CN102622459B - 一种大型硬轨加工中心的柔体动力学分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型硬轨加工中心的柔体动力学分析方法，包括：硬轨加工中心建模，加工工件建模，硬轨结构建模，加工中心附件建模，材料设定，接触、连接关系模拟，物理加载模拟和动力分析。本发明的分析方法可对大型硬轨加工中心的进给系统及加工系统的基础件结构进行评价，帮助改进基础件结构，以适应加工中心正常工作的要求，保证加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床加工领域，特别是涉及一种大型硬轨加工中心的柔体动力学分析方法。
背景技术
大型硬轨加工中心是非常重要的数控装备之一，主要用于加工大型零件，适合重切削，加工效率高。由于机床自身装配、工件重力、切削力及加、减速时的惯性力等诸多因素会对机床动态刚度有影响，需要对机床进行动力学分析，分析其运动过程中基础部件的变形、所受反作用力等情况，对机床结构的优化提出指导意见，提高加工中心的加工精度和效率，降低制造成本。现有的技术不能满足精确分析的需求。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种大型硬轨加工中心的动力学分析方法，能够精确分析大型硬轨加工中心各基础部件在加工过程中的受力及形变等参数。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种大型硬轨加工中心的柔体动力学分析方法，包括以下步骤：
硬轨加工中心建模，在三维软件中建立硬轨加工中心的三维样机模型并进行装配；
加工工件建模，在三维软件中对最大加工工件的尺寸和重量分别建模；
硬轨结构建模，在三维软件中对硬轨结构中的压板、镶条、软带分别建模，并进行装配；
加工中心附件建模，在三维软件中对加工中心附件建模并进行装配；
材料设定，在有限元分析软件中定义部件的材料、重力、质量属性和阻尼器；
接触、连接关系模拟，在有限元分析软件中定义部件之间的接触、连接关系；
物理加载模拟，在有限元分析软件中按照切削力和驱动力大小进行施加；
动力分析，在有限元分析软件中创建动力学分析，测量分析主要部件的变形、速度、加速度、反作用力和力矩；
按照切削力施压为按照重切削时最大可能的切削力进行施加，驱动力大小按照加工中心进给时最大可能的加速度换算；
动力分析步骤是分析在最大可能的切削力和驱动力作用下及不同时间值下，主要部件的变形情况、速度、加速度、反作用力和力矩。
优选的是，硬轨加工中心机床的三维样机模型包括底座、滑鞍、立柱、主轴箱、工作台。
优选的是，加工中心附件包括伺服电机、刀库、电机安装座、轴承座。
优选的是，连接关系包括摩擦、绑定、固定副、旋转副.
优选的是，接触、连接关系模拟中，对所有的导轨面与软带接触定义为摩擦，摩擦系数与实际相符，底座与地基之间定义为固定副。
本发明分析方法可对大型硬轨加工中心的进给系统及加工系统的基础件结构进行评价，帮助改进基础件结构，以适应加工中心正常工作的要求，保证加工精度。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例建立的大型硬轨加工中心的三维模型图；
图2是本发明一较佳实施例动力分析的底座导轨面受力曲线图；
图3是本发明一较佳实施例动力分析的底座变形曲线图；
图4是本发明一较佳实施例动力分析的滑鞍速度曲线图；
图5是本发明一较佳实施例动力分析的底座受地基作用的反力曲线图；
图6是本发明一较佳实施例动力分析的滑鞍加速度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明先采用三维软件建模，再采用分析软件模拟、分析，利用两种软件无缝对接的特性，共同对大型硬轨加工中心进行柔体动力学分析。本发明的具体步骤如下：
1、硬轨加工中心建模：本例用PRO/ENGINEER软件建模，下文相同。在PRO/ENGINEER软件的标准模式下利用参数（Parameters）和关系（Relations）对底座1、滑鞍2、立柱3、主轴箱4、工作台5等相关部件进行单独参数化几何建模，并按零部件在加工中心的装配关系在PRO/ENGINEER软件的组件模式下装配成为立式加工中心的三维几何模型，值得注意的是在组装时有些部件是通过“预定义连接集（Predefined Connection Set）”来安装的。建成的大型硬轨加工中心的三维几何模型请参阅附图1。
2、加工工件建模：在PRO/ENGINEER软件中按照最大加工工件的外形尺寸和重量两种参数分别建模，在PRO/ENGINEER软件的组件模式下按该最大加工工件可能放置的位置、方式进行装配。
3、硬轨结构建模：在PRO/ENGINEER软件中分别对硬轨结构中的压板16、镶条17、软带18建模，要求与实际尺寸相符，并进行装配。
4、加工中心附件建模：在PRO/ENGINEER软件中对伺服电机21、刀库、电机安装座、轴承座等建模，要求与实际尺寸相符。所有的附件按零部件关系在PRO/ENGINEER软件的组件模式下装配成为立式加工中心的三维几何模型。
5、材料设定：在PRO/ENGINEER中装配完成后，将装配好的模型导入到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中，不存在数据丢失情况，而且节省大量的时间。在ANSYS Workbench的Engineering Data中定义全部部件的材料、重力、质量属性和阻尼等，且要求与实际相符。
6、接触、连接关系模拟：在ANSYS Workbench分析软件中Flexible Dynamic模块中定义部件之间的接触、连接关系，导轨面与软带之间添加摩擦接触，设定摩擦系数与实际相符。床身与地基之间定义为固定副（fixed)，主轴31定义为旋转副（revolute)。值得注意的一点是，在接触（Connections）设定时要给定具体的接触探测值。
7、物理加载模拟：在ANSYS Workbench分析软件的Flexible Dynamic模块中按照最大可能的切削力进行施加，并给定每个进给轴可能的最大进给力。进给力的确定按照最大进给加速度确定。
8、动力分析：在ANSYS Workbench分析软件Flexible Dynamic模块中创建动力学分析，测量分析在上述物理加载下及不同时间值下，主要基础部件的变形情况、速度、加速度、反作用力、力矩等。分析结果请参阅图2～图6。
根据动力分析的结果，可对大型硬轨加工中心的进给系统及加工系统的基础件结构进行评价，帮助改进基础件结构，以适应加工中心正常工作的要求，保证加工精度。
本发明大型硬轨加工中心的柔体动力学分析方法适用于立式加工中心，但不局限于立式加工中心，还可应用于卧式加工中心、龙门加工中心等硬轨的数控机床。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (2)
1. 一种大型硬轨加工中心的柔体动力学分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
硬轨加工中心建模，在三维软件中建立硬轨加工中心的三维样机模型并进行装配；
加工工件建模，在三维软件中对最大加工工件的尺寸和重量分别建模；
硬轨结构建模，在三维软件中对硬轨结构中的压板、镶条、软带分别建模，并进行装配；
加工中心附件建模，在三维软件中对加工中心附件建模并进行装配；
材料设定，在有限元分析软件中定义部件的材料、重力、质量属性和阻尼器；
接触、连接关系模拟，在有限元分析软件中定义部件之间的接触、连接关系；
物理加载模拟，在有限元分析软件中按照切削力和驱动力大小进行施加；
动力分析，在有限元分析软件中创建动力学分析，测量分析主要部件的变形、速度、加速度、反作用力和力矩；
按照切削力施压为按照重切削时最大可能的切削力进行施加，驱动力大小按照加工中心进给时最大可能的加速度换算；
动力分析步骤是分析在最大可能的切削力和驱动力作用下及不同时间值下，主要部件的变形情况、速度、加速度、反作用力和力矩。
2. 根据权利要求1所述的大型硬轨加工中心的柔体动力学分析方法，其特征在于：硬轨加工中心机床的三维样机模型包括底座、滑鞍、立柱、主轴箱、工作台。
3.根据权利要求1所述的大型硬轨加工中心的柔体动力学分析方法，其特征在于：加工中心附件包括伺服电机、刀库、电机安装座、轴承座。
4.根据权利要求1所述的大型硬轨加工中心的柔体动力学分析方法，其特征在于：连接关系包括摩擦、绑定、固定副、旋转副。
5. 根据权利要求1所述的大型硬轨加工中心的柔体动力学分析方法，其特征在于：接触、连接关系模拟中，对所有的导轨面与软带接触定义为摩擦，摩擦系数与实际相符，底座与地基之间定义为固定副。
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