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1、振动与冲击第27卷第2期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVo.l27No.22008工程应用一种龙门式加工中心横梁的动力学仿真研究1112许丹,刘强,袁松梅,刘景祎(1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100083;2.北京机电院高技术股份有限公司,北京100027)摘要:对一种国产龙门式加工中心的横梁关键部件,采用机械系统多刚体动力学仿真软件ADAMS和有限元分析软件ANSYS进行了静动态特性分析;在考虑重力和切削力作用下,由ADAMS计算出导轨与滑块间的作用力,从而计算出横梁部件的静态变
2、形;通过动态测试和参数辨识方法获得导轨结合面特性参数并将其应用到横梁滑箱系统整体有限元模型中,经过模态分析得到系统固有频率和各阶振型图,并进一步分析了结合面参数变化对横梁滑箱系统整体动态特性的影响。关键词:龙门加工中心;横梁;导轨结合面;刚度;有限元中图分类号:TP3,TG5文献标识码:A龙门式加工中心具有加工跨距大、加工效率高、刚数对加工中心刚度的影响,通过实验测试的方法识别度高等特点,适合于大型零件的加工,在航空、航天、汽出机床主要结合面参数,应用到横梁滑箱系统有限元车、模具等制造行业中得到广泛的应用[1,8]。一种
3、国模型中,分析横梁滑箱系统整体动态特性,进而分析结内研发的龙门式加工中心的工作行程为6300mm@合面参数变化对横梁滑箱系统整体动态特性的影响。3200mm@950mm(如图1所示),其主体结构包括横1系统描述梁、纵梁、立柱、滑箱、滑枕、主轴等机械部分,这些部件的静动态刚度在很大程度上决定了整台机床动态特性横梁滑箱系统实体模型主要由横梁、滑箱、导轨、和加工性能。其中,横梁实现机床X方向运动,横梁与直线电机组成。横梁横跨支撑在两个纵梁上,横梁与滑箱组成的系统主要支承机床Z轴部件(包括减速箱、滑箱通过滚动直线导轨连接,滑箱通
4、过直线电机驱动滑枕和主轴等),其设计结构和动态特性直接影响到整沿Y轴方向往复运动,滑枕及主轴部分在滑箱中实现机刚度及受切削力后主轴系统的变形,进而影响到加垂直方向(Z轴)的上下运动(参见图1)。横梁滑箱系工精度和加工效率。因此,在该加工中心结构设计时,统实体模型在三维软件UG中建立,利用接口导入到横梁及其滑箱的动力学特性是重点关注的问题。ADAMS中,修改其物理参数,如质量、转动惯量等;为了模拟滑枕及主轴部分重量,利用ADAMS中的零件库创建一个箱体(Box),用这个质量块代替滑枕及主轴部分,从而得到虚拟样机模型,图2所
5、示为横梁滑箱系统虚拟样机模型。继而,对建立的虚拟样机模型添加约束条件,横梁和导轨、滑块与滑箱均为固定联接,在ADAMS中选用固定约束副;导轨和滑块间的滚动连接简化为水平-竖直弹簧阻尼系统,利用ADAMS中的约束副组合实现,可参考文献[7]。约束条件添加好后,添加直线电机驱动力和切削力。对横梁系统作仿真分图1龙门加工中心三维模型析,可以得到横梁的受力状况及受力大小。本文首先采用机械系统多体动力学仿真软件AD-AMS,对龙门式加工中心的横梁滑箱系统进行过程动力学仿真,取得横梁承受的载荷,然后利用有限元方法,对横梁进行静力学和
6、动力学分析;考虑到结合面参基金项目:国家863高技术研究发展计划资助重点项目(2005AA424222);国家自然科学基金重大项目(50390063)收稿日期:2007-05-28修改稿收到日期:2007-07-05第一作者许丹女,博士生,1981年生图2横梁滑箱系统虚拟样机模型第2期许丹等:一种龙门式加工中心横梁的动力学仿真研究169和滑箱单个部件的动态特性,了解单个部件的固有频2横梁力学仿真分析率和振型,再确定子结构联接的约束条件:位移相容条211横梁静态分析件和力平衡条件,最后建立系统整体结构的动力学模静态分析是用
7、来计算在固定载荷作用下结构的效型,研究整体动态特性并分析薄弱环节。对横梁进行应,即由稳态载荷引起的系统或部件的位移、应力、应模态分析,得到横梁的固有频率和振型。由于机床零变和力。龙门式机床横梁的受力结构为两点简支梁支部件的低阶固有频率才有可能与机床频率接近或重合承形式,造成横梁变形的主要原因是重力和加工时的产生共振,高阶模态的频率已高于可能出现的激振频切削力。除了横梁本身重量引起的静态变形以外,还率,对于加工质量的影响不大,所以只研究最低阶的几应当考虑横梁上的滑箱沿导轨移动时,会引起横梁弯阶模态。表1列出了利用有限元分析
8、软件进行模态分曲变形的大小不同;同时滑箱重力偏置还会引起横梁析得到的横梁前五阶频率,与锤击实验得到的频率值扭转变形。对于大型和重型机床,移动件的重量大,切相差不大。横梁两端底面约束两个自由度UY、UZ。削力也很大,因此进行受力分析时,必须同时考虑移动表1横梁前5阶模态固有频率(约束)件重力和切削力等载荷作用。阶数12
