高速卧式镗铣加工中心立柱动态特性有限元分析

1、第8期组合机床与自动化加匸技术No. 82011年8月Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing TechniqueAug. 2011第8期组合机床与自动化加匸技术No. 8第8期组合机床与自动化加匸技术No. 8文章编号：1001 -2265(2011)08 -0009 -04高速卧式镇铳加工中心立柱动态特性有限元分析*丛 明，王贵飞，刘 东，宋 餞，董欣胜2(1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116023； 2.大连机床集团有限责任公司，辽宁大连 116033)摘要：以高速卧式登铳加工中心立柱为研究对象，釆用有限元与实验相结合的分析方法

2、对其动态特 性进行了研究。建立了立柱的有限元模型，并进行了模态分析，得出了 1至4阶固有频率和相应扳 型。搭建了立柱动态特性实验平台，选择了四组激扳点和拾振点，采用单点激振和单点拾振的方式 进行了数据采集。通过分析实验数据，获得了立柱前4.介固有频率和关皱位置的动刚度。有限元和 实脸分析的固有频率相对误差小于9%，表明该平台可有效的漱起立柱的固有频率，理论与实验分析 结果可为立柱的结构优化设计提供理论依据。关键词：加工中心；立柱；动态特性；有限元；实验分析中图分类号:TH114文献标识码：ATesting Analysis on Dynamic Characteristics of Colum

3、n in High-speedHorizontal Boring and Milling NC CenterCONG Ming1, WANG Gui-fei1, LIU Dong1, SONG Jian1. DONG Xin-sheng2(1. Schoo) of Mechanical of Engineerings Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116023 t China; 2. Dalian Machine Tool Group Corp,Dalian Liaoning 116033, China)Abstract： H

4、igh-speed horizontal boring and milling machining center column as the object of study, the dynamic characteristics were researched by experimental and finite element method The finite element model was established and modal analysis was performed on column with the first four natural frequencies an

5、d vibration models obtained The experimental platform was set up. Four groups of excitation points and pickup points were selected and experimental date was collected by using the one-point excitation and one-point pick-up method According to the analysis of experimental date, the first four natural

6、 frequen cies and dynamic stiffness of the key position was got. The relative error of natural frequencies between finite element and experimental analysis was less than 10%, which showed that natural frequencies of column coulc be aroused by the experimental system All these provide us important ba

7、sis for dynamic optimizing and designing of column.Key words: machining center; column; dynamic characters; finite element; testing analysis加工中心的加T精度、精度稳定性、抗振性和使用寿 命，因此采用有限元和实验相结合的方法对立柱 动态特性进行分析具有一定的应用价值。本文针对立柱的结构特点建立了其有限元模 別，并进行了模态分析。搭建了动态特性丈脸平台， 冇针对性的选择了四组激振点和拾振点，采用自行0引言高速加工中心具有主轴转速高、进给速度快和 加工表面质屋

8、奇的优点，是我国航空航天、军工和汽 车等行业所急需的、关键性的加工设备。高速切削 技术极大的提高了加丁中心的性能，但是也对其结 构设计提出了更高的要求。立柱是高速卧式镣铳收稿日期：2011 -01 -24基金项目：国家“高档数控机床与菇础制造装备”科技重大专项课题（2009ZX04001作者简介：从明（1%3）阴，辽宁大连人大连理工大学机械工程学院教授，博士，研究方向为机器人技术及应用、结构有限元分析及优化. （E - mail）congm dlut. edu cno2011年8月 丛 明，等：高速卧式铉铳加工中心立柱动态特性有限元与实验分析 11图1高速卧式愷铳加工中心模型怆数1234频 (

9、Hi)53.26125.38157.02271.32* 1立柱4阶固有频率As Mdal (ANSYS)Totd DeMnSon Type: Toul 0efxm46on “guency: 3766X1 Uicmn 201Q/1ASJUMe4il(AHSYS)Toul Dtonn6onFrC)|X(o)| =|F(o)|(2)立柱各点对激励力的响应可以看成是立柱在无 阻尼口由振动状态下固有频率和振型参数组成的各 阶振型模态的叠加，则立柱在无阻尼和无打击力作 用下的振动微分方程为：(K -g)2M)|X(o)| =0|(3)方程(3)的n个正实根为立柱系统的个固有 频率，则固有频率：其中i =

10、1,235忆也分别为K.M对应的 对角阵的元素。采用锤激法对立柱进行动刚度实验时，力信号 作为输入，位移为输出，得到支搏动柔度：X把位移作为输入，力信号作为输出，得到支掠动 刚度：Z(3)=-y2.2有限元模态分析利用ANSYS Workbench软件建立立柱的有限元 模型并进行合理简化，去除非重要部位的倒角、圆角 和孔等特征。由于立柱固定在床身上，采用固定方 式约束立柱的底面。分析过程中使用空间迭代法计 算固有频率和振型，提取前四阶模态，固有频率如 表1所示，振型如图2所示。Ai Model (ANSYS) T OekxnXion Typ: Tout frtqiHncy! L1844 Hz

11、M UmtmmJ201(yvi511:31如图2所示，立柱一阶模态为上部沿X方向左 右振动，二阶模态为上部沿Z方向前后振动，三阶模 态为上部绕Z方向扭动振动，四阶模态为上部沿着Y 方向上下振动。从前四阶的振型图可以看出，立柱 的上部刚度较弱，最大的振幅发生在四阶模态，达到 T 1.6908mmo曲于滑架安装在立柱上，因此立柱的 振动将直接传递到滑架上，进-步传递到主轴箱上， 从而引起刀具的振动，宜接影响工件的加工精度和 表面质最。在对立柱进行结构优化时，提高立柱上 部的刚度，会显著改善立柱的动态特性，进而使加工 中心获得较好的加丁精度和抗振性。3实验原理和装置3.1实验方案目前动态特性实验使用

12、较多的方法有振动台激 振法、激振器激振法和锤击激振法。振动台激振法 和激振器激振法都对实验环境和条件有较高要求， 而锤击法快速、方便，适用于现场测址3）。因此，采 用锤击法对立柱进行动态试验。徃实验过程中，通 过一次锤击给立柱提供宽频带的能量，获得相应频 带内的频率响应，并且为了减小实验数据的误差，实 验过程中每个激励点测试了 15组数据。实验系统由被测对象、激励系统、数据采集系统 和数据分析系统组成，如图3所示。其中被测对象 为立柱，安装有力传感器的力锤为激励系统，而数据 采集系统包括位移传感器、速度传感器、加速度传感 器和侑号采集仪，数据分析系统则包括数据分析软 件和计算机。激励点图3实验

13、系统组成图4拾振点传感器布置利用“力锤”敲击（激励）立柱上的激励点，在拾 振点安装速度传感器、加速度传感器和位移传感器 以获取拾振点在力锤激振下的速度、加速度和位移 侑号（如图4所示），通过信号采集仪采集力、拾振点 的速度、加速度和位移信号，并输入计算机，获得实 验数据。实验数据再经过数据分析软件处理，即可 获得被测工件的固有频率和激励点与拾振点之间的 相对动刚度，图4中显示正在锤击激励点。图5实验现场为了正确反映立柱的振动特性，要合理布置激 励点和拾振点的位置。布点的原则为：能较好地反 映立柱关腱部位之间的动刚度而且便于安放传感 器进行测a9-,01o据此，共布世了四组激励点和拾振 点，均为

14、电点激振和单点拾振，布点位进如图6所 示。图6测点布*第一组激励点位于立柱上部安装导轨位置左 端，拾振点位于立柱上部安装导轨位置右端。这一 组测点可以检测立柱上部安装导轨位置垂直表面方 向的动刚度。第二组激励点位于立柱下部安装导轨位置左 端,拾振点位于立柱下部安装导轨位置右端。这一 组测点可以检测寸杆下部安装导轨付世垂直表面方 向的动刚護。第三组激励点位于立柱上部安装导轨位置中 间，拾振点位于立柱下部安装导轨位逬中间。这一 组测点可以检测安装两条导轨位置之间垂言表面方 向的动刚度。第四组激励点位于立柱左侧面顶部位證中间， 拾振点位于立柱左侧面底部位置中间。这一组测点 可以检测安装两条导轨位置垂

15、直于左侧面方向的动 刚度。3.2实验结果分析用自行编写的运算程序进行实验数据的分析处 理。图6为立柱四组测点的频响函数曲线，峰值为 共振点，峰值对应的频率即为各阶固有频率。不同 拾振点所测得的同阶固有频率理论上应该是相同 的，但由于实验系统存在课差，不同测点所识别的固 有频率往往并不完全相同，所以综合所有拾振点的 频响函数曲线获取立柱的固冇频率。由于立柱动态 特性中起主要作用的是少数低阶模态，所以只分析 前四阶固有频率即可较精确地反映立柱的动态特 性，通过实验分析得到各阶周有频率并与冇限元分析结果对比如表2所示，最大误差为8.23%,说明 该实验系统能够有效的激起立柱的固有频率。立柱前四阶固有

16、频率有限元和实验对比阶数1234有限元HZ53. 26125. 38157.02271.32实輪HZ50133148249溟差6. 12%4. 85%5.74%& 23%从图6可以看出第二组测点的响应幅值明显 大于其他三组绘大，说明立柱上部抗振能力能力较 弱，与有限元分析的结果一致。从图6a第一组测点 的频响函数曲线可以看出，激振力频率在162HZ 300HZ范围内支撑动柔度均小于0. 00028mm/N,即 动刚度大于3571.43N/mm,激振力频率在31 HZ时 支撑动柔度为最大值0. 00355 mm/N,而动刚度为最 小值281.70 N/mmt因此在162HZ 300HZ频率范 围

17、内，第一组测点具有较好的动刚度。同理可得，其 他三组动刚度较好的频率范围和最小动刚度的激振 力频率。度较弱，与模态分析结果一致。(3)针对有限元与实验分析结果，提岀改进意 见。本文所得结论为立柱结构优化和动态特性的提 高奠定了一定的理论基础。参考文献1】杨忠良.高速切削的发展及应用领域机械工程师， 2010(4):12-14 2 j Ming Congt Tao Han v Qiang Zhao. New Method of Finite Element Analysis for Headstock C . Proceeding of 2010 Ir.temational Conference

18、 on Education Technology and Computer (ICETC2010 ) t Shanghai, China 9 June t 2010 ( 3 )： 418 -422.3 马维金，熊晓燕李凤兰等.热连轧机位移传感器结构 的实验模态分析打！机械工程学报,2009.45(7):259 - 2644 吴华春.高速磁悬浮磨削主轴的实验模态分析J机 械工程与自动化.2009(1):4-6.刘伟.轿车的车身刚度实验及分析J轻型汽车技术， 2010(3):14-19 2011年8月 丛 明，等：高速卧式铉铳加工中心立柱动态特性有限元与实验分析 #0.00400.0030-0.亘

19、 0.0020-澤 0.0010-0.0120- -0.0100“ g 0.008 E.0.0060-S 0.0040- 犀0.0020I.I IIir-i 0.000025 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300(鑽痢(Hz) Frequency/Hz第-组测点頻响瓯数0 25 500.0035 q0.0030-W 0.0025- | 0.0020- 立().0015- 逮 0.0010-0.0005-0.0000-0.005025 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 频率(Hz)(b)第二组测点頻响函数O.()O4(H0.0030dg 0.0020- 0.0010-! 100 125 150 1 75 200 225 250 275 3000 25 56 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300频率(Hz)鑽帘(Hz)(c)第三组测点荻响函数(d)第四组测点蘋响函数2011年8月 丛 明，等：高速卧式铉铳加工中心立柱动态特性有限元与实验分析 13四组测点的频响函数曲线6孟杰陈小安，陈锋高速电主轴的实验模态分析J 机械设计.2009.26(6):70.727j 绍奎闫桂荣欧阳军等.六面体柔性桁架多体结构 的