高速精密加工中心整机动态性能分析

高速精密加工中心整机动态性能分析

王富强;芮执元;雷春丽;冯瑞成

【摘要】针对滚动导轨结合面特性参数难以确定的问题,提出滚动导轨结合面弹簧-阻尼等效模型及试验模态测试方法,获得导轨结合面的特性参数并将其应用到整机有限元模型中,进行整机有限元模态分析.对加工中心进行整机模态试验分析,将获得的分析结果与有限元分析结果进行比较.结果表明,有限元分析结果和试验分析结果吻合较好;同时识别出机床的薄弱环节,为整机结构优化设计打下基础.

【期刊名称】《兰州理工大学学报》

【年(卷),期】2014(040)001

【总页数】4页(P29-32)

【关键词】高速精密加工中心;动态性能分析;模态试验;有限元分析

【作者】王富强;芮执元;雷春丽;冯瑞成

【作者单位】兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050

【正文语种】中文

【中图分类】TH122

高速精密机床的切削速度、进给速度和快速移动速度都很高，机床运动部件的惯量很大，容易导致机床产生较大的冲击振动，最终会影响到零件的加工精度、表面质

量，同时降低机床、刀具的工作寿命和可靠性.所以，高速精密机床的动态性能成为影响机床工作性能和加工精度的主要因素.

机床动态性能分析是研究整机结构动态性能的重要手段，通过分析，识别机床整机结构的薄弱环节，为机床的结构优化设计打下基础.很多学者对机床整机动态性能进行了有限元分析和试验测试研究，M.Zatarain 等对某立式高速铣床整机进行有限元分析［1］，M.A.Elbestawi通过试验方法测试得到高速铣削复合加工中心整机动态特性［2］，郭志全等以某数控弧齿铣齿机为研究对象，通过变量化设计与有限元分析，对该机床进行结构动态设计［3］.王禹林等采用弹簧阻尼单元模拟结合面的接触特性，应用吉村允孝法确定各主要结合面的刚度阻尼值，预测和分析大型螺纹磨床整机的静动态特性［4］；巫修海等在高速、高精度卧式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，提高了模型的精度［5］；靳伍银等通过对机床基础振动进行研究，发现采用弹性连接的方式来固定机床与基础，具有良好的减振效果［6］.目前对机床整机有限元分析时，机床结合部的参数很难准确的表述，影响了仿真结果的准确性；而试验测试方法能比较准确的测得机床的动态特性，但需要有定型的机床作为试验对象，不能将机床的结构优化在设计阶段解决.所以，如何将整机有限元仿真方法和试验测试相结合研究机床的动态性能显得非常重要.本文以HMC100S高速精密卧式加工中心为研究对象，首先通过试验分析识别机床导轨结合面的刚度和阻尼参数，并将识别结果应用到机床有限元模型中，对机床进行有限元分析；再对机床整机进行模态试验分析，并对比二者的分析结果，验证有限元分析结果的正确性，分析和识别机床的薄弱环节，为机床的结构优化设计奠定基础.

1 导轨结合面特性参数测试

在高速精密机床整机动态性能分析中，建立机床整机的动力学模型是关键.但事实上机床整机动力学模型的建立非常困难，其关键原因是机床包括大量的结合面，机

床结构的动力学特性在很大程度上取决于其结合面的特性［7-8］.由于机床结合面具有强烈的非线性特性［9］，目前还不能准确获得结合面参数.滚动导轨结合面是高速机床整机系统中最重要的结合面之一，对整机动态性能的影响最大，因此研究滚动导轨结合面参数的正确识别，对整机系统动力学模型的建立有举足轻重的作用. 图1是HMC100S高速精度卧式加工中心CAD模型（省去刀库部分）.滚动导轨结合面有主轴箱与立柱之间、立柱和床身之间、工作台与床身之间的导轨结合面.每个结合面由相同型号的一对高精度直线滚动导轨和四个导轨滑块组成.为获得滚动导轨接合面的特性参数，对其中一个滚动导轨进行试验模态测试.

图1 加工中心CAD模型Fig.1 CAD model of the machining center

试验模态［10］是用试验方法辨识工程动力学特性的一种有效手段，同样也适用于机床结构的动态特性分析.应用试验模态分析可以对机床整机及其各部件的性能进行综合性的分析及评价.滚动导轨试验模态研究采用单自由度分量分析方法，将导轨法向和切向分别视为单自由度振动系统，导轨-滑块结合面等效模型可用图2所示弹簧-阻尼单元原理图描述.采用单点激励多点响应的方法，将导轨固定，使用力锤对导轨滑块分别沿法向和切向进行激励，测试其两个方向的传递函数，从而分析识别出导轨系统的法向和切向刚度及阻尼.测试原理图如图3所示，导轨接触面的刚度和阻尼测试分析结果见表1.

图2 导轨结合面弹簧-阻尼等效模型Fig.2 The equivalent spring-damper model for the rolling guideway surfaces

图3 导轨及整机试验模态测试原理图Fig.3 Modal test principle diagram for the rolling guideway and the whole machining center

表1 滚动导轨结合面的刚度和阻尼Tab.1 Stiffness and damping between the rolling guideway surfaces参数接触刚度／（N·m-1）接触阻尼／（N·s·m-1）法向3.84×108 6.74×103切向 3.80×108 7.08×103

2 整机结构动态特性分析

2.1 整机有限元模态分析

在有限元模型建立过程中，对床身、立柱、主轴箱等实体采用solid85单元进行网格划分.对滚动直线导轨结合面，以弹簧阻尼单元combin14来模拟结合面既有弹

性又有阻尼的特性，采用表1测试获得的刚度和阻尼进行接合面连接.根据实际边

界条件，对该模型中的床身底部进行全约束处理.床身、立柱等结构大件用HT300制造，弹性模量取130 GPa，密度7 350 kg／m3，泊松比为0.27；直线导轨弹

性模量取280 GPa，密度7 800 kg／m3，泊松比为0.3.

利用有限元分析软件ANSYS，采用Block-Lanczos模态提取方法对卧式加工中心整机进行模态分析.分析当主轴箱、立柱和工作台位于导轨中间位置这一最常见工

况时的动态特性.为了提高计算结果的精度，在计算的过程中选择计算前8阶模态，而只提取前4阶的模态分析计算结果.表2为有限元模态分析所得的前4阶固有频率.

表2 加工中心的固有频率Tab.2 The natural frequencies of the machining center频率阶次有限元分析固有频率／Hz模态试验固有频率／Hz固有频率相对

误差／%164.03 167.72 2.20 41.76 38.23 9.23第二阶 89.49 84.04 6.49第三阶110.58 116.26 4.89第四阶第一阶

2.2 整机试验模态分析

整机试验模态测试原理图如图2所示，采用单点激励多点响应的方法，使用力锤

和对固定在地基上的加工中心进行激励.测试分析当主轴箱、立柱和工作台位于导

轨中间位置这一最常见工况时整机的动态特性.使用3个加速度传感器来获取各测

点的响应信号，加工中心测点布置如图4所示.运用LMS公司的SCADA-Ⅲ32通

道数据采集系统进行信息采集，并运用LMS CADX-X模态分析软件包综合出该加工中心的频响特性.由模态参数识别可得出整机前几阶固有频率，并与ANSYS软