三自由度并联机床动态有限元分析.pdf

第 6期 2 0 1 2年 6月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l ar M a c hi n e To o l Aut o m a t i c M a nuf a c t ur i ng Te c h ni q ue NO． 6 J u n ．2 0 1 2 文 章 编 号 1 0 012 2 6 5 2 01 2 0 60 0 4 90 4 三 自由度并联机床动态有限元分析 术 董 旭 ， 李 蕊 ， 杨 墨 1 ． 北 华航 天2 1 -_ 业学 院 ， 河北 廊坊0 6 5 0 0 0 ； 2 ． 河北工 业大 学 ， 天津 3 0 0 1 3 0 摘要 对并联机床进行动态性能分析有着重要意义。应用工程分析软件 ， 建立 了一种 三 自由度并联 机 床整 机 的有 限元模 型 ， 对整机 进 行 了模 态分 析 ， 提 取 了整 机 前 十 阶 固有 频 率和 振 型 。 为 了解各 阶 频 率 对机床 动栽 荷 的响应 情 况 ， 在 模 态分 析 的基 础 上 对 整机 进 行 了谐 响应 分 析 ， 得 到 了动 平 台、 球 铰 、 滑鞍 等 关键部 位 的频 率位 移响 应 曲 线 。分析 结 果 表 明 ， 机 床 的第 2阶和 第 4阶 固有 频 率 对机 床 动态性能影响最大。球铰结合部为机床结构中薄弱环节， 由此提 出了机床结构优化设计建议 ， 将球 形铰链 更换 为虎 克铰 链 ， 从 而提 高 了机床 的 动 态性 能 。 关键词 并联 机床 ； 有 限元 ； 模 态分析 ； 谐 响应 中图分 类 号 T G 1 1 2 文献 标识 码 A Dyn ami c Fi ni t e El e me n t Ana l ys i s f or t h e Thr e e De g r e e s o f Fr e e do m Pa r a l l e l M a c hi ne To o l DONG Xu ，L I Ru i ，YANG Mo 1 ． No r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f Ae r o s p a c e E n g i n e e r i n g ，L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0，C h i n a ；2 ． He b e i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，T i a n j i n 3 0 0 1 3 0， C h i n a Ab s t r a c t Th e d y na mi c c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s i s v e r y me a n i n g f ul f o r pa r a l l e l ma c h i n e t oo 1 ． Us i n g e n g i - ne e r i n g a na l y s i s s oftwa r e，t he f i n i t e e l e me nt a n a l ys i s mod e l o f t h r e e d e g r e e s o f f r e e d o m pa r a l l e l ma c h i n e t o o l wa s e s t a b l i s he d， mo d a l a n a l y s i s o f wh o l e ma c h i n e wa s c a r r i e d ou t ，t e n f o r m e r n a t u r a l fre q u e nc i e s a n d v i r b r a t i o n mo d e s we r e g a i n e d． I n o r d e r t o ud e r s t a n d a l l s t e p s fre q u e n c y m o v e d the l o a d e d r e s p o ns e s i t u a t i o n t o t h e ma c h i n e， ha mo n i c r e s po n s e t o t h e wh o l e ma c hi ne wa s a n a l y z e d，r e s po n s e c u r v e o f fre q u e nc y a n d d i s p l a c e me n t f o r k e y c o mp o n e n t s s u c h a s mo v i n g p l a t f o r m ， s p he r i c a l h i n g e s a n d s l i d e s a d dl e wa s g a i n e d．Th e r e s u l t s s ho w t ha t t h e m o s t i n f l u e n t i a l fre q u e nc i e s o f t h e d y na mi c p e r f o r ma n c e a r e t h e s e c o n d s t e p fr e q u e n c y a n d t h e f o u t h s t e p fre q u e n c y ．Th e we a k l i n k o f t h e ma c h i n e a r e s p h e r i c a l h i n g e s j o n n t s ， t h e r e f o r e o pt i mi z a t i o n s ug e s s t i o n s for ma c h i n e’S s t r u c t u r e d e s i g n we r e pr o p os e d，t h e n c h a n g s p he r i c a l h i n g e s for h o o k j o i n t s t o i mp r o v e t h e d y n a mi c p e r f o r ma n c e ． Ke y wo r d spa r a l l e l ma c h i n e t o o l ；f i n i t e e l e me n t ；mo da l a n a l y s i s ；ha mo n i c r e s p on s e 0 引 言 并联机床由于采用并联机构驱动 ， 具有高刚度 、 结 构 稳定 、 定 位精 度 高 、 重 量轻 、 运 动 惯 性 小 等优 点 ， 有 着 良好 的 工 业 应 用 前 景 。并 联 机 床 在 工 作 过 程 中 ， 往 往受 到动态 载荷 的作 用 ， 动 态 载荷 严 重影 响着 机 床 的加 工精度 和稳 定 性 。 因此 在 机床 设 计 过程 中需 要 对机 床进行 动 态 性 能分 析 。 动态 性 能 分 析 包 括模 态分 析 、 谐 响应 分 析 、 瞬态 分 析 、 谱分 析 等 ] 。 机床模态分析是用来确定机床 的振 动特 性， 即确定 机 床 的固有频 率 和振 型 。模 态 分 析是 其 他 动态 性 能 分析的 起点 。谐 响 应分 析 是 确定 机 床 在 已知 承 受 随时 间 按 简 谐 规 律 变 化 的载 荷 作 用 时 的稳 态 响 应 。 。 。该技 术 用 于 计 算 机 床 结 构 的稳 态 受 迫振 动 。 谐 响应分 析使 得机 床设 计 人 员 能 预测 结构 的持 续 动 力学 特性 ， 从 而能 够 验 证 机 床 能 否 克 服 疲 劳 共 振 及 其他 受迫 振动 引起 的 影 响“ 。本 文对 一 种 三 自由度 并联机床进行 了模态分析和谐响应分析 ， 找到了机 收 稿 日期 2 0 1 11 1 1 8 ； 修 回 日期 2 0 1 11 2 0 9 基金项 目 廊坊市科技支撑计划计划项 目 2 0 1 0 0 1 1 0 2 4 ； 北华航 天工业学 院基金项 目 K Y一2 0 0 9 0 6 作者简介 董旭 1 9 8 1 一 ， 男， 河北保定人 ， 北华航天工业学 院讲师 ， 硕 士， 主要从 事于机械制 造及 自动化 技术研究 ， Ema i l d o n g x u 3 1 1 1 6 3． e o m。 5 2 组合 机床 与 自动化加 工技 术 第 6期 到了当激振频率在 0到 1 0 H z时候 的机床关键部位 的位 移 响应 曲线 。其 中第 5 0 6 4 8号节 点 的位 移 响应 曲线 如 图 6所 示 。横纵 坐标 分别代 表频 率 H z 和 位 移 m m 。图 6 a是该点 沿着机 床 方 向的 响应 曲 线 ， 图 6 b是 该 点沿 着 机 床 Y方 向 的响 应 曲线 ， 图 6 c 是 该点 沿着 机床 z 方 向的响应 曲线 。 ．8 ．7 2 ．6 4 ．5 6 ．4 8 -4 - 3 2 ．2 4 ．1 6 ．0 8 0 I I f1 ．1 ．0 9 ．0 8 ．0 7 -9．0 6 墨．0 5 ．0 4 ．0 3 ．0 2 ．0l 0 F R E Q a 坊 向位移响应曲线 I I l | l J V 、 1 F R E Q ，方 向位移响应曲线 f 1 f 1 f l 1 | 、 ～ 一 ／ ‘＼ I’刖 c z 方向位移响应曲线 图 6动平台 中心点幅频响应 曲线 4结果分析 1 从 谐 响应分 析 图可 以看 出 ， 在 Y向激 振 力 的 作用下 ， 机床动平台 轴向动态位移幅值在第 2阶固 有频率约 2 ． 5 H z 处有明显 的峰值 ， Y轴向动态位移幅 值在第 4阶固有频率 约 3 ． 6 H z 处 有明显 的峰值 。 轴向动态位移幅值在第 2阶固有频率附近时出现较 大的峰值。从机床 的模 态分析的振型可 以看 出， 三 自由度并 联 机床 第 2阶振 型 是机 床静 平 台和三 组 支 链整体前后摆动， 方向和 z 方 向振动位移较大。第 4阶振型 是左 侧 的滑 鞍 和 支链 与右 侧 的滑 鞍 和 支 链 分别相相反方 向上下摆动 ， Y轴 向振动位移较大。 2 对 于 动平 台 中 心而 言 ， 轴 向动 态 位移 在 数 值上最大， 比 Y轴动态位移高约一个数量级 ， z 轴 向 动态 位移 最小 。 3 从 机床模 态分 析振 型 图可 以看 出 ， 在 球 铰 与 滑鞍 结合 部 、 球 铰 和动 平 台结 合 部 、 支链 的相 对 位 移 较 大 ， 并 且 出 现 了应 力 集 中现 象 。机 床 在 实 际 工 作 的时候 ， 这些部位是薄弱环节。 4 并联机 床 系统是 由各 个部 件 装 配起 来 的 ， 当 动平 台受到外加动载荷作用时 ， 球 铰结合 部的结合 面间会 产生 小 幅度 的振 动 。整 机 系统 包 含很 多结 合 部 ， 其 中传动机构 中的丝杠驱动系统静刚度 ， 起 连接 和支撑 作用 的部 件静 刚 度 以及 支链 的静 刚 度都 会 对 整个机床的动态性 能产生很大 的影响， 所 以建议在 避开机床共振 区前提下， 可 以通过提高结合部 位的 加工 质量 、 增 加 结 合 部 的预 紧力 的方 法 来 提 高 结 合 部的静刚度 ， 从而改善机床动态特性 。 5 将 机床 薄弱 环节部 件 材质 更 换 为抗 振 材 料 ， 可 以提 高机床 静 刚度 ， 从 而提 高机 床 的动态 性能 。 6 从结 构优 化 的角度 考虑 ， 可 以将 球 铰更 换 为 虎克铰来提高机床薄弱环节的动力学性能。 5 结束语 基 于有 限元 方 法 ，对一 种 三 自由度 并 联 机 床 进 行 了动态性 能 分 析 ， 得 到 了并 联 机 床 整 机 的前 十 阶 固有 频率 及 振 型 图 ； 在 此 基 础 上 通 过 对 机 床 进 行 谐 响应 分 析 ， 得 到 了动 平 台在 简 谐 载 荷 力 作 用 的 振 动 位移特性。分析 了整机结构设计 中的薄弱环节 ， 指 出了机床应避开 的工作频率 ， 为并联机床 的结构优 化设计 和控 制提 供 了理 论依 据 。 [ 参 考文献] [ 1 ]刘伟 ， 高维 成 ， 于 广滨．A N S Y S 1 2 ． 0宝典 [ M] ．北 京 电 子工业出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ]赵兴玉 ， 黄 田．并联 机床进 给传 动系统 弹性 动力学 建模 方法研究 [ J ] ．振动工程学报 ， 2 0 0 1 2 1 9 62 0 0 ． [ 3 ]关英俊 ， 赵扬 ， 任 利利 ， 等．X K 2 4 2 5 ／ 5 L五轴龙 门铣 床 主 体结构有 限元分 析 [ J 】 ．组 合 机 床与 自动 化加 工技 术 ， 2 0 1 0 1 2 59 ． [ 4 ]陈国荣 ， 唐绍 华 ．振 动 电动 机 主轴 的动 态 有 限元 分 析 [ J ] ．现代制造工程 ， 2 0 0 9 1 2 5 6 5 9 ． [ 5 ]田东升 ， 邹平 ， 刘永贤 ， 等．基于 A N S Y S的二并联 数控螺 旋面钻 尖 刃 磨 机 床 的 模 态 分 析 [ j ] ．机 械 制 造 ， 2 0 0 8 1 2 2 72 9． [ 6 ]孙彦锋．基于 A N S Y S的龙 门起重 机结构 系统 谐 响应 分 析 [ J ] ．现代机械 ， 2 0 0 9 5 3 23 3 ． [ 7 ]付铁 ， 丁洪生 ， 李金泉．B K X I 型并联机 床 的谐 响应分 析 [ J ] ．现代制造工程 ， 2 0 0 5 9 3 2 3 3 ． [ 8 ]朱春霞 ， 蔡光起 ， 杨斌久．基于 A N S Y S的 3 一 T 并联机 床 静刚度有限元分析 [ J ] ．制造技术与机床 ， 2 0 0 6 8 4 8 5 1 ． [ 9 ]张红松．A N S Y S 1 2 ． 0有 限元分 析从入 门到精通 [ M] ．北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 1 0 ]李金泉 ， 付 铁 ， 栾 振兴．B K X I 型 并联 机 床动力 学分 析 [ J ] ．北京 邮电大学 学报 ， 2 0 0 8 5 4 0 4 3 ． 编辑赵蓉