弋江淼，高東強，張 菲，林 歡

（陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

0 引言

工作臺系統(tǒng)是DVG850高速立式加工中心的重要基礎件，絲杠又是工作臺系統(tǒng)的重要組成部分，它們的動態(tài)特性直接影響機床的加工精度，而傳統(tǒng)的解析計算方法無法完成精確全面的計算和分析，因此需對工作臺系統(tǒng)進行動力學研究[1]。本文采用ANSYS Workbench對 DVG850工作臺系統(tǒng)的固有振動特性進行分析并對其優(yōu)化設計[2]。

1 單絲杠工作臺系統(tǒng)有限元分析

1.1 單絲杠工作臺系統(tǒng)建模

對模型進行簡化。在SolidWorks中得到如圖1所示的實體建模裝配圖。

圖1 單絲杠工作臺系統(tǒng)裝配圖

1.2 單絲杠工作臺系統(tǒng)的模態(tài)分析

注意忽略系統(tǒng)阻尼對其自身振動特性的影響，不考慮任何施加的力載荷，對材料的密度進行定義。通過對模型添加材料信息、接觸設置和位移約束等步驟完成建模[3]。

對其進行自由模態(tài)求解分析，提取其前5階模態(tài)數據如表1所示。

表1 單絲杠工作臺系統(tǒng)的模態(tài)頻率與振型描述

由此可知，單絲杠工作臺系統(tǒng)中絲杠變形較大，將影響加工中心的質量。因此，需對工作臺系統(tǒng)進行結構改進，提高其剛度和固有頻率。

2 雙絲杠工作臺系統(tǒng)有限元分析

單絲杠工作臺系統(tǒng)因驅動力和工件受力點隨加工軌跡變化而受到扭矩，影響其性能。若在工作臺上對稱地安裝兩套滾珠絲杠，使驅動力合力和系統(tǒng)重心盡量接近，就會解決這個問題[4]。因此，以提高系統(tǒng)的固有頻率為目標，提出雙絲杠傳動思想。

2.1 關鍵設計參數的確定

考慮到整個機床和工作臺的尺寸，采用絲杠和導軌的位置作為優(yōu)化設計參數來建立雙絲杠工作臺系統(tǒng)的模型，并給出四種優(yōu)化方案：絲杠置于導軌內，兩根絲杠之間的距離分別為310mm和460mm；絲杠置于導軌外部，兩根絲杠之間的距離分別為510mm和610mm[5]。在SolidWorks中的實體建模，如圖2所示。

圖2 雙絲杠傳動工作臺裝備圖

2.2 雙絲杠傳動工作臺的模態(tài)分析

經過建模和分析，雙絲杠工作臺系統(tǒng)四種方案的前5階模態(tài)數據見表2和表3。

由兩表可得，絲杠置于導軌內部時，系統(tǒng)的固有頻率較高。表2中兩種位置關系的振型描述基本相同，但相對而言，兩絲杠間距離為310mm時工作臺的固有頻率更高，為最優(yōu)結果。

3 單絲杠和雙絲杠工作臺系統(tǒng)比較

將優(yōu)化后結果（絲杠放置于導軌內部且兩根絲杠距離為310mm的雙絲杠工作臺系統(tǒng)）頻率和單絲杠工作臺系統(tǒng)頻率做比較（如表1和表2所示），可知優(yōu)化后的頻率明顯提高，其中第4階提高了46.87%。

4 結束語

通過ANSYS Workbench分析單絲杠和雙絲杠工作臺系統(tǒng)的固有振動特性，得出雙絲杠工作臺系統(tǒng)的固有頻率明顯高于單絲杠工作臺系統(tǒng)。得知絲杠頻率可以避免由于其他同頻干擾或激振造成絲杠的共振，對于整個工作臺以至機床系統(tǒng)的設計和后續(xù)的分析校核都具有重要意義。通過有限元軟件進行模態(tài)分析，使分析設計跨入一個新時代[6]。

表2 絲杠置于導軌內部時工作臺系統(tǒng)的模態(tài)頻率與振型描述

表3 絲杠置于導軌外部時工作臺系統(tǒng)的模態(tài)頻率與振型描述

[1] 傅中裕, 楊曉京. ANSYS的絲杠模態(tài)分析[J]. 機械制造與研究, 2004.

[2] 李兵, 何正嘉, 陳雪峰. ANSYSWorkbench設計, 仿真與優(yōu)化[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008.

[3] 李寧, 劉超峰, 張功學, 等. 高速立式加工中心主軸箱有限元分析及結構改進[J]. 煤礦機械, 2011(1): 180-182.

[4] 胡于進, 王璋奇. 有限元分析與應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2009.

[5] 張良. 高性能數控機床主軸部件動態(tài)分析與實驗[D]. 重慶: 重慶大學, 2007.

[6] 高東強, 毛志云, 張功學, 等. DVG850工作臺靜, 動態(tài)特性分析及結構改進[J]. 機械設計與制造, 2011(3), 146-147.