高架桥式高速五坐标龙门加工中心动态仿真与结构优化

高架桥式高速五坐标龙门加工中心动态仿真与结构优化3 DY NAM I C S I M ULAT I O N AND STRUCTURE O PT I M IZAT I O N O FTHE H I GH SPEED5AXES GANTRY M ACH I N I NG CENTER张建润331　孙庆鸿1卢　熹1郑佳明1倪向阳1彭　文2姚树健2(1.东南大学机械系,南京210096)(2.江苏多棱数控机床股份有限公司,常州213012)ZHAN G J i anR un1　SUN Q ingHo ng1LU Xi1　ZHEN G J iaM ing1　N I XiangYang1P EN G W en2　Y AO S huJ i a n2(1.D epart m ent of M echanica l Eng ineering,S outheast U n iversity,N anjing210096,China)(2.J iangsu D uoling N C M echanical Tool L td.,Changzhou213012,China)摘要　在大型高架桥式、高速、高精度五坐标龙门加工中心的动态设计中,通过动态测试的方法获得导轨结合面的特性参数,并将其应用到数字仿真模型中,提高模型的精度。

在结构动态分析中采用刚体与柔性体结合的仿真方法,对加工中心的关键部件进行柔性化,分析其对系统相应的影响,并在此基础上对这些主要部件进行结构优化设计,提高系统的动态特性。

关键词　龙门加工中心　结合面参数　动态仿真　结构优化设计中图分类号　TG502　T H122Abstract　I n the dyna m ic design of the high s peed and high p recisi on5axes gantry machining center,the contact parame2 ters of guide surface had been acquired by the dyna m ic test and they had been app lied t o the nu merical si m ulati on model.By this way,the accuracy of model was i m p r oved.I n the structure dyna m ic design,a si m ulati on method combining rigid body and flexi2 ble body is app lied.The main components are set t o flexible,and their influences are analyzed.The structure op ti m izati ons are made t o i m p r oved the dyna m ics of the machine on these analyses.Key words　Gan try mach i n i n g cen ter;Param eters of con t act surfaces;D ynam i c si m ul a ti on;Structure opti m a l de2 si gnCorresponding auther:ZHAN G J ianRun,E2m ail:zhangir@,Tel:+86225283794144The p r oject supported by the Nati onal Natural Science Foundati on of China(50375026)and J iangsu Foundati on Pr ogra m of Science and Technol ogy Base Establish ment.Manuscri p t received20060123,in revised for m20060216.1　引言大型高架桥式、高速、高精度五坐标龙门加工中心主要用于航空航天工业中大型铝合金构件和复杂模具的高速、高效、高精度切削加工。

虽然,目前国内外有一系列关于机床动态设计与优化的理论和方法,但对于大型高架桥式五坐标龙门加工中心这样的机床,其结构形式和动态特性与传统的机床有很大区别[1]。

本文在该机床的设计过程中采用动态仿真技术,使得机床在设计中即发现问题、并通过结构优化设计,开发出具有良好的动、静态特性的机床。

本文首先对设计过程中的机床进行刚体和柔性体建模,针对机床中的主要导轨结合面,采用参数识别技术,将识别得到的物理参数应用到整机的有限元建模中,提高有限元模型的精度。

针对对整机性能有重要影响的横梁、滑座及主轴箱结构进行结构优化设计,提高机床的动态特性。

对于结构中不可避免的共振问题,巧妙采用机床原有附属装置设计减振调谐阻尼器,有效控制机床在工作频率下的振动问题,对机电产品的动态设计提供一个很好的思路。

Journa l of M echan i ca l Strength2006,28(S):01～043 3320060123收到初稿,20060216收到修改稿。

国家自然科学基金项目资助(50375026)、江苏省科技基础设施建设计划(BM2005003)资助。

张建润,男,1962年10月生,江苏镇江人,汉族。

东南大学机械系教授,博士,主要研究方向为机械动态设计、振动与结构声。

曾获国家教委科技进步一等奖、中国汽车工业科技进步二等奖、江苏省科学技术进步二等奖等,发表论文约30余篇。

2　加工中心的CAD 模型及导轨界面特性测试 图1是最初设计的五坐标龙门加工中心CAD(computer aided design )模型。

在整个机床中,有许多结合面,其中导轨结合面对动、静态特性有重要影响,而目前还没有一个很好的关于导轨结合面的理论建模方法,因此本文选择设计过程中采用的导轨进行模态试验,识别出界面的刚度和阻尼,然后将此结果应用到动态仿真模型中,提高模型的精度。

1.立柱2.滑座3.滑台4.横梁5.拖板6.箱体7.轴8.电主轴架　9.电主轴1.Post2.Slide seat3.Slide bedp late4.Trans om5.T ow p late6.Box7.Sp indle8.Support of electrical s p indle9.Electrical s p indle图1　整机CAD 模型Fig .1　The CAD model of machining center图2　导轨界面动态特性测试照片Fig .2　Phot o of the dyna m ic measure mentof he guide contacts 图2为加工中心横梁与滑台之间的导轨,横梁的两段各有8个此类导轨与滑台联接,为获得导轨界面动态特性,将其中一个导轨安装在巨大的测试台上(如图2),在滑块上放置加速度传感器,采用脉冲激励分别对导轨垂直向和侧向进行测试,此时系统表现出明显的单自由度特征,测试其传递函数,从而识别出系统的横向刚度和垂向刚度。

导轨的横向刚度为7.6496×107N ・m -1,垂向刚度为5.5221×108N ・m -1。

相对应的阻尼比分别为0.012和0.0168。

3　加工中心的刚柔动静态仿真与分析目前单纯刚体动力学分析方法和有限元分析法具有各自的特点,例如刚体动力学分析对结构的运动过程可以做到准确的仿真,而对过程中的应力和应变等的描述不是很清晰。

本文采用刚柔结合的方法,在多刚体动力学的分析过程中加入柔性体,使得部件在仿真正式运动的过程中,同时分析出系统的位移和应力特征。

该方法的基础是超单元分析法,首先将部件柔性化处理,再根据零件实际接触和约束条件,创建相应的界面点,用有限元法计算生成部件的模态中性文件。

在动力学仿真中,可以导入此模态中性文件,形成刚柔耦合的数字仿真模型,模拟机床切削,从而得到机床在加工过程中的振动和变形。

图3为立柱、滑座、横梁、主轴箱等主要部件柔性化后的整机模型。

图3　整机主要部件柔性化模型Fig .3　The whole model with main elasticized parts为分析立柱、滑座、横梁及主轴箱对加工中心动态特性的影响,分别用对立柱、滑座、横梁及主轴箱柔性化的模型进行动力学仿真,在仿真过程中取刀具所在位置点在三个方向上的位移为评价指标。

定义运动及载荷为,横梁沿滑座直线运动的传动副,匀速直线运动135mm /s;拖板沿横梁的传动副速度135mm /s;箱体沿托板竖直方向的传动副及相应的运动125mm /s;主轴的旋转副5r/s;主轴转速为8000r/s,在刀具端加切削力F x =F y =1500N ,F z =1000N,所加力及力产生的主轴转矩均与相应的运动速度方向相反,整个仿真切削时间为5秒。

各单件柔性化的模型仿真结果比较如表1。

　02机 械 强 度2006年　表1　单件柔性化仿真计算结果Tab .1　S i m ul a ti on results w ith each flex i ble com ponen t柔性化零件Flexible componentx 向平均振动量D is p lace ment in x directi on /mmy 向平均振动量D is p lace ment in y directi on /mm z 向平均振动量D is p lace ment in z directi on /mm 立柱Post 0.0168 4.66×10-49.24×10-4滑座Slide seat 5.11×10-40.00123 2.59×10-4横梁Trans om 3.911×10-4 2.65×10-50.0011箱体Box0.010240.00397.7×10-4从上面的仿真分析结果可以看出,对加工中心x方向影响比较大的零件是箱体,对y 向影响比较大的零件为滑座,而横梁对z 轴的影响教大。

上面对主要部件柔性化处理仿真分析后,可以分析出各主要零件的影响,为更好理解这些件对加工中心的综合影响,在这里将所有主要部件同时柔性化后对机床进行动力学仿真,其结果如表2。

从计算结果可以发现,各部件柔性化综合后对加工中心的影响远远高于单件的影响。

表2　主要部件同时柔性化仿真计算结果Tab .2　S i m ul a ti on results w ith a ll ma i n flex i ble com ponen tsx 向平均振动量/mmD is p lace ment in x directi on /mm y 向平均振动量/mmD is p lace ment in y directi on /mm z 向平均振动量/mmD is p lace ment in z directi on /mm 0.05950.02010.02164　关键部件的结构优化设计根据上述动力学仿真分析,有必要对加工中心的主要结构件滑座、横梁、主轴箱进行优化设计。