基于動力學特征的磨床床身結構優(yōu)化布局設計
時間:2011-05-31 09:12:52 來源:未知
1 引言
床身結構的動態(tài)特性與機床的整機性能有著密切關系，提高機床床身的動態(tài)特性，對保證機床的加工精度具有重要意義。傳統(tǒng)的機床床身設計，尚處于經(jīng)驗、靜態(tài)、類比的設計階段，難以考慮機床零部件的動態(tài)特性對整機性能的影響。本文借助ANSYS軟件建立內圓磨床床身及改進方案的有限元模型，找出床身在動力學特性上的缺陷，并對模型的動態(tài)特性進行分析，探討實現(xiàn)機床動態(tài)優(yōu)化設計的途徑。
2 分析模型
- 結構的動力學模型及分析
- 床身長2160mm，寬760mm，高750mm。導軌形式為,—平導軌，內部有兩條橫向垂直筋板支撐導軌。床身前壁開有大窗口，內部筋板縱橫相間，并有多條加強小筋板，底部為封閉形式，床身外壁厚18mm，筋板厚14mm。
圖1 磨床床身有限元模型及振型示意圖
- 床身采用體單元建模(圖1a)。第一階振動頻率為289.5Hz，為相對位移量較大的扭轉振動(圖1b)。這反映出原床身在磨削力激勵下容易產生大幅扭振，使磨削表面產生振紋，導致磨削精度的下降。
- 造成抗扭剛度不足的主要原因為床身內部筋板布置不合理、床身正面開有大窗口而使縱橫筋板斷開所致。針對上述分析，在考慮床身外型尺寸不變的前提下，對床身內部筋板結構和布局作相應的修改，提出了四個改進方案。本文將分析床身內部筋板數(shù)目和布局的變化對結構動態(tài)特性的影響，為實現(xiàn)床身的優(yōu)化設計提供必要的依據(jù)。
- 改進模型
- 由于床身基本功能的要求，其外型尺寸基本上是確定的，所以內部筋板布局是調節(jié)床身動力學特性的較好著眼點。
- 改進型床身底部采用非封閉結構，外壁厚16mm，內部筋板厚12mm。同時為保證床身導軌具有較高的靜剛度，改進型床身內部支撐導軌的橫向垂直筋板不變，V—平導軌的間距不變，其它兩個方向的筋板布局如圖2 所示。
圖2 床身結構改進后的模型
- 改進a型：床身內部有三條水平筋板和三條縱向垂直筋板。
- 改進b型：床身內部有二條水平筋板和三條縱向垂直筋板。
- 改進c型：床身內部有二條水平筋板和二條縱向垂直筋板。
- 改進d型：床身內部有二條水平筋板和三條縱向垂直筋板(與改進b型的區(qū)別在于一條水平筋板的位置不同)。
3 動態(tài)分析及結果
對于高精度磨床，機床結構的動態(tài)特性是影響機床性能的關鍵因素之一。考慮到機床的工作頻帶，床身的前幾階模態(tài)特性有重要作用。最典型的是考慮第一階模態(tài)頻率及其對應的振型。
床身的振動特性比較表
第一階頻率
(Hz)
振型
導軌振動模態(tài)相對
位移量平均值**
原床身
289.5
扭轉
0.7450
改進a型
440.6
扭轉
0.6021
改進b型
347.6
扭轉
0.4371
改進c型
424.0
扭轉
0.7313
改進d型
375.0
扭轉
0.3671
**為同一歸一化標準下的機床床身V—平型導軌相對振動位移量
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對床身有限元模型進行模態(tài)分析，結果如附表所示。從表中可看出，改進型第一階扭轉振型的固有頻率比原床身均有很大提高，根據(jù)w1=(k1/m1)½(式中w1為固有頻率，k1、m1分別為對應的模態(tài)剛度和質量)可知，改進型床身的抗扭剛度有了顯著提高，達到了對床身改進設計的目的之一。
可見，床身的水平筋板能明顯提高床身的抗扭剛度。改進a型內部有三條水平筋板和縱向垂直筋板，改進c型內部有兩條水平筋板和縱向垂直筋板，其動剛度都很高，但導軌振動模態(tài)相對位移量卻很大。改進d型的動剛度小于改進c型，但導軌振動模態(tài)相對位移量小。這說明以板塊結構為主的床身的動態(tài)特性受各板塊振型的綜合影響，不能只憑動剛度的大小作為評定指標。
改進d型比較于改進c型，多一縱向垂直筋板，但反使抗扭剛度下降。改進b型和改進d型僅有一條水平筋板的位置不同，卻造成其動態(tài)特性有較大的差異。由此可見，片面增加筋板并不一定能提高床身的動剛度，它是總體結構綜合作用的結果。
由于床身導軌振動模態(tài)相對位移量的大小是影響磨床加工精度的主要因素，所以要以床身導軌的振動模態(tài)相對位移量的大小為設計參考的主要依據(jù)，同時兼顧機床動剛度和振型等特性指標。通過上述分析和比較，改進d型的導軌振動模態(tài)相對位移量最小，且導軌動剛度較高。所以，經(jīng)綜合比較后應選用改進d型這一設計方案。