馬琳博, 馬晨波*, 張玉言, 韓 權(quán), 孫見君, 姚 遙

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.南通躍通數(shù)控股份有限公司,江蘇 南通 226000)

我國是世界上最大的門窗生產(chǎn)加工基地,同時(shí)也是全球最大的消費(fèi)市場,木門占我國門窗總產(chǎn)量的70%。根據(jù)中國木材與木制品流通協(xié)會(huì)2022年度中國木門行業(yè)發(fā)展報(bào)告統(tǒng)計(jì),2022年木質(zhì)門出口額為7.73億美元,同比2021年增長6.47%[1]。近年來,隨著我國木門自動(dòng)化制造水平的不斷提高, 木門生產(chǎn)定制化與制造自動(dòng)化的矛盾得到緩解,在自動(dòng)化制造理念、加工工序以及生產(chǎn)工藝等方面的創(chuàng)新層出不窮[2]。

隨著《中國制造2025》國家戰(zhàn)略的推進(jìn)落實(shí),我國木門自動(dòng)化制造水平已從人工加工完成了向數(shù)控加工的轉(zhuǎn)變[3];數(shù)控機(jī)床加工產(chǎn)品的精密程度日益成為了一項(xiàng)重要課題。由于重力等因素的影響,橫梁不可避免地存在變形[4]?，F(xiàn)階段相關(guān)研究對橫梁形變的計(jì)算多采用有限元分析軟件對橫梁進(jìn)行理想無間隙情況下的靜力學(xué)分析及模態(tài)分析[5-6],針對含間隙的橫梁運(yùn)動(dòng)過程帶來的形變考量較少。對機(jī)床橫梁的優(yōu)化多采取改善橫梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法,如齊齊哈爾大學(xué)姜淑鳳等[7]對雙柱立式車床橫梁結(jié)構(gòu)開展輕量化設(shè)計(jì),通過對橫梁截面的受力分析,在實(shí)現(xiàn)橫梁的輕量化的同時(shí)成功提高了橫梁靜剛度。機(jī)床的實(shí)際裝配過程中,橫梁通過滾動(dòng)導(dǎo)軌和固定于立柱上的導(dǎo)軌滑塊構(gòu)造的移動(dòng)副實(shí)現(xiàn)橫梁的移動(dòng),研究導(dǎo)軌布置方式對橫梁形變的影響對提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量具有重要意義。

1 構(gòu)造鋸銑機(jī)橫梁模型

根據(jù)鋸銑機(jī)橫梁三維模型,設(shè)備圖如圖1所示。固定于橫梁上導(dǎo)軌,固定于立柱上滑塊通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)橫梁實(shí)現(xiàn)進(jìn)給過程。現(xiàn)有設(shè)備所選取的固定方式是側(cè)方+上方的導(dǎo)軌布置形式。

圖1 鋸銑機(jī)橫梁三維模型圖

根據(jù)鋸銑機(jī)橫梁三維模型,抽離橫梁搭載主要結(jié)構(gòu)對橫梁部分進(jìn)行簡化分析,對衡量模型進(jìn)行簡化重構(gòu),抽離出橫梁、固定立柱、伺服電機(jī)、銑組件a、銑組件b及鋸組件,簡化概念圖如圖2所示。

圖2 橫梁結(jié)構(gòu)簡圖1.伺服電機(jī);2.垂直立柱;3.橫梁結(jié)構(gòu);4.銑組件

利用Solidworks軟件對設(shè)備的橫梁部分進(jìn)行重構(gòu),材料設(shè)置為Q235A,密度為7.86×103kg/m3,彈性模量為2.19×1011Pa,泊松比0.288。由于本文僅考慮橫梁的形變過程,各組件部分作為橫梁配載可進(jìn)一步簡化為受力點(diǎn),受力點(diǎn)設(shè)置如圖3所示,其中各受力點(diǎn)的受力大小根據(jù)各裝配組件的質(zhì)量確定。

圖3 橫梁結(jié)構(gòu)受力點(diǎn)

企業(yè)目前導(dǎo)軌布置方式采取側(cè)方+上方布置,在此基礎(chǔ)上,本文另提出了三種方法:側(cè)方布置、上方布置以及上下布置,布置形式簡圖如圖4所示。

圖4 四種橫梁布置方案

本節(jié)四種導(dǎo)軌布置方案的提出與模型構(gòu)建為下一步橫梁進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)仿真過程搭建了基礎(chǔ)。

2 間隙值對橫梁進(jìn)給過程形變的影響

考慮到橫梁采用直線導(dǎo)軌進(jìn)行滑動(dòng)連接,固定滑塊與導(dǎo)軌之間是存在間隙的,在實(shí)際運(yùn)行過程中間隙值的大小會(huì)對橫梁進(jìn)給過程的穩(wěn)定性造成影響,繼而影響加工精度。為了充分考慮含間隙情況對橫梁進(jìn)給過程的影響[8],本次仿真基于現(xiàn)行布置方案,使用ADAMS多體動(dòng)力學(xué)軟件構(gòu)造剛?cè)狁詈夏Ｐ?采用Newmark逐步積分法計(jì)算橫梁進(jìn)給過程中的形變響應(yīng)。

2.1 初始參數(shù)確定

設(shè)備橫梁橫動(dòng)最大行程660 mm,橫梁運(yùn)行最高速度9 m/min,伺服電機(jī)啟停時(shí)間500 ms;據(jù)此求參,給定橫梁驅(qū)動(dòng)函數(shù)STEP( time , 0 , 0 , 0.5 , 150)+STEP( time ,4.4 , 0 , 4.9 , -150),速度變化曲線如圖5所示。

圖5 速度變化曲線

在ADAMS軟件中開展剛?cè)狁詈夏Ｐ偷姆抡?需要對剛性體和柔性體的接觸進(jìn)行設(shè)置。固定滑塊與導(dǎo)軌由軸承鋼材料制造,二者設(shè)置的接觸力剛度系數(shù)為1×106N/mm,阻尼系數(shù)為50 kg/s,同時(shí)標(biāo)注測量參考點(diǎn)。設(shè)置完成后界面如圖6所示,黃色突出位置為側(cè)方角標(biāo)記位置。

圖6 Adams仿真設(shè)置界面

2.2 現(xiàn)行導(dǎo)軌布置方案不同間隙條件下的動(dòng)力學(xué)分析

參考目前鋸銑機(jī)的導(dǎo)軌布置方案,調(diào)整接觸力條件中的穿透深度,設(shè)置仿真時(shí)間6 s,步數(shù)400,對鋸銑機(jī)橫梁進(jìn)給過程進(jìn)行模擬,獲得間隙值0 mm、0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm及0.08 mm條件下橫梁質(zhì)心及側(cè)方角處的形變情況,如圖7所示。

圖7 不同間隙下橫梁質(zhì)心及側(cè)方角處的位移情況

由圖7可以看出在進(jìn)給過程中間隙值大小對橫梁質(zhì)心的位移情況并不明顯,即對橫梁整體的振動(dòng)情況影響不大。對橫梁側(cè)方角而言,隨著間隙值的增大,橫梁側(cè)方角位移量的X向位移幅值也在增大,但Y向變化并不明顯,即間隙值的大小對橫梁特定位置的X向位移存在一定影響。

3 方案對比分析

為進(jìn)一步改進(jìn)橫梁導(dǎo)軌布置方案,對本文所提到的四種方案分別進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的對比分析,分析結(jié)果匯總?cè)缦隆?/p>

3.1 靜力學(xué)結(jié)果分析

在靜力學(xué)過程中,根據(jù)理論力學(xué)理論,懸臂梁越長,其最遠(yuǎn)端形變越大。在本文所考慮的鋸銑機(jī)模型中,利用ANSYS軟件對簡化導(dǎo)軌施加上文中分析得到的組件力,對四種模型分別進(jìn)行靜力學(xué)分析比較,獲得結(jié)果如圖8所示,整理結(jié)果見表1。

表1 四種導(dǎo)軌布置方式橫梁靜力學(xué)最大值匯總

圖8 四種導(dǎo)軌布置方式橫梁靜力學(xué)形變結(jié)果

根據(jù)有限元軟件分析結(jié)果,靜態(tài)結(jié)構(gòu)下側(cè)方布置、上方布置的結(jié)果不如目前企業(yè)選擇的側(cè)方+上方布置,橫梁上下布置的形變大小要小于目前企業(yè)選擇方式,靜態(tài)下形變最大值減少接近0.01 mm;為優(yōu)化橫梁進(jìn)給過程中的穩(wěn)定性,需進(jìn)一步考慮其動(dòng)態(tài)過程。

3.2 動(dòng)力學(xué)結(jié)果分析

由第二節(jié)結(jié)果分析,質(zhì)心可反映導(dǎo)軌運(yùn)行的穩(wěn)定性,但并不能反映橫梁上指定測量點(diǎn)的位移變化情況。為考慮橫梁裝配組件位置的位移情況,設(shè)置四個(gè)測量點(diǎn),測量點(diǎn)1指代橫梁質(zhì)心處,測量點(diǎn)2指代橫梁承載鋸組件處,測量點(diǎn)3指代橫梁承載銑組件a處,測量點(diǎn)4指代橫梁承載銑組件b處。測量點(diǎn)及坐標(biāo)軸設(shè)置如圖9示。需要強(qiáng)調(diào)的是,在模型仿真過程中,為模擬實(shí)際工況,導(dǎo)軌和滑塊之間給定了一個(gè)間隙值。查取標(biāo)準(zhǔn),間隙值大致在0.01～0.05 mm之間,我們選取0.03 mm間隙,以下結(jié)果均基于此工況,且配載情況同上文所述。

圖9 測量點(diǎn)及坐標(biāo)軸設(shè)置

采用ADAMS軟件創(chuàng)建剛?cè)狁詈线B接,獲得X軸向結(jié)果整理如圖10所示,Y軸向結(jié)果整理如圖11所示。

圖10 X軸向各測量點(diǎn)位移結(jié)果

圖11 Y軸向各測量點(diǎn)位移結(jié)果

根據(jù)圖10和圖11,我們發(fā)現(xiàn):導(dǎo)軌上下固定在導(dǎo)軌進(jìn)給過程中穩(wěn)定性表現(xiàn)相對較優(yōu),僅在測量點(diǎn)4處的表現(xiàn)相對其他方案位移幅度較大。綜合考慮,采取導(dǎo)軌上下布置方式可以進(jìn)一步提高鋸銑機(jī)加工過程中導(dǎo)軌運(yùn)行的穩(wěn)定性,提高該型號鋸銑機(jī)加工產(chǎn)品的精度。

4 結(jié)論

(1)橫梁采用導(dǎo)軌—滑塊固定方式裝配,間隙值不可避免地對整機(jī)加工過程產(chǎn)生影響。通過本文的分析,在進(jìn)給過程中間隙值大小對橫梁整體的振動(dòng)情況影響不大。對橫梁側(cè)方角位置而言,隨著間隙值的增大,橫梁側(cè)方角位移量的X向位移幅值越大,但Y向變化并不明顯,即間隙值的大小對橫梁特定位置的X向位移存在一定影響。

(2)在本文提到的四種布置方案中,橫梁上下布置中整體動(dòng)靜態(tài)的形變情況表現(xiàn)整體占優(yōu),且優(yōu)于企業(yè)目前所選擇的導(dǎo)軌布置方式。橫梁運(yùn)行至最遠(yuǎn)端處形變量比企業(yè)目前方式減小了接近0.01 mm,且進(jìn)給過程整體動(dòng)態(tài)表現(xiàn)更穩(wěn)定,能夠有效提高鋸銑機(jī)加工產(chǎn)品的精度,具有一定的工程實(shí)踐意義。