宣賀 華青松 張洪信 程聯(lián)軍 趙清海 張鑒 張昊 張晨

摘要： 為給具有不同切削特征的高精密立式機(jī)床和臥式機(jī)床選擇合適的機(jī)床，本文以絲杠的振動(dòng)特性為研究對(duì)象，采用有限元和虛擬仿真技術(shù)，建立高精密臥式機(jī)床和立式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ停?duì)立式及臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)絲杠的振動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，無(wú)論是在z軸方向還是在x軸方向上，立式和臥式機(jī)床絲杠的位移變化都比較小，說(shuō)明建立的進(jìn)給系統(tǒng)模型的精密性較高；在本文所添加的材料屬性和切削力的條件下，立式機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性比臥式機(jī)床劇烈，說(shuō)明臥式機(jī)床的精度較高，所以在相同條件下應(yīng)該選擇臥式機(jī)床加工零件；無(wú)論臥式機(jī)床還是立式機(jī)床，工作臺(tái)在z軸方向的位移變化比在x軸方向的位移變化劇烈。該研究為z軸方向的后期優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 高精密機(jī)床； 進(jìn)給系統(tǒng)； 剛?cè)狁詈夏Ｐ停?絲杠； 切削力

中圖分類(lèi)號(hào)： TG502.14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

收稿日期： 20170326； 修回日期： 20170824

基金項(xiàng)目： 國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（2015ZX04005001）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（51275040， 51575286）；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014ZRB01503）

作者簡(jiǎn)介： 宣賀（1992），男，河北滄州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐?chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)。

通訊作者： 華青松（1975），男，江蘇人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾滦蛣?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。Email： 8988596@qq.com隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，機(jī)床產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，無(wú)論是在航空技術(shù)還是在現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展水平上，對(duì)所需的材料和型面要求都比較高，所以必須采用高精密數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工和制造[12]。在零件加工過(guò)程中，機(jī)床零部件會(huì)發(fā)生變形，所以考慮零件的柔性化，使機(jī)床的加工和生產(chǎn)制造更加精確。對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的零部件進(jìn)行多柔化是提高仿真精度的一個(gè)重要方向。近年來(lái)，ADAMS軟件在機(jī)床領(lǐng)域是應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力學(xué)仿真軟件，其分析的主要對(duì)象為剛體模型，但還未實(shí)現(xiàn)直接對(duì)滿(mǎn)足變形振動(dòng)的柔性體模型，需要通過(guò)其他軟件實(shí)現(xiàn)柔性體建模。HyperMesh軟件是廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的通用有限元分析軟件，具有良好的前后處理界面及高效精確的求解器。目前，高精密數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的研究已成為國(guó)際眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，但對(duì)于橫向、軸向和扭轉(zhuǎn)3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)研究比較少。李忠新等人[34]研究了絲杠不同進(jìn)給速度對(duì)工作臺(tái)的影響，但是沒(méi)有對(duì)位移和加速度進(jìn)行研究。因此，本文以高精密數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用HyperMesh和ADAMS軟件[56]，建立剛?cè)狁詈夏Ｐ停謩e研究高精密立式和臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)絲杠的振動(dòng)特性，并在一定范圍內(nèi)比較其精確度，以選擇合適的機(jī)床。該研究為柔性體振動(dòng)的仿真運(yùn)動(dòng)提供了更加真實(shí)可靠的依據(jù)，尤其對(duì)高精密機(jī)床的仿真模擬具有重要意義。

1進(jìn)給系統(tǒng)三維模型的建立

利用三維建模軟件SolidWorks建立高精密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)[78]模型，進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。建模所

圖1進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型需要的基本參數(shù)為：絲杠直徑66 mm，絲杠導(dǎo)程10 mm，兩絲杠間的跨距為680 mm，床身尺寸為2 860 mm×875 mm×225 mm，伺服電機(jī)型號(hào)為Y355L34[4]。

2進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

2.1進(jìn)給系統(tǒng)零部件有限元建模

將所得模型中的絲桿和工作臺(tái)的三維模型導(dǎo)入HyperMesh中，定義絲杠和工作臺(tái)材料屬性：材料密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為03。添加相應(yīng)的約束，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是有限元非常重要的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)分析結(jié)果的精度會(huì)造成很大的影響。劃分網(wǎng)格時(shí)要注意網(wǎng)格的密度，不能太稠密，否則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量不斷增加；同時(shí)，網(wǎng)格密度也不能太稀疏，否則無(wú)法得到準(zhǔn)確的求解精度[914]。本文選擇能很好適應(yīng)邊界條件的、尺寸為20的四面體網(wǎng)格，得到各零部件的柔性體模型。絲杠和工作臺(tái)有限元模型如圖2所示。

圖2絲杠和工作臺(tái)有限元模型2.2模態(tài)中性文件的生成

ADAMS中存在兩種方法建立柔性體。第1種是ADAMS軟件里有自動(dòng)柔性化功能，利用這一功能將剛性體轉(zhuǎn)換為柔性體；第2種是在一些有限元軟件中生成模態(tài)中性文件，并導(dǎo)入ADAMS中，這里選擇第2種方法，在HyperMesh中生成絲杠和工作臺(tái)的模態(tài)中性文件mnf文件[1516]。

2.3進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

1）將進(jìn)給系統(tǒng)的三維建模零件圖導(dǎo)入ADAMS中，在軟件中添加相應(yīng)約束及驅(qū)動(dòng)，以形成一個(gè)完整的仿真系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)各零部件約束關(guān)系如圖3所示。

圖3進(jìn)給系統(tǒng)各零件約束關(guān)系為驗(yàn)證各運(yùn)動(dòng)副添加的合理性，對(duì)其進(jìn)行仿真。若能合理運(yùn)動(dòng)，則說(shuō)明運(yùn)動(dòng)副的添加合理；若不能運(yùn)動(dòng)，則對(duì)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行修改，找出其中錯(cuò)誤的地方，然后在“Simulation”選項(xiàng)中選擇“設(shè)置”，輸入end time：50，Steps：100仿真，驗(yàn)證約束的合理性[17]。

2）用以上生成的模態(tài)中性文件對(duì)剛性體進(jìn)行替換，對(duì)不符合要求的零部件進(jìn)行調(diào)整，然后在“Simulation”選項(xiàng)中選擇“設(shè)置”，輸入end time50，Step100進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，得到剛?cè)狁詈线M(jìn)給系統(tǒng)模型[18]。

3）在模擬仿真時(shí)，需考慮實(shí)際環(huán)境中的阻力對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的影響。一是在模型中添加絲杠預(yù)緊力，結(jié)合本文絲杠的型號(hào)：W5012Z576PSSTC3Z20，經(jīng)查表計(jì)算得預(yù)緊力為225 N；二是對(duì)模型中摩擦力的處理，摩擦力是影響加工中心的一個(gè)重要因素，低速進(jìn)給時(shí)易使橫梁產(chǎn)生跟隨誤差，為了分析加工狀態(tài)，在模型中需添加一個(gè)與預(yù)緊力大小一致的摩擦力，即225 N；三是對(duì)切削力的處理，在高速進(jìn)給時(shí)，切削力的不斷變化對(duì)加工穩(wěn)定性有重要影響。其切削力為

Fx=150026a11ea095pa08fd0-11Z（1）

y和z方向的切削力為

Fy=（030～040）Fx， Fz=（085～095）Fx（2）

式中，ae為銑削寬度，ae=50 mm；ap為銑削深度，ap=3 mm；af為進(jìn)給量，af=013 mm/rad；d0為銑刀直徑，d0=80 mm；Z為銑刀齒數(shù)，Z=12。將以上參數(shù)代入式（1）和式（2）中，得Fx=63608 N，F(xiàn)y=22263 N，F(xiàn)z=57247 N[4]。

3立式及臥式機(jī)床絲杠的運(yùn)動(dòng)特性仿真分析

3.1切削力的添加

按照以上步驟，把絲杠和工作臺(tái)的模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS中代替剛性體文件，生成高精密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)模型中，主要考慮工作臺(tái)上的零件在切削力作用下所導(dǎo)致的進(jìn)給系統(tǒng)的振動(dòng)，立式機(jī)床和臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要是因?yàn)榍邢髁Φ姆较虿煌?，所以在臥式工作臺(tái)上添加y方向上的切削力，力的大小為22263 N，相位為0°，方向沿y方向；在立式工作臺(tái)上添加z方向的切削力，力的大小為53639 N，相位為0°，方向沿z方向[10]。

3.2仿真分析

首先對(duì)臥式機(jī)床進(jìn)行仿真分析，單擊（仿真）Simulation命令，輸入end time50，Step100進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，然后依次單擊（結(jié)果、后處理）Rusults和Postprocessor，進(jìn)入后處理模塊，在“Filter”中選擇body，在“Characteristic”中選擇“Position”，在“Component”中選擇z，得到臥式機(jī)床絲杠在柔性體絲杠上沿z方向的位置變化；同理，對(duì)立式機(jī)床做同樣的操作，得到臥式機(jī)床和立式機(jī)床絲杠在z方向的位置變化。臥式和立式機(jī)床絲桿沿z方向位置變化如圖4所示。由圖4可已看出，在z方向，臥式機(jī)床和立式機(jī)床工作臺(tái)位移變化趨勢(shì)大致相同，臥式機(jī)床絲杠的位移變化最大值為02 mm，立式機(jī)床絲杠的位移變化最大值為023 mm，在機(jī)床的工作過(guò)程中，立式機(jī)床工作臺(tái)的位移變化要比臥式機(jī)床工作臺(tái)的位移變化劇烈。

對(duì)臥式機(jī)床進(jìn)行分析，在“Filter”中選擇body，在“Characteristic”中選擇“Position”，在“Component”中選擇x，得到臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)絲杠在柔性絲杠的位置變化；同理，對(duì)立式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行同樣操作，得到臥式和立式機(jī)床絲杠在x方向的位置變化。臥式和立式機(jī)床絲杠沿x方向位置變化如圖5所示。

由圖5可以看出，在x方向上，臥式機(jī)床和立式機(jī)床工作臺(tái)位移變化趨勢(shì)差異性比較強(qiáng)，臥式機(jī)床絲杠的位移變化最大值為009 mm，立式機(jī)床工作臺(tái)的位移變化最大值為0112 5 mm，在機(jī)床工作過(guò)程中，立式機(jī)床絲杠的位移變化要比臥式機(jī)床絲杠的位移變化劇烈。

圖6臥式和立式機(jī)床絲杠沿z方向加速度變化對(duì)臥式機(jī)床進(jìn)行分析，在“Filter”中選擇body，在“Characteristic”中選擇“Acceleration”，在“Component”中選擇z，得到臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)絲杠在柔性絲杠的加速度變化；同理，對(duì)立式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行同樣的操作，得到臥式和立式機(jī)床絲杠沿z方向的加速度變化如圖6所示。由圖6可以看出，在z軸方向上，臥式和立式機(jī)床工作臺(tái)位移變化趨勢(shì)相似，臥式機(jī)床絲杠加速度變化最大值為7 000 mm/s2，立式機(jī)床工作臺(tái)加速度變化最大值5 000 mm/s2，在機(jī)床工作過(guò)程中，立式機(jī)床絲杠的位移變化比臥式機(jī)床絲杠的加速度變化劇烈。

4結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)高精密立式和臥式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)絲杠的振動(dòng)特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，無(wú)論是在z方向還是在x方向上，立式和臥式機(jī)床絲杠的位移變化較小，說(shuō)明本文所建立的進(jìn)給系統(tǒng)模型的精密性較高；針對(duì)高精密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中絲杠的運(yùn)動(dòng)特性，采用ADAMS和HyperMesh軟件，建立了臥式和立式機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ?；在本文所添加的材料屬性和切削力的條件下，立式機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性要比臥式機(jī)床劇烈，所以臥式機(jī)床的精度要高，在相同條件下應(yīng)該選擇臥式機(jī)床加工零件；無(wú)論是臥式機(jī)床還是立式機(jī)床，工作臺(tái)在z軸方向的位移變化比在x方向的位移變化劇烈，為z方向的后期優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。該研究為柔性體振動(dòng)的仿真運(yùn)動(dòng)提供了更加真實(shí)可靠的依據(jù)。

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