五轴加工中心滑枕悬伸误差的虚拟仿真分析

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1、五轴加工中心滑枕悬伸误差的虚拟仿真分析杨庆东刘国庆王科社曹东兴（北京机械工业学院机械工程系，北京100085）摘要：为了满足机床的高精度、高刚度、高速度和复杂运动的要求，在设计阶段用有限元分析方法对卧式五轴加工中心滑枕的数字模型进行了静变形、固有特性和动力响应仿真分析。静力学分析计算出悬伸的滑枕在铣削力和铣头的重力的作用下的变形量，分析变形量对加工精度的影响。对滑枕进行在不同约束时的固有振动特性分析，得出了相应的固有频率和振型。响应分析是模拟多齿铣刀切削时的周期性激振力作用在滑枕上。根据分析计算结果，对提高滑枕的静动态刚度提出结构设计优化和改进方案；并采取相应的抗变形措施

2、，改进机床在大悬伸量情况下的加工精度，仿真计算为机床设计提供了依据。关键词：悬伸滑枕；有限元；虚拟仿真分析；动态特性一个机床新产品的开发研制按传统的方式要经过产品设计、样机制造、性能实验、样机评价和修改设计等几个阶段。这种设计方法开发研制周期长，做实体样机投资大。对于高速五轴加工中心这样结构复杂、运动自由度多、性能要求高的机床产品可能要经过几个循环才能得到满意的结果投入生产。借助于虚拟制造技术，对实体机床的实验和评价过程可以完全在计算机上进行，节约了大量样机试制投资，也缩短了开发时间。机床虚拟设计包括虚拟样机的建模和仿真实验。卧式机床工作时，由于滑枕会工作在不同的悬伸位置

3、，而引起刀具的下垂，严重影响机床的运动精度和加工精度。特别是在所设计的五轴加工中心中，由于加工范围大，滑枕悬伸量大，更为严重的是，摆头式主轴加工中心增加了铣头，铣头的长度和重量都加大了滑枕的下垂量。因此，在设计中必须考虑并解决这一问题，我们在应用虚拟仿真技术设计机床时，对机床滑枕进行了动力学分析，估算了滑枕的下垂量，根据分析结果，修改了滑枕的结构设计，并采取了相应的措施，减少了下垂量。1滑枕悬伸误差图1为五轴加工中心的结构图示意，铣头是可交换的，图中所示为立卧转换铣头。图中的滑枕分别处于两个极限位置。滑枕在悬伸极限位置时的下垂量Δ由三个部分组成：Δ＝δ1＋δ2＋δ3δ1为

4、滑枕部件由自重引起的静态弹性变形误差。δ2为由间隙引起的几何误差，其间隙量随磨损的增加而增大。δ3为由于支承处重力引起的接触面积变化而产生的弹性变形误差。该误差受间隙的影响，间隙增大时，在两端点处支承面积减少而使弹性变形增大。在上述误差中，因重力引起的变形误差可以用增强滑枕截面和尺寸的方法改善，也可以采用补偿的方式减少误差。间隙在滑动导轨上是不可避免的，而且随磨损量的增加而增大。当滑枕重心在支承导轨的外面，间隙增大，增大了摩擦力，加速了磨损，同时也加速了弹性变形误差。特别是大行程的大型卧式铣床，逐渐增加的滑枕误差大大影响了机床精度，同时，滑枕的悬伸也会影响机床的动刚度。在

5、初步完成机床的设计建模后，对滑枕进行静力学和动力学仿真分析。图1机床的结构示意图2滑枕的静态特性分析静力学分析的目的是计算滑枕因自重引起的静变形下垂量。滑枕的外形尺寸见图1，滑枕材料为灰93铸铁，对应的材料参数为：杨氏模量为150X10pa，材料密度ρ=7200kg/m,泊松比μ=0.25。计算时首先将设计的三维模型文件导入到有限元分析软件中，再对模型进行一些修改和简化，使其成为用于有限元分析的实体模型。然后对模型划分计算单元，如图2所示。在滑枕处于最大悬伸的极限位置时(见如图3)，静变形下垂量最大。因此边界条件，包括约束和载荷均施加在此位置下。载荷由滑枕的悬伸部分、滑枕

6、的非悬伸部分和铣头的重量三部分组成，滑枕的非悬伸部分按照均布载荷加载，滑枕的悬伸部分的重心在G1点，铣头的重心在G2点，将铣头和滑枕的悬伸部分的重量折算到如图3所示的滑枕端面E上。改进前电机在图示的位置1处，整个滑枕部件的重心在G3，在支承导轨的外面。约束的施加分为下面二种情况来讨论：第一种约束：考虑在理想情况下，导轨镶条和压板均在无间隙的状态，如图3所示，点A和点B间所有节点都接触良好，即在点A和点B间所有节点上都加上约束。此时间由于接触良好而受力均匀，是悬臂梁结构，滑枕仅仅产生由于悬伸部分自重引起的静变形下垂量；第二种约束：在实际滑枕工作状态下，由于间隙的影响，约束和

7、受力情况是只有在点A和点D附近的部分节点接触，可以近似将它简化为点A端固定、点D端滑动的简支粱支承结构。图2滑枕的有限元模型图图3滑枕的约束对上面的二种约束情况下的有限元模型分别求解，第一种约束情况下的位移图见图4。图4第一种约束情况下的位移图图5间隙图由于铣头较重，实际上滑枕的接触情况非常近似于第二种约束，与第一种约束相比，从计算结果可知，Y向位移增加了约20%。在这种情况下，滑枕的导轨的受力严重不均，非常容易磨损，使间隙增大，直接影响铣头的加工精度。间隙也是滑动导轨影响滑枕下垂的重要因素。由于间隙引起的几何误差δ2可以由图