磨削技术
高速磨床整机动态特性分析 |
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| 发布时间：2020/10/19 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 高速磨床整机动态特性分析 机床是机械制造工业中最基本的设备，随着国民经济的发展，人们对机床提出了越来越高的要求，其中最基本的问题就是要提高机床的工作性能，而机床的工作性能是与其动态性能紧密相关的。随着现代设计方法的广泛应用，对机床进行动态特性分析，用动态设计取代静态设计已成为现代机床设计发展的必然趋势。 MKQ8312数控凸轮轴磨床是由多个零部件组成的复杂组合结构，仅对个别零部件进行分析，无法全面反映机床整体的性能，特别是在动态分析中，各零部件之间结合部的接触参数对动态性能的解析计算精度影响很大。因此，要准确地预测机床的动态性能，就必须对整机进行结构动力学分析。 在进行结构动力学分析的实际运用中，通常采取的方法是将连续系统离散化为只有有限个自由度的系统，由此求出连续系统的近似解。这些离散化的方法中有集中质量法、假设模态法、模态综合法和有限元法。集中质量法虽然做法简单，但如何选取各个集中点以及如何配置各点的质量，才能使所得结果比较接近于实际情况，这都需要经验和试验的启示，缺乏一般的理论指导。假设模态法和模态综合法的精度在很大程度上取决于所选择的结构或子结构的假设模态，对于复杂结构，这种假设模态难以找到，并且对于不同的结构没有通用性。而有限元法则是对每个单元取假设模态，由于单元的数目通常比较大，假设模态就可以取得非常简单；而且它以节点位移作为系统的广义坐标，可以降低系统微分方程的耦合程度，给用计算机求解带来方便，所以有限元法已成为分析复杂结构的有效方法和手段。本章通过有限元法针对整机建模，结合整机机床的薄弱环节提出了一些改进意见，并对改进件进行了模态分析，作出评价。 这里选择在uG中建立各零部件的几何模型，然后用UG的装配模块将各零部件装配为整机模型，以Parasolid格式导入有限元分析软件MSC．Patran中划分网格，设置结合面参数及边界条件，进行模态分析求解平面磨床的固有特性。 1．机床整机有限元模型的建立 建立正确的动力学模型是进行结构动力学分析及优化设计的关键和基础。在结构动力学分析中，建立一个行之有效的模型是至关重要的。从一定意义上讲，模型包含了分析内容的所有力学特性。对具有复杂形状和边界条件的部件，采用三维有限元法建模是比较理想的。本书采用uG建立三维几何模型，采用MSC．Patran建立有限元模型。一般情况下，在建模时需要考虑的问题包括：结构简化、有限元单元类型的选择和单元网格的划分、单元特性的准备、材料特性的准备、边界(和初始)条件及载荷条件的确定等。建模时还要考虑分析的具体内容和精度要求。另外，还要考虑所拥有的结构分析软件的情况以及计算机硬件的情况，这是不言而喻的，有时这些情况将成为问题的关键所在。这些问题不是孤立的，相互之间是有机地联系在一起的，建模时要统一考虑。 (1)几何简化机床是二种大型的复杂结构，要建立精确完整的动力学模型是很困难的。考虑到软硬件的限制及分析的目的与要求，完全按实物建立有限元模型，实际上是不必要的，有时甚至是不可能的。因此，简化模型是准备分析模型过程中极为重要的一步。 对机床进行结构分析时，应该在满足工程精度的要求下，尽量采用简化的结构模型进行计算。 一般来说，模态分析条件下机床简化的原则有： 1)建模中应使零件尽可能的简单。模型越复杂，分析占用的资源就越多。在建模时应考虑首先建立较大和较为重要的特征，避免不必要的关系，进而简化模型。 2)压缩不会改变分析模型特性的一些特征，如倒角、小孔、退刀槽、定位孔、螺纹等均按实体处理。 3)将结构中的小锥度、小曲率曲面进行直线化处理，以免在生成有限元模型时结合部出现间隙或造成太大的计算量。 4)尽量利用结构的对称性进行建模。 根据MKQ8312数控凸轮轴磨床结构特点并结合以上模态分析结构简化的原则，对其做如下有限元模型简化处理。 1)对床身上的小锥度和小曲率曲面进行直线化处理，例如，起模斜度和为流磨削液而设计的斜面等，防止在有限元生成时模型的结合面出现间隙。 2)对CAD零部件中的板壁孔洞及凸缘，若孔的尺寸较大，则模型中应保留，若孔帕尺寸较小，为便于划分网格，可在模型中略去这些孔，而其影响可根据刚度等效原理适当减小原孔处单元的厚度，对一些处于边缘处的工艺小孔，则忽略不计；对凸缘也作类似的处理。 3)去掉工作台上工艺脚及防护罩；由于头架上的液压装置十分复杂，在此可以简化成集中质量加载在头架相应部位上。 4)对于各个零部件上的圆角及螺纹孔、退刀槽等简化掉，其目的在于避免生成坏的有限元单元和造成太大的计算工作量。 5)对主轴和主轴轴承，主轴简化成空间梁单元；轴承由于结构十分复杂，不便画出来，可以用连接弹簧元来模拟。 6)部件间结合面，都以线性弹簧和阻尼连接元来模拟。对固定结合面，一般在固定螺．钉处加连接单元；对滑动结合面，根据接触情况和有限元网格划分情况，在适当位置上加连接单元。 (2)网格划分机床整机的有曝元网格是在MSC．Patran软件上建立的。首先，在建立机床丰要零部件的几何模型基础上，生成各零部件的有限元网格。然后，对于床身、工作台、头架、尾座、摇架、垫板、砂轮底座、砂轮架等基础体采用Patra7n里的体单元进行自动网格划分，对于头架主轴及砂轮架主轴采用Pa溉n里的梁单元，采用弹簧单元模拟轴承，另外，利用MPC多点约束来模拟各个零部件间的结合部，使其刚性连接为一体，便于力的传递，这样就形成了整机的有限元网格。 1)多点约束(MPC)。多点约束(Multi-Point Constraint，MPC)是对节点的一种约束，即将某节点印依赖自由度定义为其他若干节点独立自由度的函数。例如，将节点1的X方向位移定义为节点2、节点3、节点4的X方向位移的函数。 多点约束常用于表征一些特定的物理现象，比如刚性连接、铰接、滑动等，多点约束也可用于不相容单露靖的载蘅传递，是一项重要的有限元授泰。 对于不同謦势拼解筹器和分析类型，Patran支持鹤多患约柬类型是不弼豹。以Nastran为例的结构分析:共有12种类型的多点约束，包括如RBE2、RBE3、Rjoint等。 对于凸轮轴磨床的整机模型而言，各个零部件间采用Rigid这一类型进行刚性连接，即将若于个繁锁节点与某个独立节点相互固定，从而使所节点由度都与独立节点保持一致。 2)弹簧单元诤弹簧单元是MSC．Patran中的一组特殊单元建一维弹簧单元，通过定义弹簧的弹性常数、阻尼、单元的节点自由度等来实现，弹簧的位置由两个节点定义，弹簧只能承受指定自由度方向刚度的单元，所以在定义弹簧的时候还必须指定弹簧的自由度方向比如弹簧只能拉压在x方向。 对于MKQ8312数控凸轮轴磨床而言，需要三个缝努用到弹簧单元栗横撤轴承，第一个是头架主轴。与瓤座之间，第二个是摇架短轴与其底座之阿，第三个起砂轮架主轴与砂轮架箱体之间均需要用弹簧单元来模拟轴承。其中弹簧常数与轴承刚度一致，方向释放UZ。 以头架主轴为例(图8-32)，1处和2处分别由2组角接触球轴承与其底座连接，卤此每个地方需要用两个弹簧单元模拟，查表得701l AC/P4DBB型号轴承的刚度为1.12×10s N/mm，因此弹簧常数为l.12×105砂轮架主轴采用滑动轴承，其轴承刚度为2x10sN/mm，因此弹簧常数为2x105总的来说，划分完后的整机有限元模型包括实体单元、质量单元、弹簧单元和MPC刚性约束，其中实体单元包含节点379158个，单元230058个。整机有限元模型如图8-39所示。 2．整机有限元分析结果 整机有限元网格划分完后，即对其施加边界条件及材料属性，方法与上章对床身施加边界条件一致，边界条件是约束床身底部的8个垫铁，整机材料为HT200。 在机床整机的动态设计中，模态分析是对机床整体动态特性分析和改进设计的关键。如何从平面磨床这一本身具有无限多个自由度的质量连续分布的弹性体的固有频率及对应的振型中，明确地指出对加工质量影响较大的那些振动频率和所对应的振型，就显得十分重要，表8-14给出了整机前l。阶的固有频率。 表8-14 MKQ8312数控凸轮轴磨床整机前10阶固有频率 (单位：Hz)
1)床身在整个模态中具有比较明显的弯曲、扭转振动。 2)由图8-40的振型图可知，头架和尾座的弯曲扭转极其严重，从而会导致工件振动，影响加工精度，需要加强。    第1阶 第2阶 第3阶    第4阶 第5阶 第6阶    第7阶 第8阶 第9阶  第10阶 图8．40 MKQ8312数控凸轮轴磨床整机振型图 3)头架主轴的振动很明显，原因是由于轴承刚度不够，没连接好，导致主轴上下振动。 4)从振型图(图8-40)可见，砂轮架也有弯曲振动现象，可以适当加强砂轮架刚度。 3．整机结构改进研究 对于机床一类的复杂机械设备，要实现整机设计参数的真正优化是很困难的。因此。一般采用主要部件优化以实现整机的集成优化。对主要结构部件的优化往往采用多种结构方案的比较优选进行。但应该注意的是，对各优化结构进行优选集成整机时，应考虑各部件的前几阶模态频率的分离，若各主要部件之间的模态频率相同或相近，整机结构的激励频率与部件模态频率也相近时，那么就会导致整机受到激励时结构振动幅值会成倍增加。为此，必须选择相互之间模态频率分离的主要装配部件作为整机集成的优选部件，以使整机结构的动态特性得到提高。 在计算机设计环境中进行机床部件的动态优化设计和部件的模态频率修正，并不需要制造物理样机或部件，设计、计算和分析过程都在计算机中完成。根据模态频率分离原则，通过对部件结构的反复设计和修改，找出最佳的机床部件组合，从而实现机床的动态设计。整机结构的模态频率校正可以通过单个部件的动力学优化设计来调节部件结构的模态频率，从而使整机结构的动态特性提高。 下面尝试通过改进零部件频率的方法来提高整机频率。 由表8-15可知，垫板、头架、砂轮架的某些频率梧近。这将使机床受激励后会发生大幅度振动，最终导致机床的加工精度大大降低。 表8-15原凸轮轴磨床各主要部件前3阶模态频率 (单位：Hz)
由于床身的固有频率与其他各个零部件的某些频率不相近，故改进时不作重点考虑，但考虑到整机振型中床身有弯曲和扭转振动，可以适当改进床身结构以提高其刚度。 本着尽量使各个零部件之间的某些频率不相近的原则，现对整机作如下改进： 改进A型将床身结构改为上章所述的综合改进型床身(即床身的壁厚及肋板厚度均增加4mm，肋板位置采用b2型，增加的肋板形状采用c5型(W形肋板，开孔形状采用圆形)。 改进B型将头架四周开口均缩小原长度的1/10。 由表8-16可知，头架改进后的磨床仅剩下垫板与砂轮架间有相近的模态频率。 表8-16改进B型磨床各主要部件前3阶模态频率 (单位：Hz)
由表8-17可知，改进C型磨床各个主要部件间不再存在相近的模态频率。建立各个改进型磨床的整机模型，进行模态分析得到的结果见表8-18。 表8-17 改进C型磨床各主要部件前3阶模态频率 (单位：Hz)
表8-18 MKQ8312凸轮轴磨床改进型固有频率对照表 (单位：Hz)
改进B型和改进C型均是通过使各个部件前几阶模态频率分离的技术试图提高整机固有特性的，由以上计算结果表明，采用模态频率分离的技术可以明显提高整机固有频率，比改进A型机床效果更明显。原型整机有3个零部件之间模态频率相近，其固有频率最低；改进B型仅有2个零部件之间模态频率相近，其固有频率居中；改进C型无相近模态频率，其固有频率最高。 针对头架主轴的振动明显这一薄弱环节，头架主轴轴承刚度参数对其固有频率影响见表 表8-19 头架主轴轴承刚度参数对整机固有频率的影响 (单位：Hz)
本文着重对MKQ8312数控凸轮轴磨床整机进行了动态特性分析及结构改进研究，介绍了在建立整机有限元模型中的部件简化、怎样使两个不同的零部件间连接起来(MPC约束)、轴与箱体间的轴承用弹簧单元代替等一些建模技巧。通过对整机进行摸态分析，得到其前10阶固有频率及振型图；并针对整机薄弱环节采用各个零部件固有频率分离和提高轴承刚度两种方法对其进行改进，结果表明采用使各个零部件固有频率分离的方法对提高其整机刚度效果很明显。 但由于整机动态仿真的关键之一是如何处理各零部件之间的连接刚度和界面阻尼问题，以上轴承刚度仅凭经验数据而得，限于测试困难和时间限制，这方面工作客观地存在很大困难；而且对于不同机床结构，其刚度阻尼数据也不同，这方面的研究工作还值得进一步深入研究。 |
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