加工中心动态特性的有限元分析及实验研究.pdf

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1、数控加工技术现代制造工程2010年第11期加工中心动态特性的有限元分析及实验研究鞠新雷，林建中(上海理工大学机械工程学院，上海200090)摘要：在某加工中心有限元模型中引入用户自定义单元来模拟结合面的刚度，并用ANSYS对其进行模态分析。同时对加工中心的龙门架、滑鞍和主轴箱进行模态实验。并将实验所得数据与有限元计算结果进行比较，得到二者频率值相差不大，从而验证了理论计算的可靠性，并为加工中心结构薄弱环节的进一步改进提供了参考。关键词：hi3：中心；动态特性；有限元；实验中图分类号：TP391．7文献标识码：A文章编号：1671---3133(2010)11—0029—04The

2、finiteelementanalysisandexperimentalresearchofthedynamiccharacteristicsofthemachiningcenterJUXin-lei。UNJian—zhong(CoUegeofMechanicalEngineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200090，China)Abstract：Theuser-definedunitWaSintroducedinthefiniteelementmodelofamachiningcenterto

3、simulatetherigiditycombi-nation．Andthemodalanalysisofthemachiningcenterwa$donebyANSYS．Thenamodalexperimentwasdoneonthemachiningcenterlikefninle、slidesaddleandspindlebox．Theexperimentaldataandthefiniteelementcalculationresultswerecomparedandtheerrorisreasonable．Sothetheoreticalcalculationisfea

4、sible．Andthereferenceofstructureimprovementw∞providedforthemachiningcenter．Keywords：machiningcenter；dynamiccharacteristics；finiteelement；experimentO引言由于现代化科学技术的发展和工艺水平的提高，先进刀具的大量出现和使用，以及对机床加工性能的要求不断提高，所以机床必须具备良好的结构动态特性。机床结构动态特性的分析与研究已成为当今机床行业中新产品研制的重要环节。机床的机械结构中，除了有床身、立柱、滑座、工作台、主轴箱和主轴等结构本体之外，

5、还有像螺栓联接、导轨联接、丝杠联接、轴承联接和锥柄联接等结合部。这些结合部的存在对机床结构整体特性有很大影响¨．2j。因此要准确预测机床动态性能，对整机进行动力学分析的同时还要考虑结合部的影响。本文利用通用软件ANSYS对加工中心动态特性进行有限元分析，分析的同时考虑了加工中心龙门架与床身螺栓固定结合面、滑鞍与龙门架导轨结合面及主轴箱与滑鞍导轨结合面的刚度对整机固有频率的影响，在有限元模型中引入了用户自定义单元模拟结合面刚度。同时对加工中心进行了模态实验，并将实验数据与有限元计算结果进行比较，二者相差不大，并为加工中心结构的进一步改进提供了参考。1加工中心有限元分析1．1加工中心

6、结构模型的建立加工中心结构见图1，包括床身、龙门架、滑鞍、主轴箱、工作台、交换台、滚珠丝杠和伺服电动机等。其中龙门架与床身之间用螺栓联接，滑鞍与龙门架之间及主轴箱与滑鞍之间由滑动导轨联接。利用Solid—Works软件建立其数字化模型，并导人ANSYS中建立有限元模型，采用Solid95单元进行网格划分，得到239787个单元，加工中心有限元模型如图2所示。1．2动力学分析中结合部的处理方法在机床整机动态特性解析中，结合部动态特性参数的确定是一个难点，主要原因是结合部具有强烈的非线性特性，它与激振频率、介质、加工方法和材质等因素有关。纯粹依靠实验方法确定结合部的动态特29现代制造

7、工程2010年第11期数控加工技术图1加工中心结构性参数往往要依据特定的实验条件和对象，缺乏通用性，很难实现图样设计阶段机床动态特性预测。目前动力学分析中，有以下两种处理结合部参数的方法。1)实验建立结合部参数的求解模型，结合有限元分析的理论，编写相应的程序，设置接触面的特性参数，通过有限元计算得到响应的动态特性"引。2)实验测定结合部的特性参数，将参数输入自定义结合部单元，进行有限元计算№J。图2加工中心有限兀模型本文采用结合部的第二种处理方法，参考文献[7]得到结合部结合面刚