CN102063548B - 一种机床整机动态性能优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床整机动态性能优化设计方法，包括以下步骤：在Pro/E软件中建立机床整机实体参数化模型，根据动力学分析要求和机床结构特点进行结构简化；将简化实体模型导入有限元分析软件ANSYS/Workbench进行网格划分得到整机有限元模型。通过ANSYS/Workbench进行静力学分析，得到整机预应力场，进而通过模态分析得到整机在预应力场状态下的模态。通过对整机进行谐响应分析得到主轴不同转速下，切削力引起的机床整机动力学响应，为发现动力学薄弱环节和优化设计提供了参考。最后使用参数化分析方法，得到结构质量和刚度参数对于机床整机动态性能的影响规律，得出动刚度薄弱环节，并进行优化设计。

Description

一种机床整机动态性能优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于有限元分析的机床整机动态性能优化设计方法，包含动力学分析有限元模型的建模方法和动态性能预测方法。

背景技术

目前的机床设计中，设计人员主要从产品的功能、尺寸参数、运动参数、动力参数和结构的静强度和静刚度角度出发，凭经验和类比方法进行设计，设计中对机床的动态性能考虑不足。然而机床结构的动态性能对其工作性能、效率、稳定性和可靠性等有很大的影响，目前它已经成为衡量机床结构性能好坏的重要指标。

在机床结构动态性能分析中，模态分析是最基础的内容。模态分析是以振动理论为基础，通过计算机械结构或机械零件的振动特性——固有频率和振型，进行直接的动态性能估计。模态分析可以作为瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析等其他动力学分析问题的起点。

谐响应分析可以计算一定频率简谐载荷作用下结构的动力学响应，通过有限元方法进行谐响应分析时，结合部的建模和参数设置对计算结果准确性具有决定性作用，但是目前结合部对动态特性的影响机理认识尚不完善，计算精度难以保证。另外在机床动态设计通常使用灵敏度分析方法发现设计中动刚度薄弱环节并进行优化设计，而通过在有限元分析中进行参数化计算，是进行灵敏度分析的有效方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有机床整机动态性能分析中存在的有限元模型建立方法的准确性差，计算精度低的现状。提供一种机床整机动态性能优化设计方法。

本发明的技术方案是：

包括以下步骤：

1)在Pro/E软件中利用机床二维零件图建立机床结构零件实体模型，之后建立装配基准，运用参数化方法进行整机实体模型装配；

2)在Pro/E软件中对实体模型零件进行简化，将材料相同的螺栓连接部件进行实体模型布尔合并运算，将整机实体简化模型通过Pro/E-Workbench接口导入ANSYS/Workbench软件中；

3)在ANSYS/Workbench软件中对实体简化模型进行有限元网格划分，网格划分采用保留中间节点的四面体单元，机床结构根据实际尺寸单元大小选择10-100mm，结构复杂部位进行单元细化；

4)在ANSYS/Workbench软件中对有限元模型设置材料属性、结合面属性和施加边界条件，基于有限元方法进行静刚度计算，求解得到整机变形和等效应力；

5)将静刚度分析得到整机的静态应力场导入ANSYS/Workbench软件动力学分析模块，进行预应力状态下模态仿真计算；

6)根据模态分析结果和机床主轴转速，选定求解频率范围包含主轴最高转速区域和低阶模态频率区域，在ANSYS/Workbench软件中对整机进行动态特性谐响应分析；

7)在ANSYS/Workbench软件中对整机关键零部件的质量和刚度特性进行参数化，建立参数化分析任务，得到不同参数状态下整机静动态响应；

8)根据参数化分析结果，通过灵敏度分析对比得到影响整机动态特性薄弱环节，针对薄弱环节修改原始设计模型改变其结构质量或刚度特性，完成整机动态特性优化设计。

建立机床结构零件实体模型，在实体建模中首先建立骨架模型，在骨架模型基础上基于参数化方法建立实体模型；在装配体建模中首先确定零部件装配位置基准，采用参数化方法建立装配体模型。

实体模型简化具体方法为：

1)删除小尺寸圆角和倒角；

2)删除螺钉空、螺栓孔、注油孔等不影响分析计算的小特征；

3)传动系统简化，一般包括：减速箱内部结构简化，使用等效质量代替；丝杠结构使用简单圆柱代替；

4)主轴结构简化，进行整机分析时，主轴可以作为整体结构考虑，使用等效实体模型和等效质量代替；

5)对整机结构刚性不产生影响的辅助结构可以运用质量点代替；

6)为保证单元质量，需要删除或修改模型中尺寸过小的平面特征；

7)修改调整垫片模型尺寸，保证各零部件的准确装配。

谐响应分析中切削力的施加方法为：将主轴端部切向切削力在边界条件施加中分为两组。两组力数值相同，都为机床在额定功率小进行加工的切向切削力幅值，但其相角设置为相差90°，则其合运动正好与刀具实际工作状态相同。

参数化分析和优化设计，对整机主要结构的刚度参数和质量参数以及结合面特性进行参数化设置，建立参数化分析任务，通过有限元方法进行静刚度和模态分析，得到灵敏度分析结果，其中各部件质量要素和刚度要素变化时引起整机动态特性变化最大的要素即为动刚度薄弱环节。

本发明在Pro/E软件中建立机床整机实体参数化模型，根据动力学分析要求和机床结构特点进行结构简化；将简化实体模型导入有限元分析软件ANSYS/Workbench进行网格划分得到整机有限元模型。通过ANSYS/Workbench进行静力学分析，得到整机预应力场，进而通过模态分析得到整机在预应力场状态下的模态。通过对整机进行谐响应分析得到主轴不同转速下，切削力引起的机床整机动力学响应，为发现动力学薄弱环节和优化设计提供了参考。最后使用参数化分析方法，得到结构质量和刚度参数对于机床整机动态性能的影响规律，得出动刚度薄弱环节，并进行优化设计。

附图说明

图1：机床整机刚度模态谐响应分析和优化设计流程

图2：各部件质量对整机前六阶固有频率灵敏度

图3：各部件刚度对整机前六阶固有频率灵敏度

图4：主要结合面刚度对整机前六阶固有频率灵敏度

图2和图3中横坐标表示1-6阶固有频率，柱状图从左至右依次为滑枕、滑枕座、立柱、滑座、床身部件的质量(刚度)特性对整机前六阶固有频率的影响。图4中横坐标表示1-6阶固有频率，柱状图从左至右依次为床身与滑座结合面、立柱与滑枕座结合面、滑枕与滑枕座结合面刚度特性对整机前六阶固有频率的影响。

具体实施方式

参照图1，优化设计包含动态特性预测和灵敏度分析两部分内容。按照流程图所示优化设计步骤可以实现机床整机动态性能优化。以数控镗铣床为实例，对全部设计流程和步骤进行详细说明。

参照图2，为各主要部件质量特性对整机前六阶固有频率影响，对于前三阶固有频率，滑枕、滑枕座和立柱质量影响最大。

参照图3，为各主要部件刚度特性对整机前六阶固有频率影响，对于前两阶固有频率，立柱、滑座和床身影响最大。

参照图4，为各主要结合面刚度特性对整机前六阶固有频率影响，对于前两阶固有频率，床身与滑座结合面影响最大。

一、有限元模型建立和动态性能预测

(1)有限元模型的建立和边界条件的施加：首先通过Pro/E软件建立零件骨架模型并运用参数化方法生成实体模型，对整机结构零部件的三维实体模型进行参数化装配，根据机床整机结构特点和分析关注点对模型进行简化，具体内容包括：

8)删除小尺寸圆角和倒角；

9)删除螺钉空、螺栓孔、注油孔等不影响分析计算的小特征；

10)传动系统简化，一般包括：减速箱内部结构简化，使用等效质量代替；丝杠结构使用简单圆柱代替；

11)主轴结构简化，进行整机分析时，主轴可以作为整体结构考虑，使用等效模型和等效质量代替；

12)对整机结构刚性不产生影响的辅助结构(如驱动电机，配重等)可以运用质量点代替；

13)为保证单元质量，需要删除或修改模型中尺寸过小的平面特征；

14)当零件数量较多时，可以对材料相同的螺栓连接部件进行合并；

15)修改调整垫片模型尺寸，保证各零部件的准确装配。

将简化实体模型导入ANSYS/Workbench分析软件中进行接触设定、网格划分、材料参数设定得到有限元网格模型。网格划分需要在计算精度和计算效率之间寻找合适的平衡点，对于机床整机结构，其结构长度尺寸一般在几米至十几米范围内，网格单元尺寸一般可以选择10mm至100mm之间，并且在结构复杂、受力状况复杂以及关心的危险点处进行网格细化，提高计算精度。

得到有限元模型之后，根据整机在实际工作条件下的载荷状况，进行边界条件的施加。在整机结构分析中载荷包括位移、力、压力、温度和重力，边界条件施加时载荷可以按照自由度约束、力(集中载荷)、表面载荷、体积载荷、惯性力等进行设置。

(2)整机静态刚度和应力状态预测：将有限元模型和边界条件提交Ansys/Workbench软件进行计算，通过有限元计算可以得到整机结构受载情况下的静态变形情况和整机应力场情况。

(3)整机模态特性预测：将整机在受载情况下的应力场分析结果作为预应力边界条件，在Ansys/Workbench软件中进行模态仿真计算，可以得到整机低阶模态参数(对于机床整机结构一般计算前六阶振型和固有频率)。

(4)整机动态谐响应特性预测：通过模态分析得到的整机动态刚度特性，针对机床工作时的主要频率范围(由主轴的转速范围确定)，将主轴切削力作为整机动态特性预测的激振，通过在Ansys/Workbench软件中进行谐响应计算得到整机在不同激振频率作用下变形情况和动态特性。

二、基于灵敏度分析的动态性能优化设计

利用参数化的手段，对床身、立柱、滑座、主轴部件等机床主要部件的质量特性(材料等效密度)和刚度特性(材料弹性模量)进行参数化设置，通过设置不同的参数化数值模拟部件刚度和质量特性。基于有限元方法计算部件不同质量和刚度特性下整机静动态性能响应。当各个参数数值共同升高(或降低)一定比率时，相应的性能参数提高幅度会有较大差异，对结果进行对比就可得到各个部件特征因素对于最终性能要素的影响水平。其中改变比率相同时，对性能结果影响最大的特征因素即为设计薄弱环节。在优化设计时，针对薄弱环节振型特点及其影响因素(质量要素或者刚性要素)，对原始设计结构进行优化设计，便可以最大效率提高整机最终动静刚度特性。

以某型数控镗铣床整机动态特性分析和优化设计为实例，结合附图对具体实施方式进行详细说明：

1.实体模型建立

利用Pro/E软件，首先建立整机的骨架模型，在骨架模型基础上运用参数化方法建立整机(立柱部分)各零部件的实体模型。为了能够在仿真分析中通过改变装配位置参数而改变整机各部件的工作位置状态，在进行整机装配之前，需要按照床身部件(包括床身、床身丝杠等)、立柱部件(包括滑座、立柱、立柱丝杠等)和滑枕部件(包括滑枕座、滑枕、主变速箱、车位部件等)进行分部件的装配，而后进行整机参数化装配。

2.部件接口处理

各部件通过在导轨上的移动实现各自由度方向的运动，对于导轨结合面，通过分析其结构特点和润滑以及锁紧原理，薄片结构为直线导轨贴塑面，圆柱形结构为锁紧活塞，在刹车制动以及锁紧时与导轨面紧密接触。

3.模型简化

在有限元分析之前，需要对原始Pro/E模型进行模型简化，模型简化内容包括：

1)删除零件中尺寸＜20mm的圆角和倒角；

2)删除安装螺栓孔、螺钉孔、注油空等小特征；

3)去掉大框架结构内部的齿轮，涡轮蜗杆等传动机构。其中滑枕部件结构复杂，将会进行独立分析，在整机分析中只保留外壳体、主轴和传动轴三个零件，通过更改其材料密度属性等效原始结构的质量特征。主变速箱的处理方法与滑枕部件相同，删除所有电机模型，在分析模型中以质量点等效代替；

4)将丝杠用圆柱模型代替；

5)修改调整垫片模型尺寸，保证各零部件的准确装配；

6)由于网格划分中最小网格尺寸的限制，删除或修改尺寸＜20mm的凸台或凹槽特征；

4.Workbench中实体模型的导入和处理

将所建立的实体模型保存后，直接通过Pro/E-Workbench的接口菜单将Pro/E实体模型导入Workbench工作平台中。通过布尔运算将相关零件合并，可以减少模型中零件数量，减少结合面的设置，降低有限元计算量。在Workbench材料参数库中，选择和建立分析模型中需要的材料参数。其中车尾、滑枕机构和主变速箱由于在模型简化中简化了内部零件，所以在材料属性设置中以等效密度代替原始材料密度。简化模型之外还有许多附加结构(如各种驱动电机)，在整机分析中，往往只考虑这些结构的质量特性会对整机的刚度、模态分析造成影响，而不关系其本身的分析结果。所以在模型处理时，可以将其作为质量点加入实体模型，并与安装面耦合。在本实施例中，结合面主要分为两类，一类是螺栓连接或贴塑面粘接的固定结合面，一类是导轨连接的滑动结合面。分析中将螺栓连接和贴塑面粘接的固定连接结合面设置为Bonded(粘接)，而导轨连接的滑动结合面设置为No separation(滑动不分离)。

5.网格划分

由于机床整机模型几何尺寸较大，零部件数量较多且结构复杂，可以设置网格尺寸为50mm，在结构复杂和主轴端部等重点关心区域进行网格细化。

6.边界条件施加和有限元计算

在Ansys/Workbench软件中设置静刚度分析边界条件，包括：重力、配重重物压力、钢丝绳支撑拉力、切削力、地脚螺栓固定约束等。进行静力结构分析，得到静刚度特性和内应力场，即产生模态分析的预应力场。

7.整机模态特性预测

通过Workbench中的模态分析模块，将静刚度分析中的有限元模型和预应力场导入，便可进行整机结构模态分析，得到前六阶固有频率和振型。

8.整机动态谐响应特性预测

根据主轴最大转速1500r/min(25Hz)，和模态分析计算得到的整机第一阶第二阶固有频率分别为：29.826Hz和30.488Hz，设置谐响应分析的求解区间为0Hz至40Hz，求解点为40个。设置床身底面的地角螺栓连接面为固定位移面，外界激振力即主轴端部切削力是正弦变化的，包含轴向切削力和切向切削力。在机床实际加工过程中，切向切削力随主轴转动沿圆周方向不断变化，为了对其进行模拟需要设置两个大小相同，相角相差90°的作用力，他们的合运动正好与刀具工作状态相同。由此，可以基于有限元方法进行整机结构谐响应特性预测，得到整机在不同主轴转速激振状态下的动刚度特性。

9.基于灵敏度分析的优化设计方法

在整机分析中，最为关注的是整机静、动态性能的薄弱部件和环节。利用Workbench的参数化分析功能，设置整机五个主要结构件(滑枕、滑枕座、立柱、滑座、床身)的密度和弹性模量作为材料参数，设置三对主要结合面(床身滑座结合面、立柱滑枕座结合面、滑枕座滑枕结合面)处的塑料贴面弹性模量作为结合面刚性参数，设置整机静动刚度的主要评价指标(整机最大变形、主轴端部最大变形、整机前六阶固有频率)作为结果评价参数。共有十三项材料初始条件参数和八项结果评价参数。

在有限元分析中通过改变每一项初始条件参数进行对比计算，则十三项材料初始条件可以形成十三个新的设计点，与原始设计进行对比。在新设计点中部件密度分别降低10％，部件弹性模量分别提高10％，结合面塑料贴面弹性模量分别提高10倍，形成新的十三项设计任务，输出参数为之前设置的整机最大变形、主轴端部最大变形、整机前六阶固有频率八项参数，计算得到每项参数对最终性能要素的影响，如附图2、附图3、附图4所示。由此可以进行输入参数对输出参数的影响的灵敏度分析，发现整机动态性能对立柱质量、滑枕质量和滑枕座质量的改变十分灵敏，对立柱刚度、滑座刚度和床身刚度的改变也十分灵敏。由此可以确定立柱质量、滑枕质量和滑枕座质量以及立柱刚度、滑座刚度和床身刚度是整机动刚度薄弱环节，通过在原始实体模型中修改薄弱环节设计方案，便可最高效率提高机床整机动态特性，完成优化设计。

Claims (5)

1.一种机床整机动态性能优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在Pro/E软件中利用机床二维零件图建立机床结构零件实体模型，之后建立装配基准，运用参数化方法进行整机实体模型装配；

2)在Pro/E软件中对实体模型零件进行简化，将材料相同的螺栓连接部件进行实体模型布尔合并运算，将整机实体简化模型通过Pro/E-Workbench接口导入ANSYS/Workbench软件中；

3)在ANSYS/Workbench软件中对整机实体简化模型进行有限元网格划分，网格划分采用保留中间节点的四面体单元来进行，网格单元尺寸大小选择为10-100mm，对结构复杂部位进行单元细化；

4)在ANSYS/Workbench软件中对有限元模型设置材料属性、结合面属性和施加边界条件，基于有限元方法进行静刚度分析计算，进而得到整机的静态变形分析结果和整机的静态应力场分析结果；

5)将静刚度分析得到整机的静态应力场分析结果作为预应力边界条件，在ANSYS/Workbench软件的动力学分析模块中，进行模态仿真计算；

6)根据模态分析结果和机床主轴转速，选定求解频率范围包含主轴最高转速区域和低阶模态频率区域，在ANSYS/Workbench软件中对整机进行动态特性谐响应分析；

7)在ANSYS/Workbench软件中对整机关键零部件的质量和刚度特性进行参数化，进行参数化分析，得到不同参数状态下整机静动态响应；

8)根据参数化分析结果，通过灵敏度分析对比得到影响整机动态特性薄弱环节，针对薄弱环节修改原始设计模型改变其结构质量或刚度特性，完成整机动态特性优化设计。

2.根据权利要求1所述的一种机床整机动态性能优化设计方法，其特征在于：建立机床结构零件实体模型，在实体建模中首先建立骨架模型，在骨架模型基础上基于参数化方法建立实体模型；在装配体建模中首先确定零部件装配位置基准，采用参数化方法建立装配体模型。

3.根据权利要求1所述的一种机床整机动态性能优化设计方法，其特征在于，实体模型零件简化具体方法为：

1)删除小尺寸圆角和倒角；

2)删除螺钉孔、螺栓孔、注油孔不影响分析计算的小特征；

3)传动系统简化，包括：减速箱内部结构简化，使用等效质量代替；丝杠结构使用简单圆柱代替；

4)主轴结构简化，进行整机分析时，主轴可以作为整体结构考虑，使用等效实体模型和等效质量代替；

5)对整机结构刚性不产生影响的辅助结构可以运用质量点代替；

6)为保证单元质量，需要删除或修改模型中尺寸过小的平面特征；

7)修改调整垫片模型尺寸，保证各零部件的准确装配。

4.根据权利要求1所述的一种机床整机动态性能优化设计方法，其特征在于，谐响应分析中切削力的施加方法为：将主轴端部切向切削力在边界条件施加中分为两组；两组力的数值相同，都为机床在额定功率进行加工的切向切削力幅值，但其相角设置为相差90°，则其合运动正好与刀具实际工作状态相同。

5.根据权利要求1所述的一种机床整机动态性能优化设计方法，其特征在于：对整机主要结构的刚度参数和质量参数以及结合面特性进行参数化设置，建立参数化分析任务，通过有限元方法进行静刚度和模态分析，得到灵敏度分析结果，其中各部件质量要素和刚度要素变化时引起整机动态特性变化最大的要素即为动刚度薄弱环节。

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