基于ANSYS_WORKBENCH的机床动态性能分析及改进_孙永清

2012年1月第40卷第1期

机床与液压

MACHINETOOL＆HYDRAULICSJan．2012Vol.40No.1

DOI：10．3969/j.issn.1001－3881.2012.01.030

基于ANSYS/WORKBENCH的机床动态性能分析及改进

1122

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710049；2.沈机集团昆明机床股份有限公司，云南昆明650203）

摘要：基于Pro/E与ANSYS/WORKBENCH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；ANSYS/WORKBENCH协同仿真平台中图分类号：TP702

文献标识码：A

文章编号：1001－3881（2012）1－110－4

AnalysisandImprovementofMachineToolDynamicPerformanceBased

onANSYS/WORKBENCH

SUNYongqing1，WANGYongquan1，ZHUXiang2，CUNHuaying2

（1.Xi'anJiaotongUniversity，Xi'anShaanxi710049，China；

2.ShenjiGroupKunmingMachineToolCompanyLimited，KunmingYunnan650203，China）

Abstract：BasedonPro/EandANSYSWORKBENCHco-simulationandoptimizationplatform，theFEMmodelofthecolumnofsomeprecisionhorizontalmachiningcenterwasestablished．Toincreasenaturalfrequencies，theoptimizationsofthestructureanddi-mensionparameterswereperformed．Theoptimalresultswerevalidatedbytestingthevirtualmodelofthewholemachiningcenterjoin-ingwithsurfaceelements．Resultsshowthatthequalityofthemachiningcenterisdecreasedwhilethedynamicstiffnessofthewholemachineisincreased．Optimizationresultsprovideanimportantbasisforthemachinetooldesign．

Keywords：Column；Finiteelement；Optimization；ANSYSWORKBENCHco-simulationplatform

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

［1］

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Pro/E与ANSYS/WORKBENCH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。

图1

卧式加工中心三维实体模型

1初始整机三维模型及集合简化

在三维建模软件Pro/E中建立整机三维模型，如图1所示

。

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：2010－12－29

022）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（2009ZX04001-作者简介：孙永清（1983—），男，硕士，研究方向为振动与噪声控制。E－mail：yq.sun@。

表1

模态阶数

12345

立柱固有频率、振型表

振型

固有频率/Hz55.29558.17882.036165.96210.13

立柱整体前后摆动立柱整体左右摆动立柱整体沿中线扭转立柱横梁向上弯曲立柱横梁向下弯曲

从图2可以看出：整机的振型基本变现为立柱的振型，刀具与工件之间产生相对位移，改变了它们之间的正确位置关系，并在加工表面留下振纹，从而降低了被加工零件的精确度和光洁度，所以前两节模态为主要模态，立柱为整机的薄弱环节。

2立柱筋板优选

由于传统经验的类比设计方法在机床设计过程中缺少机床零部件及整机结构的静、动态特性计算数据及其对机床产品性能的影响数据，导致结构相对笨重，设计偏于保守。因此从优化外形尺寸和优选内部筋板两个方面着手改进设计。

2.1优化外形尺寸

图2

整机振型图

立柱通过螺栓与床身固结在一起，近似可以看作悬臂结构，而立柱前两阶振型均表现为弯曲摆动，于是在综合考虑滑鞍行程限制以及外形尺寸比例后，对立柱纵向加宽315mm，横向加宽100mm，改变外形尺寸后计算结果与初始设计相比较，如图4

所示

图4改变外形尺寸前后对比图

结果分析：一到五阶固有频率均有提高，其中第一阶提高15.2%（8.388Hz），第二阶提高22.2%（13.081Hz），第三阶提高23.4%（19.194Hz），同时质量增加4.7%（496kg）。改变外形尺寸对立柱动态性能的改善有明显作用，但是要结合行程限制等多方面因素进行改进。

2.2

图3

立柱振型图

内部筋板优选

选取几种铸造工艺可行的不同筋板类型（图5），比较其动态性能。

Pro/E中完成建模后直接点击菜单即可打开AWB，将当前模型导入。这种方法操作简单，通过链接的方式共享模型数据，包括尺寸、参数和装配参数等，可以实现双向参数互动（收放）。这不但避免了通过文件传入模型方式导致的部分特性丢失、参数等信息不能传递等问题，而且真正实现了Pro/E与AWB参数的双向传递，为进一步执行参数化设计、仿真以及优化

［2－4］

。导入的参数见图7，参数含奠定了良好的基础

义见表2

。

图7表2

参数符号

HD1

图5

筋板类型

D2D3L1H1L2H2

参数示意图参数表参数意义壁厚

横向筋板开孔长度

前面筋高后面筋高横筋到前面的距离

横筋厚度纵筋到侧面的距离

纵筋厚度

不同筋板类型固有频率比较见图6

。

图6不同筋板类型固有频率比较

斜筋结构高阶抗扭能力较强，低阶抗摆能力较弱；蜂窝筋结构抗扭和抗摆的能力都比较强，但是铸造工艺比较复杂；中空结构抗摆的能力较好，高阶抗扭能力不足；中空加十字筋板结构低阶抗摆和高阶抗扭的能力均较好，且铸造工艺简单。筋板优选后，前三阶固有频率均有大幅度提高，同时质量下降5.6%。

以壁厚H和横向筋板开孔长度D1为例，说明这些参数对固有频率的影响（图8）。随着外壁厚度加大，前三阶固有频率均呈现增大趋势，上升的幅度都比较大（3～14.4Hz）。随着立柱开孔长度的增加，一阶固有频率呈上升

图8

第一阶固有频率随参数H、D1变化图

3筋板参数优化

通过修改注册表，在Pro/E中添加接口菜单，在

趋势，二阶固有频率出现峰值后开始下降，三阶固有频率几乎无影响；无论上升还是下降，幅度均不大，在1Hz以内。

对10000个样本点进行采样，得出最终的参数优化方案，前三阶固有频率为70.262、77.535、108.17Hz。参数优化以后，立柱的前三阶固有频率分别上升27.1%、33.3%、31.9%，质量减少105kg。

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－阻尼单元的建模。

使用瑞士SCHNEEBERGER公司生产的MRB45和MRB55两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：MRB45，法向刚度2.67×109N/m，侧向刚度2.0×109N/m；MRB55，法向刚度3.2×109N/m，侧向刚度2.6×109N/m。结合面单元模型见图9，结合面简化模型见图10

。

优化结果见表3。与刚性粘接的整机计算结构相比、加入combin14单元以后的计算结果要小2～3Hz。与初始设计相比较，前三阶固有频率提高分别为12.002Hz（33.8%）、7.373（16.1%）、16.495（27.5%）。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

模态阶数

12345

整机固有频率振型表

振型

立柱滑鞍部分沿z向摆动立柱滑鞍部分沿x向摆动立柱滑鞍部分绕中线扭转主轴箱丝杠沿x向弯曲主轴箱丝杠沿z向弯曲

频率/Hz47.51653.25876.36882.9683.696

5结论

图9

结合面单元模型图

图10结合面简化模型图

每个导轨滑块的法向侧向均使用两个combin14单元等效刚度和等效阻尼，如图11所示

。

（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：

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图11加载combin14单元示意图

（上接第109页）

4总结

利用UG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：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xy14.html