磨削技術(shù)
高速磨床整機動態(tài)特性分析 |
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| 發(fā)布時間：2020/10/19 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 高速磨床整機動態(tài)特性分析 機床是機械制造工業(yè)中最基本的設(shè)備，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們對機床提出了越來越高的要求，其中最基本的問題就是要提高機床的工作性能，而機床的工作性能是與其動態(tài)性能緊密相關(guān)的。隨著現(xiàn)代設(shè)計方法的廣泛應(yīng)用，對機床進行動態(tài)特性分析，用動態(tài)設(shè)計取代靜態(tài)設(shè)計已成為現(xiàn)代機床設(shè)計發(fā)展的必然趨勢。 MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床是由多個零部件組成的復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)，僅對個別零部件進行分析，無法全面反映機床整體的性能，特別是在動態(tài)分析中，各零部件之間結(jié)合部的接觸參數(shù)對動態(tài)性能的解析計算精度影響很大。因此，要準確地預(yù)測機床的動態(tài)性能，就必須對整機進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析。 在進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析的實際運用中，通常采取的方法是將連續(xù)系統(tǒng)離散化為只有有限個自由度的系統(tǒng)，由此求出連續(xù)系統(tǒng)的近似解。這些離散化的方法中有集中質(zhì)量法、假設(shè)模態(tài)法、模態(tài)綜合法和有限元法。集中質(zhì)量法雖然做法簡單，但如何選取各個集中點以及如何配置各點的質(zhì)量，才能使所得結(jié)果比較接近于實際情況，這都需要經(jīng)驗和試驗的啟示，缺乏一般的理論指導(dǎo)。假設(shè)模態(tài)法和模態(tài)綜合法的精度在很大程度上取決于所選擇的結(jié)構(gòu)或子結(jié)構(gòu)的假設(shè)模態(tài)，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這種假設(shè)模態(tài)難以找到，并且對于不同的結(jié)構(gòu)沒有通用性。而有限元法則是對每個單元取假設(shè)模態(tài)，由于單元的數(shù)目通常比較大，假設(shè)模態(tài)就可以取得非常簡單；而且它以節(jié)點位移作為系統(tǒng)的廣義坐標，可以降低系統(tǒng)微分方程的耦合程度，給用計算機求解帶來方便，所以有限元法已成為分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有效方法和手段。本章通過有限元法針對整機建模，結(jié)合整機機床的薄弱環(huán)節(jié)提出了一些改進意見，并對改進件進行了模態(tài)分析，作出評價。 這里選擇在uG中建立各零部件的幾何模型，然后用UG的裝配模塊將各零部件裝配為整機模型，以Parasolid格式導(dǎo)入有限元分析軟件MSC．Patran中劃分網(wǎng)格，設(shè)置結(jié)合面參數(shù)及邊界條件，進行模態(tài)分析求解平面磨床的固有特性。 1．機床整機有限元模型的建立 建立正確的動力學(xué)模型是進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中，建立一個行之有效的模型是至關(guān)重要的。從一定意義上講，模型包含了分析內(nèi)容的所有力學(xué)特性。對具有復(fù)雜形狀和邊界條件的部件，采用三維有限元法建模是比較理想的。本書采用uG建立三維幾何模型，采用MSC．Patran建立有限元模型。一般情況下，在建模時需要考慮的問題包括：結(jié)構(gòu)簡化、有限元單元類型的選擇和單元網(wǎng)格的劃分、單元特性的準備、材料特性的準備、邊界(和初始)條件及載荷條件的確定等。建模時還要考慮分析的具體內(nèi)容和精度要求。另外，還要考慮所擁有的結(jié)構(gòu)分析軟件的情況以及計算機硬件的情況，這是不言而喻的，有時這些情況將成為問題的關(guān)鍵所在。這些問題不是孤立的，相互之間是有機地聯(lián)系在一起的，建模時要統(tǒng)一考慮。 (1)幾何簡化機床是二種大型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，要建立精確完整的動力學(xué)模型是很困難的。考慮到軟硬件的限制及分析的目的與要求，完全按實物建立有限元模型，實際上是不必要的，有時甚至是不可能的。因此，簡化模型是準備分析模型過程中極為重要的一步。 對機床進行結(jié)構(gòu)分析時，應(yīng)該在滿足工程精度的要求下，盡量采用簡化的結(jié)構(gòu)模型進行計算。 一般來說，模態(tài)分析條件下機床簡化的原則有： 1)建模中應(yīng)使零件盡可能的簡單。模型越復(fù)雜，分析占用的資源就越多。在建模時應(yīng)考慮首先建立較大和較為重要的特征，避免不必要的關(guān)系，進而簡化模型。 2)壓縮不會改變分析模型特性的一些特征，如倒角、小孔、退刀槽、定位孔、螺紋等均按實體處理。 3)將結(jié)構(gòu)中的小錐度、小曲率曲面進行直線化處理，以免在生成有限元模型時結(jié)合部出現(xiàn)間隙或造成太大的計算量。 4)盡量利用結(jié)構(gòu)的對稱性進行建模。 根據(jù)MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床結(jié)構(gòu)特點并結(jié)合以上模態(tài)分析結(jié)構(gòu)簡化的原則，對其做如下有限元模型簡化處理。 1)對床身上的小錐度和小曲率曲面進行直線化處理，例如，起模斜度和為流磨削液而設(shè)計的斜面等，防止在有限元生成時模型的結(jié)合面出現(xiàn)間隙。 2)對CAD零部件中的板壁孔洞及凸緣，若孔的尺寸較大，則模型中應(yīng)保留，若孔帕尺寸較小，為便于劃分網(wǎng)格，可在模型中略去這些孔，而其影響可根據(jù)剛度等效原理適當減小原孔處單元的厚度，對一些處于邊緣處的工藝小孔，則忽略不計；對凸緣也作類似的處理。 3)去掉工作臺上工藝腳及防護罩；由于頭架上的液壓裝置十分復(fù)雜，在此可以簡化成集中質(zhì)量加載在頭架相應(yīng)部位上。 4)對于各個零部件上的圓角及螺紋孔、退刀槽等簡化掉，其目的在于避免生成壞的有限元單元和造成太大的計算工作量。 5)對主軸和主軸軸承，主軸簡化成空間梁單元；軸承由于結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，不便畫出來，可以用連接彈簧元來模擬。 6)部件間結(jié)合面，都以線性彈簧和阻尼連接元來模擬。對固定結(jié)合面，一般在固定螺．釘處加連接單元；對滑動結(jié)合面，根據(jù)接觸情況和有限元網(wǎng)格劃分情況，在適當位置上加連接單元。 (2)網(wǎng)格劃分機床整機的有曝元網(wǎng)格是在MSC．Patran軟件上建立的。首先，在建立機床豐要零部件的幾何模型基礎(chǔ)上，生成各零部件的有限元網(wǎng)格。然后，對于床身、工作臺、頭架、尾座、搖架、墊板、砂輪底座、砂輪架等基礎(chǔ)體采用Patra7n里的體單元進行自動網(wǎng)格劃分，對于頭架主軸及砂輪架主軸采用Pa溉n里的梁單元，采用彈簧單元模擬軸承，另外，利用MPC多點約束來模擬各個零部件間的結(jié)合部，使其剛性連接為一體，便于力的傳遞，這樣就形成了整機的有限元網(wǎng)格。 1)多點約束(MPC)。多點約束(Multi-Point Constraint，MPC)是對節(jié)點的一種約束，即將某節(jié)點印依賴自由度定義為其他若干節(jié)點獨立自由度的函數(shù)。例如，將節(jié)點1的X方向位移定義為節(jié)點2、節(jié)點3、節(jié)點4的X方向位移的函數(shù)。 多點約束常用于表征一些特定的物理現(xiàn)象，比如剛性連接、鉸接、滑動等，多點約束也可用于不相容單露靖的載蘅傳遞，是一項重要的有限元授泰。 對于不同謦勢拼解籌器和分析類型，Patran支持鶴多患約柬類型是不弼豹。以Nastran為例的結(jié)構(gòu)分析:共有12種類型的多點約束，包括如RBE2、RBE3、Rjoint等。 對于凸輪軸磨床的整機模型而言，各個零部件間采用Rigid這一類型進行剛性連接，即將若于個繁鎖節(jié)點與某個獨立節(jié)點相互固定，從而使所節(jié)點由度都與獨立節(jié)點保持一致。 2)彈簧單元諍彈簧單元是MSC．Patran中的一組特殊單元建一維彈簧單元，通過定義彈簧的彈性常數(shù)、阻尼、單元的節(jié)點自由度等來實現(xiàn)，彈簧的位置由兩個節(jié)點定義，彈簧只能承受指定自由度方向剛度的單元，所以在定義彈簧的時候還必須指定彈簧的自由度方向比如彈簧只能拉壓在x方向。 對于MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床而言，需要三個縫努用到彈簧單元栗橫撤軸承，第一個是頭架主軸。與瓤座之間，第二個是搖架短軸與其底座之阿，第三個起砂輪架主軸與砂輪架箱體之間均需要用彈簧單元來模擬軸承。其中彈簧常數(shù)與軸承剛度一致，方向釋放UZ。 以頭架主軸為例(圖8-32)，1處和2處分別由2組角接觸球軸承與其底座連接，鹵此每個地方需要用兩個彈簧單元模擬，查表得701l AC/P4DBB型號軸承的剛度為1.12×10s N/mm，因此彈簧常數(shù)為l.12×105砂輪架主軸采用滑動軸承，其軸承剛度為2x10sN/mm，因此彈簧常數(shù)為2x105總的來說，劃分完后的整機有限元模型包括實體單元、質(zhì)量單元、彈簧單元和MPC剛性約束，其中實體單元包含節(jié)點379158個，單元230058個。整機有限元模型如圖8-39所示。 2．整機有限元分析結(jié)果 整機有限元網(wǎng)格劃分完后，即對其施加邊界條件及材料屬性，方法與上章對床身施加邊界條件一致，邊界條件是約束床身底部的8個墊鐵，整機材料為HT200。 在機床整機的動態(tài)設(shè)計中，模態(tài)分析是對機床整體動態(tài)特性分析和改進設(shè)計的關(guān)鍵。如何從平面磨床這一本身具有無限多個自由度的質(zhì)量連續(xù)分布的彈性體的固有頻率及對應(yīng)的振型中，明確地指出對加工質(zhì)量影響較大的那些振動頻率和所對應(yīng)的振型，就顯得十分重要，表8-14給出了整機前l(fā)。階的固有頻率。 表8-14 MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床整機前10階固有頻率 (單位：Hz)
1)床身在整個模態(tài)中具有比較明顯的彎曲、扭轉(zhuǎn)振動。 2)由圖8-40的振型圖可知，頭架和尾座的彎曲扭轉(zhuǎn)極其嚴重，從而會導(dǎo)致工件振動，影響加工精度，需要加強。    第1階 第2階 第3階    第4階 第5階 第6階    第7階 第8階 第9階  第10階 圖8．40 MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床整機振型圖 3)頭架主軸的振動很明顯，原因是由于軸承剛度不夠，沒連接好，導(dǎo)致主軸上下振動。 4)從振型圖(圖8-40)可見，砂輪架也有彎曲振動現(xiàn)象，可以適當加強砂輪架剛度。 3．整機結(jié)構(gòu)改進研究 對于機床一類的復(fù)雜機械設(shè)備，要實現(xiàn)整機設(shè)計參數(shù)的真正優(yōu)化是很困難的。因此。一般采用主要部件優(yōu)化以實現(xiàn)整機的集成優(yōu)化。對主要結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化往往采用多種結(jié)構(gòu)方案的比較優(yōu)選進行。但應(yīng)該注意的是，對各優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行優(yōu)選集成整機時，應(yīng)考慮各部件的前幾階模態(tài)頻率的分離，若各主要部件之間的模態(tài)頻率相同或相近，整機結(jié)構(gòu)的激勵頻率與部件模態(tài)頻率也相近時，那么就會導(dǎo)致整機受到激勵時結(jié)構(gòu)振動幅值會成倍增加。為此，必須選擇相互之間模態(tài)頻率分離的主要裝配部件作為整機集成的優(yōu)選部件，以使整機結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性得到提高。 在計算機設(shè)計環(huán)境中進行機床部件的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計和部件的模態(tài)頻率修正，并不需要制造物理樣機或部件，設(shè)計、計算和分析過程都在計算機中完成。根據(jù)模態(tài)頻率分離原則，通過對部件結(jié)構(gòu)的反復(fù)設(shè)計和修改，找出最佳的機床部件組合，從而實現(xiàn)機床的動態(tài)設(shè)計。整機結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率校正可以通過單個部件的動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計來調(diào)節(jié)部件結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，從而使整機結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性提高。 下面嘗試通過改進零部件頻率的方法來提高整機頻率。 由表8-15可知，墊板、頭架、砂輪架的某些頻率梧近。這將使機床受激勵后會發(fā)生大幅度振動，最終導(dǎo)致機床的加工精度大大降低。 表8-15原凸輪軸磨床各主要部件前3階模態(tài)頻率 (單位：Hz)
由于床身的固有頻率與其他各個零部件的某些頻率不相近，故改進時不作重點考慮，但考慮到整機振型中床身有彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，可以適當改進床身結(jié)構(gòu)以提高其剛度。 本著盡量使各個零部件之間的某些頻率不相近的原則，現(xiàn)對整機作如下改進： 改進A型將床身結(jié)構(gòu)改為上章所述的綜合改進型床身(即床身的壁厚及肋板厚度均增加4mm，肋板位置采用b2型，增加的肋板形狀采用c5型(W形肋板，開孔形狀采用圓形)。 改進B型將頭架四周開口均縮小原長度的1/10。 由表8-16可知，頭架改進后的磨床僅剩下墊板與砂輪架間有相近的模態(tài)頻率。 表8-16改進B型磨床各主要部件前3階模態(tài)頻率 (單位：Hz)
由表8-17可知，改進C型磨床各個主要部件間不再存在相近的模態(tài)頻率。建立各個改進型磨床的整機模型，進行模態(tài)分析得到的結(jié)果見表8-18。 表8-17 改進C型磨床各主要部件前3階模態(tài)頻率 (單位：Hz)
表8-18 MKQ8312凸輪軸磨床改進型固有頻率對照表 (單位：Hz)
改進B型和改進C型均是通過使各個部件前幾階模態(tài)頻率分離的技術(shù)試圖提高整機固有特性的，由以上計算結(jié)果表明，采用模態(tài)頻率分離的技術(shù)可以明顯提高整機固有頻率，比改進A型機床效果更明顯。原型整機有3個零部件之間模態(tài)頻率相近，其固有頻率最低；改進B型僅有2個零部件之間模態(tài)頻率相近，其固有頻率居中；改進C型無相近模態(tài)頻率，其固有頻率最高。 針對頭架主軸的振動明顯這一薄弱環(huán)節(jié)，頭架主軸軸承剛度參數(shù)對其固有頻率影響見表 表8-19 頭架主軸軸承剛度參數(shù)對整機固有頻率的影響 (單位：Hz)
本文著重對MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床整機進行了動態(tài)特性分析及結(jié)構(gòu)改進研究，介紹了在建立整機有限元模型中的部件簡化、怎樣使兩個不同的零部件間連接起來(MPC約束)、軸與箱體間的軸承用彈簧單元代替等一些建模技巧。通過對整機進行摸態(tài)分析，得到其前10階固有頻率及振型圖；并針對整機薄弱環(huán)節(jié)采用各個零部件固有頻率分離和提高軸承剛度兩種方法對其進行改進，結(jié)果表明采用使各個零部件固有頻率分離的方法對提高其整機剛度效果很明顯。 但由于整機動態(tài)仿真的關(guān)鍵之一是如何處理各零部件之間的連接剛度和界面阻尼問題，以上軸承剛度僅憑經(jīng)驗數(shù)據(jù)而得，限于測試困難和時間限制，這方面工作客觀地存在很大困難；而且對于不同機床結(jié)構(gòu)，其剛度阻尼數(shù)據(jù)也不同，這方面的研究工作還值得進一步深入研究。 |
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