基于動力學特征的磨床床身結構優化布局設計
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特性，對保證機床的加工精度具有重要意義。傳統的機床床身設計，尚處于經驗、靜態、類比的設計階段，難以考慮機床零部件的動態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，并對模型的動態特性進行分析，探討實現機床動態優化設計的途徑。
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目和布局的變化對結構動態特性的影響，為實現床身的優化設計提供必要的依據。
- 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型的區別在于一條水平筋板的位置不同)。
3 動態分析及結果
對于高精度磨床，機床結構的動態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，床身的前幾階模態特性有重要作用。最典型的是考慮第一階模態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w1=(k1/m1)½(式中w1為固有頻率，k1、m1分別為對應的模態剛度和質量)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，但導軌振動模態相對位移量小。這說明以板塊結構為主的床身的動態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相對位移量的大小為設計參考的主要依據，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型的導軌振動模態相對位移量最小，且導軌動剛度較高。所以，經綜合比較后應選用改進d型這一設計方案。