1、五軸加工中心耳軸式工作臺動力學分析與仿真研究文： | 2015年08月19日 （0） | （0）0 引言隨著市場對機械加工質量要求的不斷提高，作為機床附件的回轉工作臺，其臺面的加工穩定性也備受該行業設計人員的關注。遇到實際振動、工作臺變形等問題，傳統的方法就是點對點解決，所以很難預先發現回轉工作臺臺面工作過程中潛在的一些剛度薄弱環節。其中文獻對五軸聯動機床有限元結構分析找到影響機床穩定性的最低剛度方向，文獻對回轉工作臺臺面進行了穩態分析，文獻講述了數控回轉工作臺的設計過程，但都不能有效發現實際存在問題的潛在規律性。為解決這一難題，本文以課題中設

2、計的耳軸式回轉工作臺為研究基礎，借助Pro/E軟件建模和ANSYS軟件的分析的強大功能，對耳軸工作臺進行動力學分析與仿真，實現對回轉工作臺深層次的理論研究，揭示臺面的固有頻率、最低剛度方向、共振頻率、最大變形等可能造成潛在安全隱患的工作參數，從而可避免在加工過程中出現問題，使加工平穩、零件滿足精度要求。同時可為耳軸式工作臺參數選擇、結構優化提供了重要參考依據。1 建立耳軸式工作臺的有限元模型1.1 工作臺性能參數本文分析所選用的耳軸工作臺要實現的功能是高精度五軸聯動加工，工作臺所屬立式加工中心以車銑加工為主，也可實現鉆、鏜等其他工序，可對結構復雜的零件進行高精度五面加工。工作臺性能指標如表1所

3、示。1.2 材料屬性設置設定材料是完成有限元分析的重要環節。本文中，擺動工作臺、回轉工作臺和機座、轉子驅動軸選用灰口鑄鐵HT300，定子和轉子選用35ww300硅鋼，軸承選用Gcr15，冷卻套選用鋁合金AL3003，材料參數如表2所示。1.3 對工作臺劃分網格采取自由劃分網格法，共得到107641個結點，66288個單元，工作臺的模型如圖1所示，網格劃分情況如圖2所示。2 動力學分析2.1 模態分析用有限元方法進行動力學分析和靜力學分析的本質區別在于作用在結構上的載荷以及結構產生的位移、應變、應力等，前者與時間相關，而后者時間無關。但是其有限元分析方法步驟是基本類似的，兩者之間不同的是動態分析

4、必須依據結構振動理論來建立動力學方程，在動態特性分析中不僅需形成剛度矩陣，還需形成質量矩陣和阻尼矩陣，在此基礎上求解特征值問題和動力響應問題。根據結構振動理論，動力學分析時結構的平衡方程為：式中M為結構質量矩陣，C為結構阻尼矩陣，K為結構剛度矩陣，F(t)為激振力。求解結構的特征值與特征向量就是求解結構的固有頻率與固有振型，這是動態分析基本內容。實際經驗證明，阻尼對結構的自振頻率和振型的影響不大，所有略去不計。再令激振力為零，則得到系統的振動方程如下：以上即模態分析時結構的平衡方程。在此基礎上對工作臺有限元模型進行模態分析，步驟如下：打開Ansys Workbench軟件，將Modal模塊拖至

5、Static Structural中的Solution選項上，會彈出如圖3所示的模態分析對話框。Max Modes to find設置為默認前六階，然后單擊Solve選項，對工作臺模型進行有限元求解運算。則可得到前6階固有頻率和振型，如圖4a圖4f工作臺前六階振型圖所示；工作臺各階固有頻率如表3工作臺固有頻率表所示；工作臺各階振型如表4工作臺固有振型表所示。第一階振型是擺動工作臺上下振動，主要取決于擺動工作臺Y方向剛度和固有頻率；第二、四階振型是支撐部件左右扭轉，變形比擺動工作臺更大，對裝配體動態性能有更大影響，與其抗扭轉剛度相關；第三階振型是工作臺整機以YOZ平面為中心的左右俯仰和扭轉，取決

6、于支撐部件上半部分的抗扭剛度；第五階振型為兩側支撐部件左右俯仰和扭轉，與其剛度相關；第六階振型是工作臺整機的振動，涉及到工作臺各處的剛度。電機是工作臺主要振源，轉速最高為150r/min，振動頻率為2.5Hz，低于工作臺各階固有頻率，說明電機回轉運動不會引起共振。2.2 諧響應分析諧響應分析用于計算工作臺承受簡諧變化載荷時結構的穩態響應，目的是驗證工作臺能否避免共振響應，能否經受不同頻率受迫振動的影響。諧響應分析僅計算穩態受迫振動，并不包括初始時刻的瞬態分析，分析中結構響應與載荷的頻率都相同。諧響應分析系統動力學響應實際上是解一個二階常系數線性微分方程，動力學方程如下：式中，M為質量矩陣，C為

7、阻尼矩陣，K剛度矩陣，為系統中節點的位移、速度和加速度矩陣，F(t)為力矩陣，力矩陣與位移矩陣是簡諧矩陣。求解該線性微分方程有兩種方法：完全法：使用完全的結構矩陣進行求解；模態疊加法：通過模態分析得到振型，然后乘以系數并求和，計算結構的響應，這種方法計算速度很快。在原來模態分析的基礎上建立一個諧響應分析，將激振力施加在工件上并指定頻率范圍為0800Hz，分50個子步，即每隔16Hz計算一次響應。在Y方向施加振動力，幅值為3627N，相位角為0度，阻尼比設為0.1計算結果如圖5圖8所示。由計算結果可知，X、Y、Z方向的振幅最大值為4.01m、54.9m和1.09m，Y方向共振頻率為16Hz，此時

8、變形最大，Y方向避開共振點附近時，最大振幅為8m。由此可見，共振對加工精度危害很大，共振頻率在實際加工中有對應的轉速和動載荷。實際的加工過程中應通過調節轉速和動載荷盡量避免產生諧響應分析中得到的共振頻率。阻尼在諧響應分析中占有很重要的地位，阻尼是決定工作臺發生受迫振動或者自由振動時振幅大小的關鍵性因素，阻尼力對系統動態特性的影響很大。增加阻尼，則可抑制工作臺受迫振動和自由振動的振幅。然而阻尼加大后，雖然機床的抗振性得到改善，系統的靜剛度卻會降低，因此應該謹慎的增加阻尼，在靜態特性和動態特性之間尋找一個平衡點。3 結論對五軸加工中心耳軸式工作臺進行模態分析和諧響應分析，(1)模態計算結果表明，耳軸工作臺初階頻率為456.67Hz，主要取決于擺動工作臺Y方向剛度和固有頻率，證明Y軸剛度為最低剛度方向，在實際加工中要注意避免此頻率。(2)Y方向共振頻率為16Hz，最大振幅為8m，