机床整机模型简化及特性复现方法研究.pdf

机床 整机模 型简化及 特 性复现 方法研 究 王庆福 ，赵 宏林 ，李殿新 ‘ ，吴智恒 ，张华伟 ，张广鹏 ，穆 东辉 ，陈施 光 1 ． 中国石 油大学， 北京 1 0 2 2 4 9 ；2 ． 广 东省机械研 究所 ， 广东广州 5 1 0 6 3 5 ； 3 ． 西安理 工大学， 陕西西安 7 1 0 0 5 4 ；4 ． 北京 第二机床厂有限公 司， 北京 1 0 0 0 7 2 静动态特性计 算时 ，划分 网格较 密 ，节点众多 ，不利 于快速进行定量 的分 析 ，需要从 中提取 性 。由此 提出 了简约模 型关键节点选取原 则。编制相应软件读取结 果数据文件 ，提取相 关节 息 ．绘制 整机及静动态 变形的简约模型 图。以 XK 7 1 3 B立式镗 铣床为研究 对象 ，在建立整机 并利 用编 制的软 件 ．形成 简约模 型 ，进 行特 性复 现。结 果表 明 该 立 1 5 3 2 3 8个节点简约为 l 5 6个节点 ．并且很好地保 留了机 床各 部件 的结构特征和静动态特性 ，为简化后续的定量 关键词 机床整机 ；简约模型 ；信息提取 ；静动 态特性 ；特性 复现 中图分类号 T P 3 9 1 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 0 1 2 - 0 0 2 8 - 0 0 1 前 言 机床是加工制造最基 本的设备 。它的静动态特 性直接 影响着加工精度 和加 工效 率。机床 是由多个零部 件组成 的 复杂组合结构 ，但过去往 往仅限于应 用有限元方法 对机床 同有特性或个别零部件 的结 构优化进 行研究 ，没有 从整机 的静动 态特性 出发定量分 析各零 部件 对加工 特性 的影 响 ， 导致零部件 的结构优 化有一定 的盲 目性 ．使机 床整体性 能 难 以得 到提高 和优化f l - 6 ] 。存 在这些 问题 的根本 原 因是 ， 用 有限元方法进行机床整机静 动态特性计算 时 。划分 网格 较 密 ．节点众多 ，难 以进行定 量的分析 。因此需要 从机床 整机的有限元静动态特性分析 结果 中提炼 出简约模 型及其 与之对应的静动态特性 ，为后 续的定 量分析打下 基础 ，目 前 这方面还缺少研究 。显然 ，提炼 出简 约模型及其 与之对 应的静动态特性必须是原始模 型及其静 动态特性 的忠实反 映 ，为此需要研 究关 键节点的保 留原则 、相关 信息 的提取 方法及简约模型特性的再现 2机床 整机建模及静动态特 性分析 机 床 的机械 结构 比较复 杂 。除 了有 床身 、立柱 、滑 座 、下 作台 、主轴 箱 和主轴 等 结构 本体 之 外 ．还有 像 螺 栓 、导轨 、轴 承 、锥柄等结合部 ，这些结合 部对机床整 机 的静动态特性有 着不 可忽 视的影响 7 -- 9 1 。因此 ，建立机 床 整机的有限元模型时 ．不仅要 对结构本 体进行有 限元网格 的划分 、确 定边 界条 件 ，还 要加 入各 结 构之 间 的连接 参 数 ，以等效结合 面特性 的影响 。除 此之外 ，为了保证机 床 整机静动态特性分析 的精 度 ．必须要求 结构本体 的网格划 {广东省科技计划项 目 编号 2 0 0 8 A 0 1 0 3 0 0 0 0 5 ； 专项 编号 2 0 0 9 Z X 0 4 0 1 4 0 3 2 。2 0 0 9 Z X 000 0I l 2 2 收稿 日期 2 0 1 0 ～ 1 l O 2 分 达到 一定 的密度 。由此 导致 机床 整机 的 节点数 比较庞 大 。 图 l是 X K 7 l 3 B立式 数控镗 铣床 的整 机有 限元模 型 。 机床结 构选 用 四面体单 元 S o l i d 9 5进 行 自由 网格 划分 ，并 选用弹簧阻尼单元 C 0 MB I N1 4等效各结构之间 的结合 面特 性 ，共生 成 1 5 3 2 3 8个节 点和 8 0 8 7 4个单 元。经 A N S Y S有 限 元计 算 ，X K 7 1 3 B立式 数控 镗铣 床 刀具 和T 件之 间 、 J ， 、 三个 方向的相对 静刚度分 别为 麟 I 9 4 2 3 N ／ m m、 2 7 3 3 O ／ m m、K z 2 9 6 1 4 N ／ mm。X K 7 1 3 B立 式 数控 镗铣 床前 1 O阶 固 有 频 率 振 型 分 析结 果 如 表 l所示 。 图 l X K 7 1 3 B立式数控镗铣床整机有限元模 型 广东省现代制造 技术重点 实验室开放 基金课题 编号 G A MT K 2 0 1 0 0 1 ；国家科技重 大 制造 业信 表 l XK 7 1 3 B立 式 数 控 镗 铣 床 整 机 前 l 0阶 固 有频 率 振 型 分 析 3简约模型关键节点的选取原则 机 床 整 机 经 AN S YS有 限 元 分 析 后 生 成 大 量 的 原 始 网 格 节 点 及 其 相 关 的 信 息 ， 用 Re a d I n p u t f r o m 命 令 读 入 AP DL命 令 流 文 件 ，可 以将 全 部 的节 点 及 其 坐标 信 息 导 出 ， 并保存在文本文档中 [ 1 0 - 1 2 。很 显然 ，这 是一个庞大的数据 文 件 。为 了方 便 后 续 的定 量 分 析 ，减 少 数 据 分 析 量 ，要 提 取 出少量 的关键节点及其相关信 息。天键节点 的选取 要遵 循 以下 几 条原 则 1 要保持机 床整机的外部外廓 ； 2 要保 留刀具端点和工件 中心点 ； 3 要 保 留结 合面 连 接 处 的 四 个 角 连 接点 ； 4 要体现机床整机的静形变特征； 5 要反 映机 床 整 机 的 振 型 。 按照以上 几条原则将机床的关键 节点 筛选出来 ，保存 在 文 本 文 档 l中 ．用 编 制 的 软 件 提 取 这些 关 键 节 点 的 坐 标 信息 ，以生成简约模型节点号及相应 坐标 信息的文本文档 2。 利 用 文本 文档 2的 信息 ，可 以从 行 限 元 整 机 的 静 态 分 析结果 中提取 与简 约模 型节 点相对应 的三 向位移值 ，保存 在文本文档 3中。 同样利用文本文档 2的信息 ，可 以从有限元整 机的动 态分 析结果 中提取 与简约模 型节点 相对应 的i 向振 型值 ， 保 存 在 文 本 文 档 4中 。 上述过程会生成多个文本文档 ，编制的软件 中已有默 认 的 文 档 名 称 ．但 用 户 也 可 以 【 } j 自命 名 的 方 式 来 确 定 文 件 名 ，便于后续绘 图过程 的调用。 4特性复现软件 的设计 特性 复 现 软 件 的 功 能 主 要 是 根 据 上 述 过 程 形 成 的 一 系 列 文 本 文 档 。绘 制 出 机 床 整 机 的 简 约 模 型 、简 约 静 形 变 图 和各阶简约振型图 ．以检验保 留的关 键节点是否正确 ，同 时 还 可 以 检验 简 约模 型 的 静 动 态 特 性 是 否 是 原 始 模 型 静 动 态 特 性 的 复 现 。 特 性 复 现 软 件 的 设 计 需 要 ANS YS R R e l e a s e 1 2 ． 0 ． 1和 G c c V e r s i o n 3 ． 3 ． 1 2 0 0 3 0 8 0 4 一 1 的 支 持 ，其 流 程 如 图 2所 示 。 图 2 机床整机特性复现软件设计流程图 由图 2可以看出 ，特性复现软件开 始运行 之后 ．首先 要 通 过 ANS YS软 件 建 立 含 有 结 合 面 等 效 特 性 参 数 的 机 床 整 机模 型 ，再 进 行 整机 静 动 态 特 性 计 算 。 由此 产 生 了 大 量 的结果 数据 文件 ，包 括网格节点的坐标信息 、静 态分析后 的静态 位移 、动态分析后 的多阶振型等 ，用 A P D L命令 流 将这些信息提取 出来 ．保存 为用户定义的格式 。有 了这些 数据后 ．再根据关键节点 的选 取原则 ，选定机床 主要结构 件 的关键节点 ．并将关键节点 的坐标信息 、静态坐标 和各 阶 振 型 值 提 取 出 来 。 通 过 调 用 编 写 的 简 约 模 型 图 绘 制 程 序 ．绘制出简约模型 图、静态变形图及各 阶振型图。 由于静形变值和振型值与机床结构 的几 何尺寸相 比都 比较微小 ．所 以如果不将静形变值 和振 型值放大 ．就难 以 进行直接观察 ，因此需要将静形变值 和振型值放大一适 当 的倍率 ，一般取倍率值为 1 0 0 0 。同时为便于观察 ，在简约 模型图的绘制过程中还用不同颜色 的虚线来代 表不同的含 义 。 在 简约 模 型 绘 制 过 程 中 ，要 调用 Op e n GL图形 函数 库 ， 并 定义图形 压缩 比例 、图形绘制线体 、模 型颜 色 、旋 转角 [二] 丑 业 信 息化 度等_ l2 】 。由于将机床 各部件 简约为 长方体 ，因此 程序 中 仅定 义 了矩 形框的绘 制 ．然后 将各 顶点 按顺 序连线 成体 。 O p e n G L是 图形硬件 的一种 软件接 口。具 有高度 的可移 植 性 ，拥有 非常快 的渲 染速度 。但 O p e n G L并 不是一种 编程 语言 ．而是一个可 移植 性高的 函数库 ．将此 函数库 移植于 C语言 中 ．可以让绘制 出的 图形 更加形 象化 。运 用 G I R o ． t a t e f 函数可 以使 图形旋转 任意角 度 ，G 1 O r t h o 函数 可 以创建一 个正 交平行 的视 景体 ，G 1 V i e w p o r t 函数 可 以缩小绘网区域 ．G l u L o o k a t 函数 可以改变不同 的观 察 点 ，让 用 户从 不 同 的 角度 或 方 位 观 察 图形 。 以下是用 C 9 9标准 语言并调 用 O p e n G L图形 函数库 编 程开发的机 床整机简约模型绘制软件 的部分源代码 i n c l u d e ／ 引用 库 函数 ／ d e f i n e X I S U 0 ． 7 0 7 * 0 ． 5 ／ 定 义压缩 比例 ／ v o i d d r a w b o x fl o a t X 1 ， fl o a t Y l ， fl o a t Z l ， fl o a t x 2， fl oa t y 2， fl o a t z 2， flo a t x 3， flo a t y 3， flo a t z 3， flo a t x 4， fl o a t y 4．fl o a t z 4 ／ }绘 制 矩 形 ／ v o i d i n i t v o i d ／ 颜 色 模 型 初 始 化 ／ f g l C l e a r C o l o r 1 ． 0，1 ．0。 1 ． O，1 ． 0 ； g l S h a d e Mo d e l GL F L AT ； l v o i d d i s p l a y v o i d f g l C l e a r GL COL OR B UF F ER _ B I T ； g l C o l o r 3 f O ． 0， 0 ． 0， 0 ． 0 ； ／ 定义线体颜色为黑 色 ／ g l R o t a t e f 2 O， 1 ．0，0 ． 0，0 ． 0 ； ／ 旋转角度为 2 0度 ／ n o d e i[ 1 5 6 ] f o f o p e n “ 关键节点坐标． t x t ” ， ⋯ r ’ ； ／ 调用 关键点坐 标文件 ／ g l L i n e S t i p p l e 1 ，O x 肼 ； ／ 线体 为实线 ／ f o r i 0；i l 5 6；i i 4 图 3 立 式 镗 铣 床 网格 模 型 图 { d r a w b o x n o d e _ i[ i ]． x ，n o d e - j[ i ]． Y ，n o d e _ i[ i ]． z， n o de__i[ i 1 ]． x ，n o d e _ i[ i 】 ]． y ，n o d e _ i[ j 1 ]． z ， no de _i[ i 2 ] ． x ， n o d e i[ i 2 ] ． Y ， n o d e i[ i 2 ] ． z ， n o d e _ j[ i 3 ]． X ，n o d e ． i[ i 3 ]． Y ，n o d e _ i[ i 3 ]． z ； g l F l u s h ； 1 ／ 绘 制 矩 形 框 ／ v o i d r e s h a p e i n t W，i n t h f g l Or t h o 0 ． 0， 2 2 0 0 ． 0， - 8 0 0 ． 0， 2 0 0 0 ． 0， -1 8 0 0 ． 0， 1 8 0 0 ． 0 ； l ／ }定 义原点和观察点 ／ i n t ma i n i n t a r g c，c h a r a r g vj {g l u t l n i t Wi n d o w S i z e 1 0 0 0，7 0 0 ； ／ 定 义 窗 口大 小 ／ g l u t l n i t Wi n d o w P o s i t i o n 0 ，0 ；／ 定 义窗 口位置 ／ r e t u m 0 ； } 5简 约模 型及特 性复现示例 图 3和 图 4是以 X K 7 1 3 B立式 镗铣床为例 ．将 有限元 原 始模 型 与 简约 模 型 作 对 比。 虽然 有 限元 原 始 模 型 有 1 5 3 2 3 8个节点 ，而简约模 型只保留了 1 5 6个关键节点 ，但 从图 3和图 4可 以看 出．简约模 型不仅保 留了原 始模 型的 外形 ，还保 留了结合面连接处 的四个角连接点 ，同时在零 部 件相对 比较长 的尺寸方 向上 还多保留 了一些点 。为的是 使简约模型能够体现原始模型 的静形变特性 和各 阶振 型特 性 。图 5和图 6是 XK 7 1 3 B立式 镗铣床 有限元原始模 型与 简 约 模 型 的 X 向静 形 变 图 。 图 7和 图 8是 XK7 1 3 B立 式 镗 铣床有 限元原始模 型与简约模 型的第 l 阶振 型图 。南图 5 至 图 8可以看 出 ，简约模型不仅很好地 保留和恢复 了原始 模型 的静形 变特 征和振型特征 ，而且 可以大大减小后续进 行定量分 析的工作量 ．特别是定量分析 各零部件形变 和振 型对工件或 刀具端点的影响。 6总 结 根据机床的结构特点 ，建立了含有机床结 合面等效特 图 4 立式 镗铣 床简约模型图 制造 业信 图 5 静态 X方 向施力网格变形图 图 7 第 一 阶 动态 有 限元 振 型 性参数 的机床整机 原始模型 ．并 进行 了静动 态特性分 析 ， 提 出 了 简 约 模 型 的关 键 节 点 保 留原 则 ， 编 制 了 简 约 模 型 绘 制 、信息提取和特性复现软件 。简约模 型的关键节点既要 保 留机床整机外形特 征点 、结合面连接特征 点 ．还要保 留 体现静形变和振 型的特征点 。以 X K 7 1 3 B立式数控镗铣床 为例 ，验 证 了 简 约模 型信 息 提 取 和 特 性 复 现 的 正 确 性 。这 些 特 征 点 的保 留 和相 关 信 息 的 正确 提 取 ，可 以保 证 机 床 整 机特性的准确复现 ，为简化后续的定量分析打下 了基础。 参考文献 [ 1 ]王宏．基于 A N S Y S的车床主轴箱的受 力分析[ J ]．机械管理 开 发 ，2 0 0 9 0 1 5 - 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