閆宮君

（甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水741000）

0 引言

在數(shù)控機床的實際使用過程中，數(shù)控機床的種類、生產(chǎn)水平與工業(yè)加工精度反映了一個國家的工業(yè)與裝備制造業(yè)的發(fā)展水平[1-3]。

為了提升VMC850B加工中心的加工精度與技術(shù)要求，工作臺在加工過程中應(yīng)滿足高抗振性、高平穩(wěn)性等要求，本文對VMC850B加工中心的工作臺進行了優(yōu)化設(shè)計，以求提升工作臺的抗振性[4]。同時，對工作臺的關(guān)鍵構(gòu)件進行選型優(yōu)化，使其具有良好的動態(tài)特征，避免工作臺振動造成加工精度降低等問題。加工中心工作臺經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，通過對比實驗的形式對優(yōu)化結(jié)果進行了檢測，以驗證此次優(yōu)化設(shè)計的有效性與可行性。

1 工作臺優(yōu)化設(shè)計

1.1 工作臺靜態(tài)構(gòu)架有限元分析

在此次優(yōu)化方案設(shè)計中，需對工作臺的靜態(tài)架構(gòu)進行有限元分析，在此之前，應(yīng)運用SolidWorks三維軟件，對VMC850B加工中心工作臺進行三維建模，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，通過ANSYS軟件，對工作臺的點、線、面、體展開幾何模型構(gòu)建，并對構(gòu)建結(jié)果進行網(wǎng)格劃分，確定模型的節(jié)點與單元，然后完成VMC850B加工中心工作臺模型的構(gòu)建工作。在此過程中，使用布爾操作，以便于對模型中的數(shù)據(jù)進行修改與剔除。在有效元模型構(gòu)建過程中控制網(wǎng)格劃分密度，使用ANSYS軟件中的默認(rèn)網(wǎng)格控制，生成適用于工作臺的網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果，為保證網(wǎng)格劃分的有效性，應(yīng)進行多次反復(fù)劃分，得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。VMC850B工作臺靜態(tài)架構(gòu)分析簡圖如圖1所示。

圖1 VMC850B工作臺靜態(tài)架構(gòu)分析簡圖

由圖1可知，在導(dǎo)軌與工作臺連接處的應(yīng)力最大，過大的應(yīng)力會影響工作臺的疲勞程度和使用壽命，從而間接影響工作臺的抗振動性能。

1.2 阻尼器的添加與應(yīng)用

本文在有限元分析模型的基礎(chǔ)上，對工作臺的部分構(gòu)件展開優(yōu)化，在部分關(guān)鍵零部件中進行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，避免工作臺振動問題的發(fā)生。由于機床本身存在動力源，工作臺在加工過程中會出現(xiàn)相應(yīng)的受迫振動和刺激振動，這些振動會影響工作臺的使用效果，因此需要在工作臺中尋找相應(yīng)的共振點，并在此點增加調(diào)諧阻尼器?；诠ぷ髋_結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在工作頻率范圍內(nèi)完全避免整機的共振是較為困難的，因此將調(diào)諧阻尼器可簡化為一個單自由度振動系統(tǒng)，使其內(nèi)部具有質(zhì)量較大的阻尼彈簧，通過此種阻尼器吸收主要振型的振動，并實現(xiàn)對工作臺的控制。采用此種控制方式，提升工作臺的抗振性、平穩(wěn)性以及阻尼特性。將上述分析與設(shè)定結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)有的VMC850B加工中心工作臺中，以此完成優(yōu)化。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 實驗環(huán)境設(shè)定

為驗證此研究中完成的VMC850B加工中心工作臺優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的科學(xué)性，本文構(gòu)建了實驗環(huán)節(jié)對其展開分析。在此次實驗過程中，使用文中優(yōu)化后的工作臺與其他方法優(yōu)化后的工作臺進行對比，以此完成分析過程。

實驗時，通過對工作臺進行沖擊實驗比較文中優(yōu)化后的工作臺與使用其他方法優(yōu)化后的工作臺的使用差異。此次實驗中使用沖擊力錘與激振器作為實驗設(shè)備。通過沖擊力錘為工作臺提供脈沖信號，驗證工作臺應(yīng)用效果。為提升實驗的對照性，增加激振器作為第二組實驗設(shè)備，對工作臺施加一個同源信號，驗證兩種環(huán)境下，工作臺的抗振能力。

從理論上來講，不論何種實驗方法，只要對工作臺施加合適的振動，均可以得到實驗結(jié)果，且實驗結(jié)果會出現(xiàn)一定的差異。因此，在實驗對象的選擇上會增加其他指標(biāo)以增加實驗的全面性與代表性。

2.2 實驗指標(biāo)選取

在此次實驗過程中，將實驗指標(biāo)設(shè)定為工作臺振動時間與關(guān)鍵構(gòu)件的位移長度。在實驗過程中共進行500次實驗，每50次為一組，計算其平均位移長度與振動時間。在實驗過程中涉及了大量的數(shù)據(jù)計算與處理環(huán)節(jié)，注意數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度與末位保留情況。

2.3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)上述設(shè)定的實驗環(huán)節(jié)與驗證方式，得到的工作臺振動時長實驗結(jié)果如表1所示，工作臺關(guān)鍵構(gòu)件位移長度實驗結(jié)果如表2所示。

表1 工作臺振動時長實驗結(jié)果

根據(jù)表1實驗結(jié)果可以看出，使用文中設(shè)計方法優(yōu)化后工作臺的振動時間最短，且區(qū)間分布較為穩(wěn)定。使用其他兩種方法優(yōu)化后的工作臺振動時間較長，且區(qū)間不穩(wěn)定。同時，對比兩種實驗器具實驗結(jié)果可知，在兩種不同工具的影響下，使用文中設(shè)計方法優(yōu)化后的工作臺振動時間較為一致，其他兩種方法優(yōu)化后的實驗結(jié)果差異度較大，可見目前使用的優(yōu)化方法使用效果具有一定的局限性，使用效果不佳。文中設(shè)計方法可對多種器具的影響進行緩解，提升工作臺使用過程中的穩(wěn)定性。

表2 工作臺關(guān)鍵構(gòu)件位移長度實驗結(jié)果

根據(jù)表2實驗結(jié)果可以看出，使用文中設(shè)計方法優(yōu)化后的工作臺的關(guān)鍵構(gòu)件位移距離最短，實驗結(jié)果較為穩(wěn)定地控制在合理區(qū)間內(nèi)。使用其他兩種方法優(yōu)化后的工作臺關(guān)鍵構(gòu)件位移距離較遠，且實驗結(jié)果較為分散。同時，對比兩種實驗器具實驗結(jié)果可知，在兩種不同工具的影響下，使用文中設(shè)計方法優(yōu)化后的工作臺可對關(guān)鍵構(gòu)件進行合理控制，可避免出現(xiàn)構(gòu)件不良情況。使用傳統(tǒng)方法優(yōu)化后并沒有對于工作臺構(gòu)件移動情況展開合理的優(yōu)化，可見目前應(yīng)用的優(yōu)化方法對于工作臺關(guān)鍵構(gòu)件位置的控制能力較差，不利于數(shù)控機床的使用。

結(jié)合工作臺關(guān)鍵構(gòu)件位移長度實驗結(jié)果與工作臺振動時長實驗結(jié)果分析可知，文中設(shè)計方法的使用效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法的使用效果，在日后的工作臺控制中可以選用文中設(shè)計方法作為工作臺優(yōu)化的主要方案。

3 結(jié)語

本文結(jié)合了目前使用的新興技術(shù)，完成了加工中心工作臺的優(yōu)化設(shè)計，并取得了一定的成果，使工作臺在外觀不變的前提下，性能得到進一步提升，同時通過實驗證實了此次優(yōu)化方案的適用性。但是仍有不少問題有待進一步研究和探討，如進一步將調(diào)諧阻尼器技術(shù)應(yīng)用在制造加工中，最大限度地提升工作臺的使用效果等。