基于ANSYS对数控机床防护门的瞬态分析及优化.pdf

1 6 0 机械 设 计 与制 造 Ma c hi ne r y De s i g nM a n u f a c t u r e 第 3期 2 0 1 6年 3月 基于 A N S Y S对数控机床防护 门的瞬态分析及优化 张帅， 吴腾达 ， 张长 青海大学 机械工程学院， 青海 西宁8 1 0 0 1 6 摘要 防护门作为数控机床的主要安全部件， 其结构强度和刚度对机床的安全性起着至关重要的作用。 在投入生产前． 运用仿真软件进行优化设计往往能在很大程度上提高其质量并节约大量成本。以青海重型机床厂生产的数控机床防护 门为研究对象， 通过 S o l i d w o r k s 软件建立防护门壳体的三维实体模型， 利用 A N S Y S软件对防护门壳体的不同区域施加 一 系列冲击栽荷， 进行有限元瞬态分析， 仿真得到了该壳体在不同工况下的应力、 位移云图。 在此基础上对防护门壳体的 结构进行优化， 优化结果表明 当防护门壳体采用圆角结构时， 极大地提高了其稳定性和抗冲击性能。 关键词 机床防护门； A NS Y S； S o l i d w o r k s ； 有限元； 瞬态分析 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 6 0 3 - - 0 1 6 0 - 0 3 Tr a n s i e n t An a l y s i s a n d Op t i mi z a t i o n o f CNC Ma c h i n e Pr o t e c t i o n Do o r B a s e d o n ANS YS Z HANG S h u a i ， W U Te n g - d a ，Z HANG C h a n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Q i n g h a i U n i v e r s i t y ， Q i n g h a i X i n i n g 8 1 0 0 1 6 ， C h i n a A b s t r a c t A s t h e rl I ,f t i n s e c u r i t y c o m p o n e n t s o fC N C m a c h i n e t o o l s ， the p r o t e c t i v e d o o r ’ s s t r u c t u r a l s t r e n g t h a n d s t if f nes s p a ni m p o a a r o l e i n k e e p i n gt h e m a c h i ne s a f e ． B e f o r e p u t t i n gi n t o p r o d u c t i o n ， u s i n gt h e s i mu l a t ion s o ft w a r e t o o p t i m i z e des i C O I t g r e a t l yp r ave t h e q u a l i t y a n d r e d uce c o s ts ． S o r e g a r d i ng t h e p r o t e c t i v e d o o r ofC N C ma c h i ne t o o l s ， w h i c h p r o d uce d b y q i n g h a i He a v y Ma c h i ne C o m p a n y ， t h e r e s e a r c h o b j e c t i t s h o u l d b u i l d t h r e e - d i m e n s i o n a l s o l i d m o d e l b y S o l i d w o r k s fi r s t l y ， t h e n g e t s t h e mo d e l i n t o A N S Y S t o a p p l y a s e r ie s o fi m p a c t l o a d o n a n d l n e s t r a n a ien t fin i t e e leme n t a n a l y s i s ， i n o r der t o o b t a i n i n g t h e s t r e s s a n d d is p l ace me n t n e p h o gra r n ，w h i c h is s i mu l at e d i n d iffe r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n s ．O n t h i s b a s i s w e o p t i miz e t h e s t r u c t u r e ，a n d t h e o p t i miz ati o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t a b i l i t y a n d i m pact r e s i s t a n c e a r e g r e atl y e n h a n c e d b y usi ng t h e l e t s t r u c t u r e o n t h e p r o t e c t i v e d o o r s h e l l Ke y W o r d s T h e Pr o t e c t i v e Do o r o f CNC； ANS YS ；S o l i d wo r k s ；nn i t e El e me n t An a l y s i s ； Tr a n s i e n t An a l y s is 1引言 机床作为先进制造技术和加工制造信息集成的重要元素， 是发展机械制造业以及工业生产不可或缺的加工工具。 数控机床 是能够通过微型计算机控制来完成毛坯零件加工成所需形状， 以 满足尺寸精度和几何精度要求的母机总称哪 。 同时， 数控机床作为一种自动化的生产加工设备， 其安全性 是十分重要的。 目前， 随着各类零件加工技术要求的不断提高， 带 来了诸多安全问题， 如撞车、 控制失常、 热变形、 刀具破损等， 对机 床和工作人员安全造成一定程度的威胁， 甚至对环境产生较大的 污染闭 。 防护门作为数控机床重要的安全部件， 主要起保护作用。 在 机床的实际使用过程中， 当意外发生时， 它承受着较大的冲击载 荷， 其瞬时抗冲击性能的好坏对整个数控机床的安全性和可靠性 有着重要影响固 。 为使数控机床防护门具有良好的抗冲击性能， 在 设计时要求该壳体具有较高的强度和刚度， 并且尽可能的降低其 厚度。为此利用 A N S Y S中的有限元瞬态分析以评估该壳体的结 构设计和性能优劣， 这样一方面避免了设计中的盲目性 ， 另一方 面可以在一定程度上降低成本的投入， 为产品的升级改进提供有 效的理论支持。 首先， 利用 S o l i d w o r k s 软件对防护门进行三维实体建模 ， 并 将在 S o l i d w o r k s 中建好的防护门模型导入到 A N S Y S中进行有限 元瞬态分析， 求解出在不同冲击载荷作用下该壳体的应力、 应变 情况， 进而根据分析结果对防护门的结构进行进一步的改进和优 化。 2模型的建立 数控机床防护门的外形结构较为复杂， 在建立防护门的三 来稿 日期 2 0 1 5 0 8 1 7 基金项目 青海省科技厅“ 1 2 3 科技支撑平台建设计划” 资助项 目“ 高档卧式加工中心可靠性分析与试验技术研究” 2 O 1 G - Y _ 2 5 A 一 8 作者简介 张帅， 1 9 9 4 - - ， 男， 山东济宁人， 本科， 主要研究方向 C A D ／ C A M， 数控机床可靠性及数字化造型设计的研究； 张长， 1 9 7 8 一 ， 男， 陕西固县人， 硕士研究生， 副教授， 主要研究方向 C A D ／ C A M， 数控机床可靠 第 3期 张帅等 基于 A N S Y S对数控机床 防护 门的瞬态分析及优化 1 6 1 维模 型时 ， 需要对其进行一定的简化 1 假定 防护 门材料为均质 线弹性材料； 2 删除对分析影响不大的工艺孔、 螺纹孔等； 3 对 于防护门的滑轨 、把手等对抗冲击性能影响较 小的地方 忽略不 计； 4 将防护门简化成一薄壁壳体， 上下两个平行面固定； 5 对 于观察窗处 ， 由于玻璃的刚度较大 ， 故此处忽略玻璃 的影响 。 防 护门长为 1 2 0 0 mm， 高 为 1 2 5 0 mm， 厚度为 3 mm。其防护门实际图 片与简化后模型 ， 如图 1 所示 。 利用 S o l i d w o r k s 软件建立防护门的简化三维模 型， 然后利用 A N S Y S和 S o l i d w o r k s 之间的无缝连接， 进行模型数据交换， 避免 了导人过程 中元素的丢失。 图 1防护 门的实际图片及简化模型 F i g ． 1 Pr o t e c t i v e Do o r Ac t u a l Pi c t u r e s a n d S i mp l i fi e d Mo d e l 3有限元分析 3 ． 1瞬态分析理论基础 瞬态动力学分析 又称时间历程图 ， 是一种用于确定承受 任意随时间变化载荷的结构动力学相应的方法。 它可 以用来确定 结构在静力载荷、 瞬变载荷和简谐载荷的任意组合下应力和应变 随时间的变化关系， 其动力学方程为161 Mi c u KU F t 、 A N S Y S通过 N e w m a r k时间积分对上式进行求解 。 N e w- m a r k 法基本原理如下 其基本假设为 。 I 1 ． J △ ￡ △ 『 ． ] △ t 式中 O t ， - - N e t w o r k积分参数 根据精度和稳定适当调节 ； 其中 △ t 。 - --t ； ， ， - - - t ， 时刻的节点位移、 速度和加速度； ， ， ， -- t 。 时刻的节点位移 、 速度和加速度。 3 - 2 网格单元类型的选择 在运用 A N S YS 有限元软件进行分析时， 考虑到数控机床防 护门为薄壁壳体， 故采用 S H E L L 6 3 壳单元对模型进行网格离散。 S H E L L 6 3为4节点弹性壳单元， 具有弯曲和膜特性， 能承受面内 和法向荷载。该单元每个节点有 6 个 自由度， 即沿节点坐标系 、 Y和 方向的平动位移和绕各轴的转动位移。 图 2 S H E L l 6 3单元应 力和内力输出 F i g ．2 S HE LL 6 3 S t res s e s a n d I n t e m a l F o r c e s Un i t Ou t p u t T OP MI D BOT 单元输出， 如图2所示。单元应力平行于单元坐标系， 内里 包括垂直 轴面上的弯矩MX和张力 ，垂直Y 轴面上的弯矩 MY和张力 y， 以及扭矩 MX Y和剪力 T XY 。这些内里均位于单 元坐标轴下 ， 在单元任一边上内里相同， 且均为单元单位长度 卜 的内力7 1 。 3 ． 3材料参数的选择 该防护门为冷轧钢压制而成， 其材料 性能参数 ． 如表 1 所示。 表 1材料性能参数 T a b ． 1 Ma t er ia l P r o p e r t i e s 属性名称 数值 单位 弹性模量 泊松 比 屈服强度 抗拉强度 密度 3 ． 4步长的选择 时间步长 的选择是瞬态分析 的关键 ， 其大小 决定 了瞬态 分析的精度。时间步长越小精度越高 ， 但如果太小则会造成计算 资源的浪费， 相反太大会引发高阶模态相应误差， 影响整体响应。 其中， △ ￡ 的选取根据实践表明有如下关系 式中 卜 所关心的最高频率。 载荷突变时要有足够小的时间步长才能捕捉到载荷的突 变， 而在接触问题时， 时间步长应能捕捉到两个接触体之间的能 量传递l圳 。 △ z 、 ／ 式中； 接触频率； 接触间隙刚度； m 等效质量。 3 ． 5加载和求解 数控机床加工过程中， 有时会出现零件脱离卡具， 以较高的 速度向机床壳体发生撞击， 轻则引发机床壳体的变形， 若冲击载 荷大于机床壳体的强度极限则会造成一系列安全事故。 防护门的区域划分， 如图 3 所示。 将冲击载荷的作用位置划分 为两个区域，分别为区域 1 和区域 2 ，冲击载荷分别为 1 6 0 0 0 0 g 、 2 0 0 0 0 0 g 、 2 4 0 0 0 0 g 和 2 8 0 0 0 0 g 。 其作用在 O ． 0 1 0 ． 0 1 m的面积上， 即等效为 1 6 0 M P a 、 2 0 0 MP a 、 2 4 0 MP a 和 2 8 0 MP a 。 图 3防护门的区域划分 F i g ． 3 P r o t e c t i v e Do o r Ar e a Di v i s i o n 运用 A N S Y S求解其前 2 5阶模态解， 使用模态叠加瞬态分 析， 施加时问为 0 ． O 0 1 s 的历程载荷 ， 其时间步长最小为 0 ． O 0 0 1 s ， 最大为 0 ． O 0 1 s 。使用 P o s t 2 6对随时间变化的载荷结果进行后处 理， 显示位移云图并绘制位移时间曲线， 如图 4 所示。 G 3 M M加 ∞训删 2 2 4 7 l 6 2 机械 设计 与 制造 No ． 3 Ma r ． 2 01 6 d 2 8 0 MP a冲击裁荷下的化移云图和位移一 时问『 抖 1 线 4区域 1 处的位移云图 F i g ．4 Di s p l a c e me n t Co n t o t i t s o f Re g i o n 1 域 l 处的位移云 ， 如图 4所示 。随倚载 由 1 6 0 MP a 逐渐 增大到 2 8 0 MP a ，区域 l处的形变 由 1 ． 0 8 8 4 1 mm逐渐增大剑 1 ． 9 0 4 1 l mm， 即将达到其屈服极限， 其最大形变发生存荷载作』 f J 点处 ， 最大形变量 ， 如表 2 所示。 表 2 区域 1处最大形变 Ta b ．2 Th e Ma x i mu m De f o r ma t i o n o f Re g i o n 1 区域 2处的位移和应 力云图， 如图 5 、 冈 6所示 2 8 0 MP a 载荷的作用下， 其发生了较大的形变， 壳体在很大程度 l 发生 J 扭曲变形 ， 同时 ， 区域 1 与区域 2 底部连接处变形较大 ， 受到较强 的拉伸作用 ， 足整个壳体的危险点。 图 5 区域 2处的位移 2 j 网 F i g ．5 1 i s p l a c e me n t Co n t o u r s o f Re g i o n 2 圈 6Ⅸ域 2处的应力云图和应 力一 时间『f f l 线 F i g ．6 Di s p l a c e me n t C o n t o u r s o f Re g i o n 2 a n d S t r e s s - 1 i me Cu r v e 4结构的优化 通过前义的分析， 不难发现， 域 2 处受到冲击载荷作用时， 壳体发生了很大程度的扭转变形和应力集巾， 因此在加载方式不 变的前提下， 将其改为网角结构进行有限元瞬态分析 区域 2 处的位移云图， 如 图 7所示 。由网角结构的位移云 【 1 r 以看 ， 在相同荷载 2 8 0 MP a 的作用下， 其壳体并未发 较-人 的变形 ， 也未出现图 5 所示的扭曲； 区域 2处的应力云l殳 1 和应力一 lt ,1 1“fi ] 曲线， 如冈 8 所示。 圆角结构的虚力云图中应 较小， 极大地 改善 r 应力集中现象 ， 提高 了防护门的稳定性和抗 冲击能力． ． 下 历 的 效 图 9正常防护门和圆角防护 门位移一 时问 曲线 F i g ．9 No m l a l P r o t e c t i v e Do o r s a n d Ro u n d e d P r o t e c t i v e Do o r Di s p l a c e me ntT i me Cu r v e 下转 第 1 6 6页 机 械 设 计与 制造 No ． 3 Ma r ． 2 0 1 6 5 ． 2实际测试 服务机器人抓取水瓶实验， 如图 5 所示。将上面的运动学算 法嵌入到服务机器人控制器中。 该服务机器人在其末端安装手抓 可以抓取世界坐标系下的物体 水杯、 牛奶盒等 。针对该服务机 器人进行抓取水杯实验， 经过实验证明， 该服务机器人可以进行 有效的抓取水杯实验。 图 5服务机器人抓取水瓶实验 F i g ． 5 S e r v i c e Ro b o t Fe t c hi n g W a t e r Bo t t l e Ex p e rime n t 6总结 详尽的介绍了服务机器人手臂和底盘建模的详细过程 ， 利 用 v c 6 ． 0 与 O p e n G L图形图像库建立了仿真模型。 最后将该算 法嵌入到服务机器人控制器系统当中， 有效验证了机械臂数学模 型以及正、 逆运动学分析的正确性 ， 同时避免了开发过程中， 实际 设备发生碰撞损坏问题。实验结果表明， 该运动学建模能够反映 出服务机器人真实运动情况。 参考文献 [ 1 ] T c h o n ⋯ K J a k u b i a k ． Ad e fi n i t i o n o f t h e e x t e n d e d J a c o b i a n i n v e r s e k i n e m a r i e s a l g o r i t h m f o r mo b i l e r o b o t s[ C] ．C o n t r o l C o n f e r e n c e E C C ， 2 0 0 7 4 9 o 34 91 O ． [ 2 ] Z h a n g B i n ， X i o n g R o n g ， Wu J u n ． K i n e m a t i c s a n a l y s i s o f a n o v e l 7 - D O F h u m a n o i d m a n i p u l a t o r f o r t a b l e t e n n i s [ C ] ． E l e c t ro n i c s ， C o m m u n i c a t i o n s a n dC o n t ml I C E C C ． 2 0 1 l ， 3 3 1 0 9 1 1 ． 【 3 J Z h a o D i n g - x u an， we j Hal- l o n g ． Z h a n g H o n g y a n ． E x p l i e i t s o l u t i o n f o r i n v e r s e k i n e m a t i c s o f 3 - R P S p a r a l l e l l i n k m a n i p u l a t o r [ c ] ．C o m p u t e r ， Me c h a t ron i e s ， C o n t r o l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e ri n g C MC E 。 2 0 1 0 2 4 2 5 - 4 2 9 ． [ 4 ] D a i Xi a o - l i n ， Hu a n g Q i - t a o ， J i a n g H o n g - z h o u ． K i n e ma t i c s a n aly s i s o f a 3 一 d o f r o t a t i o n a l p a r a l l e l m e e h a n i s m[ C ] ．S i m u l a t i o n a n d O p t i m i z a t i o n ． 2 0 0 8 8 4 O 4 4 O 7 ． 【 5 J S h e n We i ra i n ， G u ， J ． ， Mi l i o s ， E ⋯E S e l f C o n f i g u r a t i o n F u z z y S y s t e m for I n v e r s e K i n e ma t i c s o f R o b o t Ma n i p u l a t o rs[ C] ． F u z z y I nfo r m a t i o n P r o c e s s i n gSo c i e t y， 2 0 0 6 4 1 - - 4 5 ． [ 6 ] 倪小鹏， 林砺宗， 潘大亨．面向动感仿真的6自由 度平台实时求解方法 [ J ] ．机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 1 3 8 5 8 8 ． N i X i a o - p e n g ， L i n L i - z o n g ， P a n D a - h e n g S i x d e g r e e s o f f r e e d o m d y n a mi c s i m u l a t i o n p l a tf o r m o ri e n t e d r e al - t i m e a l g o ri t h m [ J ] ． M a c h i n e T o o l ＆H y d r a u l i c s ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 3 8 5 8 8 ． [ 7 ] 周刚， 张铁． 基于M D H模型对机器人标定算法的研究[ J ] 计算机与数 字工程 ， 2 0 1 0 ， 2 4 9 7 1 7 1 9 ． Z h o u G a n g ， Z h ang T i e ． B a s e d o n t h e r e s e a r c h o f robot c ali b r a t i o n a l g o ri t h m MD Hm o d e l [ J ] ． C o m p u t e r D i g i t alE n gi n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 2 4 9 7 1 7 1 9 ． [ 8 ] 蔡自兴．机器人学[ M] ． 第2 版．北京 清华大学出版社， 2 o o 9 ． C al Z i x i n g ， R o b o t i c s [ M] ． v e rs i o n 2 ．B e ij i n g T s i n g h u a U n i v e rs i t y P r e s s ， 2 0 0 9 ． [ 9 ] 赵彬， 刘振宇， 邹风山． 单臂S C A R A真空手运动学建模与仿真[ J ] ． 机 械设计与制造 ， 2 0 l 4 8 1 8 3 1 8 5 ． Z h a oB i n ， L i u Z h e n - y u ， Z o u F e n g - s h a n ． K i n e m a t i c s mo d e l i n g and s i m u l a t i o n o f s o l e a r mS C A R A v a c u u mm a n i p u l a t o r [ J ] ． M a c h i n e r y D e s i g n ＆M a n u f act u r e ， 2 0 1 4 8 1 8 3 1 8 5 ． [ 1 o ] 赵彬 ， 邹风山， 刘振宇．单臂 S C A R A手的动力学建模与参数辨识[ n 机械设计与制造 ， 2 0 1 5 ， 2 7 5 3 9 4 _4 ． Z h a o B i n ， Z o u F e n g - s h a n ， L i u Z h e n - y u ．Dy n a mi c s mo d e l i n g a n d p a r a m- e t e r i d e n t i f i c a t i o n o f s o l e a r m S C A R A[ J ] ．Ma c h i n e ry D e s i gn ＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 5 ， 2 7 5 3 9 4 4 ． [ 1 1 ] 阳方平， 李洪谊， 王越超．一种求解冗余机械臂逆运动学的优化方法 [ J ] ．机器人， 2 0 1 2 ， 3 4 1 1 7 2 1 ． Y a n g F a n g - p i n g ， L i Ho n _ y i ， Wang Yu e - - e h a o ．Ak i n d ofs o l v i n g i n v e rse k i n e ma t i c s o f r e d u n d ant mani p u l a t o r o p t i m i z a t i o n m e t h ed 【 J j ．Ro bot ， 2 0 1 2 ． 3 4 1 l 7 2 1 ． 上接 第 1 6 2页 5结论 结合 S o l i d w o r k s 的三维建模功能和 A N S Y S的瞬态分析模 块， 对该防护门的两个区域分别施加一系列冲击载荷， 得到了该 防护门在不同工况条件下的应力、 位移云图。进一步确定了其危 险区域并对其抵抗冲击变形的能力进行分析， 在此基础上 ， 对该 防护门的结构参数进行优化仿真 ， 从仿真结果中可以看出， 当防 护门采用圆角结构时， 极大地提高了其抵抗冲击和扭转变形的能 力， 具有较高的实用价值。同时， 充分发挥了两个软件的优势， 为 快速进行壳体的结构设计提供了有效途径。 参考文献 [ 1 ] 熊永超， 陶勇． 国产数控机床现状及发展趋势[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 6 3 3 61 - 3 63 Xi o n g Y o n g - c h a o ， T a o Y o n g ， S t a t u s q u o a n d d e v e l o p me n t t e n d e n c y o f c h i n e s e d i g i t all a t h e [ J ] ． C o a l M i n e Ma c h i n e ry， 2 0 0 6 3 3 6 1 - 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