CN102096749A - 一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法，包括以下步骤：一.三维几何建模步骤：在高级三维软件中单独建立立式加工中心的三维样机模型并且进行装配；二.静力学分析步骤：在高级的有限分析元件软件中创建静力学分析，测量分析变形、应变、应力；三.模态分析步骤：在高级的有限分析元件软件中创建模态分析，测量分析的振型、固有频率；四.评价步骤：根据分析的结果，总结规律，对数控机床的刚度进行合理的评价，对结构的合理性做出调整，本发明可以根据分析的结果对机床系统进行合理的评价，对机床的结构做出调整，以适应机床静态刚度和动态特性的要求，而对整个机床的加工状态进行科学评价，并以此进行改进。

Description

一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法
技术领域
本发明涉及一种线性导轨数控机床的技术领域，尤其是一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法。
背景技术
随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制造业现代化的关键设备，是国防军工装备发展的战略物资。数控机床的拥有量及其性能水平的高低，是衡量一个国家综合实力的重要标志。加快发展数控机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。
数控机床正向高精度，高效率，高可靠性等方向发展，这就需要采用先进的CAE技术，使用高级的分析软件对机床的静力学和模态进行分析，对机床的整机的刚度及振动特性进行评价，找出支承件中的薄弱环节进行进而优化机床结构，提高机床的刚度，进而提高机床的加工精度，能够在产品设计之初解决设计上的缺陷，减少总体的设计时间。
发明内容
为了克服以上缺陷，本发明要解决的技术问题是：提出一种使用高级的分析软件对机床的静力学和模态进行分析，对机床的整机的刚度及振动特性进行评价，找出机床中的薄弱环节进而优化机床结构，提高机床的刚度，进而提高机床的加工精度，能够解决设计上的缺陷，减少总体的设计时间的线性导轨数控机床静力学及模态分析方法。
本发明所采用的技术方案为：一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法，包括以下步骤：
一.三维几何建模步骤：
a.在高级三维软件中单独建立立式加工中心的三维样机模型并且进行装配，所述样机模型包括床身、立柱、主轴箱、滑座和工作台；
b.在高级三维软件中对直线导轨和滑块建模；
c.在高级三维软件中对伺服电机、电机安装座、丝杆螺母座、丝杆轴承座和刀库进行建模；
d.在高级三维软件中将所述直线导轨、滑块、伺服电机、电机安装座、丝杆螺母座、丝杆轴承座和刀库进行安装；
e.材料接触、连接关系的设定：在高级的有限元分析软件中检验三维几何造型组装是否正确，部件的材料属性，并对接触、连接关系进行定义；
f.物理载荷设定：根据机床重加工最大工件重量时的切削力大小进行施加物理载荷；
二.静力学分析步骤：在高级的有限分析元件软件中创建静力学分析，测量分析变形、应变、应力；
三.模态分析步骤：在高级的有限分析元件软件中创建模态分析，测量分析的振型、固有频率；
四.评价步骤：根据分析的结果，总结规律，对数控机床的刚度进行合理的评价，对结构的合理性做出调整。
根据本发明的另外一个实施例，进一步包括所述线性导轨数控机床静力学及模态分析方法适用于包括立式加工中心、卧式加工中心和龙门加工中心在内的带有线性导轨的数控机床。
根据本发明的另外一个实施例，进一步包括对所述床身，立柱，主轴箱，滑座和工作台进行参数化建模，并进行装配。
根据本发明的另外一个实施例，进一步包括在所述步骤一中，直线导轨和滑块模型的大小与实际工件大小完全相同。
根据本发明的另外一个实施例，进一步包括在所述步骤一中，对直线导轨和滑块的材料设定调整材料的弹性模型及泊松比，使其刚度与实际工件相同，直线导轨和滑块之间添加摩擦系数，设定摩擦系数与实际相同；滑座、电机安装座、丝杆螺母座之间采用弹簧单元连接，任意两部件之间至少连接有三根弹簧，并设定弹簧的总刚度与丝杆刚度相同。
根据本发明的另外一个实施例，进一步包括在所述步骤四中，通过比较分析机床整体的变形情况和模态振型以及床身、立柱、主轴箱单独的变形情况和模态振型，进而对整个模型的加工状态进行分析，找出机体的薄弱环节。
本发明的有益效果是：根据高级的分析软件对机床的静力学和模态进行分析，对机床的整机的刚度及振动特性进行评价，找出机床中的薄弱环节进而优化机床结构，提高机床的刚度，进而提高机床的加工精度，能够解决设计上的缺陷，减少总体的设计时间。
附图说明
图1是本发明的优选实施例的结构示意图；
图中：1、床身，2、立柱，3、主轴箱，4、滑座，5、工作台，6、直线导轨，7、滑块，8、伺服电机，9、电机安装座，10、丝杆螺母座，11、丝杆轴承座，12、刀库；
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法，包括以下步骤：
一.三维几何建模步骤：
a.在PRO/ENGINEER软件中标准模式下对床身1、立柱2、主轴箱3、滑座4和工作台5进行单独几何建模，按零部件关系在PRO/ENGINEER软件中标准模式下装配成立式加工中心的三维几何模型，在组装时有些部件通过“预定义连接集(Predefined Connection Set)”来安装的；
b.在PRO/ENGINEER软件中标准模式下对直线导轨和滑块建模，按零部件关系在PRO/ENGINEER软件中标准模式下装配成立式加工中心的三维几何模型；
c.在PRO/ENGINEER软件中对标准模式下伺服电机8、电机安装座9、丝杆螺母座10、丝杆轴承座11和刀库12进行建模，按零部件关系在PRO/ENGINEER软件中标准模式下装配成立式加工中心的三维几何模型；
d.材料接触、连接关系的设定：在PRO/ENGINEER中装配完成后，先对组装好的模型进行空间干涉检查：具体步骤是PRO/ENGINEER中单击菜单中的分析→模型命令，单击全局干涉和全局间隙，检查装配的接触、干涉、间隙情况，是否存在干涉、分离现象，如果未出现干涉分离等现象，则将将装配好的三维模型导入到ANSYS Workbench软件中，由于PRO/ENGINEER与ANSYS Workbench的无缝集成，所以在机床三维模型建成后可直接导入ANSYS Workbench模块中，不存在数据丢失情况，而且节省大量的时间。
e.材料接触、连接关系的设定：在ANSYS Workbench中检验三维几何造型组装是否正确，部件的材料属性，并对接触、连接关系进行定义；
f.物理载荷设定：在ANSYS Workbench静力学根据机床重加工最大工件重量时的切削力大小施加物理载荷；
二.静力学分析步骤：在ANSYS Workbench静力学模块根据机床重切削时的切削力大小进行施加物理载荷，提取机床整体及主要关心部件的变形、应变、应力等结果。
三.模态分析步骤：在ANSYS Workbench模态分析模块，对模型施加约束，与实际机床约束相符，提取模型的振型云图，分析振型及固有频率。
四.评价步骤：根据分析的结果，总结规律，对数控机床的刚度进行合理的评价，对结构的合理性做出调整。
另外，在所述步骤一中，在ANSYS Workbench定义部件的材料属性，并定义接触、连接关系，其中主要包括对伺服电机8及附件进行材料设定，使其重量与实际重量相符，对直线导轨6和滑块7的材料设定调整材料的弹性模型及泊松比，使其刚度与实际工件相同，直线导轨6和滑块7之间添加摩擦系数，设定摩擦系数与实际相同；滑座7、电机安装座9、丝杆螺母座10之间采用弹簧单元连接，任意两部件之间至少连接有三根弹簧，并设定弹簧的总刚度与丝杆刚度相同。
另外，在所述步骤四中，通过比较分析机床整体的变形情况和模态振型以及床身1、立柱2、主轴箱3单独的变形情况和模态振型，进而对整个模型的加工状态进行分析，找出机体的薄弱环节。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
一.三维几何建模步骤：
a.在高级三维软件中单独建立立式加工中心的三维样机模型并且进行装配，所述样机模型包括床身(1)、立柱(2)、主轴箱(3)、滑座(4)和工作台(5)；
b.在高级三维软件中对直线导轨(6)和滑块(7)建模；
c.在高级三维软件中对伺服电机(8)、电机安装座(9)、丝杆螺母座(10)、丝杆轴承座(11)和刀库(12)进行建模；
d.在高级三维软件中将所述直线导轨(6)、滑块(7)、伺服电机(8)、电机安装座(9)、丝杆螺母座(10)、丝杆轴承座(11)和刀库(12)进行安装；
e.材料接触、连接关系的设定：在高级的有限元分析软件中检验三维几何造型组装是否正确，部件的材料属性，并对接触、连接关系进行定义；
f.物理载荷设定：根据机床重加工最大工件重量时的切削力大小进行施加物理载荷；
二.静力学分析步骤：在高级的有限分析元件软件中创建静力学分析，测量分析变形、应变、应力；
三.模态分析步骤：在高级的有限分析元件软件中创建模态分析，测量分析的振型、固有频率；
四.评价步骤：根据分析的结果，总结规律，对数控机床的刚度进行合理的评价，对结构的合理性做出调整。
2.根据权利要求1所述的一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法，其特征在于：所述线性导轨数控机床静力学及模态分析方法适用于包括立式加工中心、卧式加工中心和龙门加工中心在内的带有线性导轨的数控机床。
3.根据权利要求1所述的一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法，其特征在于：对所述床身(1)，立柱(2)，主轴箱(3)，滑座(4)和工作台(5)进行参数化建模，并进行装配。
4.根据权利要求1所述的一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法，其特征在于：在所述步骤一中，直线导轨(6)和滑块(7)模型的大小与实际工件大小完全相同。
5.根据权利要求1所述的一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法，其特征在于：在所述步骤一中，对直线导轨(6)和滑块(7)的材料设定调整材料的弹性模型及泊松比，使其刚度与实际工件相同，直线导轨(6)和滑块(7)之间添加摩擦系数，设定摩擦系数与实际相同；滑座(4)、电机安装座(9)、丝杆螺母座(10)之间采用弹簧单元连接，任意两部件之间至少连接有三根弹簧，并设定弹簧的总刚度与丝杆刚度相同。
6.根据权利要求1所述的一种线性导轨数控机床静力学及模态分析方法，其特征在于：在所述步骤四中，通过比较分析机床整体的变形情况和模态振型以及床身(1)、立柱(2)、主轴箱(3)单独的变形情况和模态振型，进而对整个模型的加工状态进行分析，找出机体的薄弱环节。
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