 的滚 动直线 导轨 ，使 用手册 所 给 刚度 曲线 计算 出滑块 导轨结 合 面 的刚度参 数 为 M R B 4 5 ，法 向冈 0 度 2 ． 6 71 0 9 N ／ m，倾 4 向冈 0 度 2 ． 0 1 0 9 N ／ m；MR B 5 5 ，法 向刚度 3 ． 2 1 0 9 N ／ m，侧 向刚 度 2 ． 6 1 0 9 N ／ m。结合面单元模型见图9 ，结合面简 化模型见 图 1 0 。 1 2 月 盔班● “ 图 9 结合面单 图 l 0 结合面简化模型图 元模型图 每个导轨滑块 的法 向侧 向均使用两个 c o m b i n l 4 单元等效刚度和等效阻尼，如图 1 1 所示。 图 1 1 加载 c o mb i n l 4单元示意 图 优化结果见表 3 。与刚性粘接的整机计算结构相 比 、加 入 c o m b i n 1 4单元 以后 的计算 结果 要 小 2～3 H z 。与初始设计相比较，前三阶固有频率提高分别 为 1 2 ． 0 0 2 H z 3 3 ． 8 ％ 、7 ． 3 7 3 1 6 ． 1 ％ 、1 6 ． 4 9 5 2 7 ． 5 ％ 。对薄弱环节立柱 的优化效果在整机上也 得到了很好的体现。 表 3 整机固有频率振型表 5结论 1 通过对立柱动态性能的分析，指出立柱结 构上的薄弱环节 ，从外形尺寸和内部筋板类型两个方 面提出了改进设计方案．并对改进后的方案进行了结 构参数再优化 ，确定立柱的优化设计参数。 2 通过对比改进前后立柱 的振型频率和变形 ， 发现优化设计以后 ，立柱的动态性能得到很大提高， 同时质量有所下降，减少了材料消耗 ，降低了生产成 本 。 参考文献 【 1 】 徐燕 申． 机械动态设计 [ M] ． 北京 机械工业出版社， l 99 2． 【 2 】韩静， 方亮， 孙甲鹏， 等． 基于 P r o ／ e 与 A N S Y S WO R K B E N C H仿真及优化的复杂装配件协同[ J ] ． 机械设计 与制造 ， 2 0 1 0 1 1 9 01 9 2 ． 【 3 】 王艳辉 ， 伍建国， 缨建成． 精密机床床身结构参数的优化 设计[ J ] ． 机械设计与研究 ， 2 0 0 3 1 2 5 3 5 5 ． 【 4 】 戴磊， 关振群， 单菊林， 等． 机床结构三维参数化形状优 化设计 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 8 5 1 5 21 5 7 ． 上接第 1 0 9页 4 总结 利用 U G的参数化功能，针对涡轮叶片精铸模具 设计过程中一些问题，包括设计过程繁琐、自动化程 度低 、设计 周期长等缺陷 ，根据精铸模具在结构上 的 相似性，提出对其辅助机构进行参数化设计 ，并构建 相应的知识模板 ，为缩短涡轮叶片精铸模具设计周期 和涡轮叶片生产周期提供了一种方法，具有一定的研 究和使用价值。 参考文献 【 1 】 杨应昌， 汪文虎， 杨应琼， 等． 基于事例与精铸特征的涡 轮叶片模具型腔体设计[ J ] ． 电加工与模具， 2 0 0 7 6 5 0 5 2 ． 【 2 】汪文虎， 张西涛． 航空发动机涡轮叶片精铸模具的现状 及发展趋势[ J ] ． 航空制造技术， 2 0 0 5 6 2 6 2 9 ． 【 3 】 刘晓辉， 汪文虎， 杨应昌， 等． 导向器叶片精铸模具外围辅 助机构参数化设计[ J ] ． 电加工与模具， 2 0 0 7 5 3 6 3 8 ． 【 4 】范元勋 ， 庄亚红， 王华坤． U G二次开发工具的使用[ J ] ． 机械制造与自动化， 2 0 0 2 6 7 0 7 2 ． 【 5 】H O F F M A N C h r i s t o p h M， J O A N A R I N Y O R o b e r t ． C A D a n d t h e P r o d u c t Ma s t e r Mo d e l [ J ] ． C o m p u t e r A i d e d D e s i g n ， 1 9 9 8 ， 3 0 1 1 9 0 5 9 1 8 ． 【 6 】汪文虎， 杨丽娜， 张西涛， 等． 涡轮叶片精铸模具 C A D系统 参数规则库设计[ J ] ． 现代制造工程， 2 O O 5 1 1 7 0 7 2 ． 【 7 】史华杰， 张定华 ， 汪文虎， 等． 涡轮叶片精铸模具知识模 板构建及应用[ J ] ． 航空制造技术， 2 0 0 9 4 8 1 8 5 ． 【 8 】王志峰， 高锦辉， 赵维民． 基于 U G的汽车覆盖件模具的 模板化设计 [ J ] ． 模具工业 ， 2 0 0 7 5 81 1 ．