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        基于SolidWorks木工五軸聯(lián)動(dòng)加工中心一體式焊接橫梁動(dòng)靜態(tài)特性分析

        2020-09-14 06:04:44張自鵬
        關(guān)鍵詞:木工固有頻率橫梁

        張自鵬

        (四川省青城機(jī)械有限公司,四川 眉山 620460)

        近年來(lái),家具企業(yè)對(duì)木工機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化、數(shù)字化和柔性化的需求日益增加[1]。隨著定制實(shí)木家具的提出,直紋曲面類零件、馬鞍面零件、多次裝夾導(dǎo)致精度不合要求零件等結(jié)構(gòu)特殊的零件[2],采用常規(guī)三坐標(biāo)數(shù)控設(shè)備無(wú)法完成加工,必須采用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心來(lái)完成。

        四川省青城機(jī)械有限公司近來(lái)開展了對(duì)木工五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的研發(fā)工作,整體采用定龍門式雙工位結(jié)構(gòu),六軸五聯(lián)動(dòng)。支撐主軸的關(guān)鍵部件為一體式焊接橫梁,其剛度影響機(jī)床的幾何精度、定位精度和位移精度,進(jìn)而影響加工工件的形狀精度[3]。當(dāng)外界激勵(lì)頻率與一體式焊接橫梁固有頻率接近或重合時(shí),加工中心產(chǎn)生共振,使刀具磨損加劇、工件表面質(zhì)量下降、形狀誤差和位置誤差增大,嚴(yán)重時(shí)將影響整機(jī)的使用壽命[4]。對(duì)一體式焊接橫梁的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行研究,可為木工五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)提供一定的技術(shù)支持和指導(dǎo)。

        1 一體式焊接橫梁的設(shè)計(jì)

        一體式焊接橫梁工作時(shí)主要受以下三方面力的作用[5-6]:

        (1)橫梁自重及橫梁上導(dǎo)軌和齒條的重力;

        (2)Z軸滑座、Y軸滑座、伺服電機(jī)、減速機(jī)、五軸主軸頭、滾珠絲杠螺母副等組成主軸總成的重力,主軸總成的重心與橫梁重心不重合,是偏心力;

        (3)切削力。

        以上三種力作用在一體式焊接橫梁上,使橫梁既產(chǎn)生彎曲變形又有扭轉(zhuǎn)變形,這對(duì)機(jī)床的主軸定位精度影響很大,從而進(jìn)一步影響整機(jī)的加工精度,因此橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。本文在一體式焊接橫梁設(shè)計(jì)時(shí),通過選擇有利的截面形狀和布置合理的隔板及加強(qiáng)筋來(lái)提高橫梁的剛度。木工五軸聯(lián)動(dòng)加工中心整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,一體式焊接橫梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖1 木工五軸聯(lián)動(dòng)加工中心整機(jī)結(jié)構(gòu)1.真空泵;2.一體式焊接橫梁;3.扶梯;4.Z軸滑座;5.主軸滑座;6.五軸主軸頭;7.右工作臺(tái);8.左工作臺(tái)

        圖2 一體式焊接橫梁結(jié)構(gòu)

        2 一體式焊接橫梁的靜力學(xué)分析

        加工過程中,一體式焊接橫梁受到自重、主軸總成重力和切削力的作用,將產(chǎn)生彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形,橫梁變形又影響五軸主軸頭的定位精度,進(jìn)而影響加工精度,因此需要對(duì)橫梁的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析校核。

        2.1 建立靜力學(xué)分析模型

        用SolidWorks軟件對(duì)一體式焊接橫梁建立全尺寸模型,為減少不必要的計(jì)算消耗,建模時(shí)對(duì)橫梁的螺紋孔、尖角等特征進(jìn)行簡(jiǎn)化刪除。在SolidWorks Simulation插件中,簡(jiǎn)化后的模型零部件接觸類型選“接合”,對(duì)底部地腳螺栓孔添加“固定”約束,外部載荷添加“引力”和“遠(yuǎn)程載荷”,“遠(yuǎn)程載荷”添加在兩個(gè)導(dǎo)軌安裝面,進(jìn)行網(wǎng)格化處理,得到橫梁全尺寸模型、簡(jiǎn)化模型和網(wǎng)格化模型如圖3所示。

        圖3 一體式焊接橫梁模型

        一體式焊接橫梁由Q235A鋼板焊接而成,分析時(shí)認(rèn)為橫梁密度一致,且各向同性。查閱手冊(cè),定義材料屬性采用Q235A,對(duì)應(yīng)的參數(shù)為楊氏彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比μ= 0.29,密度ρ= 7 800 kg/m3。

        2.2 計(jì)算結(jié)果分析

        網(wǎng)格劃分完畢后,運(yùn)行SolidWorks Simulation自動(dòng)求解。得到應(yīng)力、位移和應(yīng)變圖解信息。應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖4、圖5所示。

        圖4 一體式焊接橫梁應(yīng)力云圖

        圖5 一體式焊接橫梁位移云圖

        從應(yīng)力云圖得出,最大應(yīng)力為2.585 MPa,其位于橫梁下方斜支撐筋和立柱前斜筋的交點(diǎn)處,遠(yuǎn)小于材料本身許用應(yīng)力,橫梁結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。從位移云圖得出,最大位移為0.019 mm,其位于橫梁上方導(dǎo)軌安裝面中間位置處,遠(yuǎn)小于整機(jī)要求的0.1 mm,靜剛度滿足使用要求。此外,需進(jìn)一步對(duì)一體式焊接橫梁進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析以驗(yàn)證其合理性。

        3 一體式焊接橫梁的模態(tài)分析

        3.1 模態(tài)分析理論

        模態(tài)分析用于確定一體式焊接橫梁的固有頻率和振型。根據(jù)模態(tài)分析理論,橫梁上各點(diǎn)在激勵(lì)下的響應(yīng)可表示成不同特定固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)構(gòu)成的各階模態(tài)振型疊加,其有阻尼的動(dòng)力學(xué)方程為:

        Mu+Cu+Ku=F(t)

        (1)

        式中:M、C、K分別為橫梁質(zhì)量、阻尼和剛度;u、F(t)分別為橫梁各點(diǎn)的位移向量和激振力向量。

        一般說來(lái),機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型是結(jié)構(gòu)無(wú)阻尼自由振動(dòng)的頻率和振型,與外力作用無(wú)關(guān)。因此,當(dāng)F(t)=0時(shí),得到橫梁的無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程:

        Mu+Ku=0

        (2)

        把自由振動(dòng)分解為一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加,將簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程代入式(2)中,則無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程為:

        (K-ω2M)δ=0

        (3)

        式中:ω為對(duì)應(yīng)階數(shù)的固有頻率;δ為相對(duì)應(yīng)時(shí)刻的位移函數(shù)。求解式(3),得到橫梁固有頻率的特征方程為:

        |K-ωM|=0

        (4)

        3.2 約束模態(tài)計(jì)算

        實(shí)際工作中,一體式焊接橫梁通過地腳螺栓放置在地面上,故對(duì)橫梁進(jìn)行約束模態(tài)分析時(shí)在橫梁模型底部螺栓孔施加固定約束。有限元模型的建立方法與上述一致,經(jīng)分析計(jì)算得到橫梁的前十階固有頻率和振型。固有頻率見表1,前五階振型圖如圖6所示,圖中灰色陰影結(jié)構(gòu)為未變形時(shí)一體式焊接橫梁的外部輪廓。

        表1 一體式焊接橫梁前10階固有頻率

        圖6 一體式焊接橫梁前5階模態(tài)振型 注:X方向?yàn)樗矫鎯?nèi)垂直于導(dǎo)軌安裝面的方向;Y方向?yàn)闄M梁長(zhǎng)度方向;Z方向?yàn)闄M梁高度方向。

        一階約束模態(tài)時(shí),一體式焊接橫梁出現(xiàn)Y方向向后彎曲和Z方向向后偏擺,最大變形位置在頂部中間,最大變形量為0.044 mm;二階約束模態(tài)時(shí),橫梁出現(xiàn)Z方向上下彎曲和Y方向向左偏擺,最大變形位置在頂部右側(cè),最大變形量為0.036 mm;三階約束模態(tài)時(shí),橫梁出現(xiàn)Y方向扭轉(zhuǎn),最大變形位置在頂部左側(cè),最大變形量為0.055 mm;四階約束模態(tài)時(shí),橫梁出現(xiàn)Z方向上向彎曲,最大變形位置在頂部中間,最大變形量為0.068 mm;五階約束模態(tài)時(shí),橫梁出現(xiàn)Y方向向前彎曲和Z方向向后偏擺,最大變形位置在頂部右側(cè),最大變形量為0.061 mm;六階約束模態(tài)時(shí),立柱筋板出現(xiàn)Y方向扭轉(zhuǎn),最大變形量為0.81 mm。

        3.3 計(jì)算結(jié)果分析

        木工五軸聯(lián)動(dòng)加工中心工作時(shí),一體式焊接橫梁上的激振力頻率并不高,當(dāng)激振力頻率接近或與橫梁固有頻率重合時(shí),橫梁將發(fā)生劇烈振動(dòng)。

        木工五軸聯(lián)動(dòng)加工中心電主軸工作轉(zhuǎn)速為18 000 r/min(600 Hz);各直線軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min(50 Hz);各旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min(50 Hz)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為一體式焊接橫梁的主要外部激勵(lì),其頻率小于橫梁一階固有頻率,電主軸頻率大于橫梁的低階固有頻率,故木工五軸聯(lián)動(dòng)加工中心工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。一體式焊接橫梁加工現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

        4 結(jié)論

        利用SolidWorks Simulation對(duì)木工五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的一體式焊接橫梁進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)特性分析,得到了橫梁的主要性能。最大應(yīng)力為2.585 MPa,其位于橫梁下方斜支撐筋和立柱前斜筋的交點(diǎn)處,遠(yuǎn)小于材料本身許用應(yīng)力,橫梁結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求;最大位移為0.019 mm,其位于橫梁上方導(dǎo)軌安裝面中間位置處,遠(yuǎn)小于整機(jī)要求的0.1 mm,靜剛度滿足使用要求。通過模態(tài)分析,得到前十階固有頻率和振型,分析得出橫梁的一階固有頻率大于主要外部激勵(lì)頻率,電主軸頻率大于橫梁的低階固有頻率,整機(jī)不會(huì)發(fā)生共振。所得研究成果可為木工五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)提供一定的技術(shù)支持和指導(dǎo)。

        圖7 一體式焊接橫梁加工現(xiàn)場(chǎng)

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