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技術(shù)前沿> 基于 ADAMS 的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真
基于 ADAMS 的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真
2017-6-23 來源：沈陽化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 作者：趙艷春，李尚帥，李鐵軍，王丹
摘要: 為了分析機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)在零件加工時(shí)對其精度影響，利用三維造型軟件 Solid Works 建立數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型; 利用 Ansys 分別建立絲杠和工作臺的有限元模型，將模型導(dǎo)入 Adams，對數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)仿真。結(jié)果表明: 固定轉(zhuǎn)速下，工作臺在不同位置的振幅不同，改變轉(zhuǎn)速其規(guī)律相近; 在不同轉(zhuǎn)速下，速度越大，工作臺振幅越大，并呈線性關(guān)系。
關(guān)鍵詞: 工作臺振動(dòng)分析; Adams; 數(shù)控機(jī)床; 進(jìn)給系統(tǒng)
0.前言
隨著企業(yè)效率的提高和自動(dòng)化程度的提高，人們對高速機(jī)床的需求越來越大。國外有些發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平可以使機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到 100 000 r/min，但在運(yùn)用機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)不得不考慮其高轉(zhuǎn)速引起的大振動(dòng)問題，而振動(dòng)超過一定范圍時(shí)就會使機(jī)床的穩(wěn)定性下降，加工精度下降，機(jī)床的使用壽命也會減少。所以，研究機(jī)床的振動(dòng)性能對于減小振動(dòng)，提高機(jī)床穩(wěn)定性是必不可少，也是至關(guān)重要的。
數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)是機(jī)床的重要組成部分，也是影響數(shù)控機(jī)床加工精度的重要因素，影響機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的精度因素有絲杠的導(dǎo)程、工作臺和導(dǎo)軌之間的支撐剛度、絲杠的預(yù)拉伸力等等［1 － 2］。
文中主要通過虛擬樣機(jī)技術(shù)研究進(jìn)給系統(tǒng)在不同的轉(zhuǎn)速下對工作臺振動(dòng)的影響。
1.數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)模型的建立
考慮到在 Adams 中建模過程比較繁瑣，采用三維造型軟件 Solid Works 對進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行建模。把裝配體模型文件導(dǎo)入到 Adams 中，構(gòu)成虛擬樣機(jī)的幾何模型，通過給幾何模型中的零部件施加約束、運(yùn)動(dòng)、力等，完成數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)的建立［3］。由于 Solid Works 軟件建立的模型是剛形體，在仿真中對于大部分零件是符合實(shí)際工作情況的，而絲杠和工作臺則與進(jìn)給系統(tǒng)在實(shí)際工作中的情況不符，為了使仿真的結(jié)果更真實(shí)可靠，接近進(jìn)給系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，需要對絲杠和工作臺進(jìn)行柔性化處理，運(yùn)用Ansys 軟件對絲杠和工作臺進(jìn)行網(wǎng)格劃分［4］，處理后導(dǎo)入 Adams 中模型如圖 1 所示。
圖 1 進(jìn)給系統(tǒng)在 ADAMS 中模型
2.進(jìn)給系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真
文中研究直徑為 40 mm 的絲杠在不同轉(zhuǎn)速下對工作臺的振動(dòng)影響情況。絲杠的轉(zhuǎn)速從 500 r/min 到4 000 r / min，每加 500 r 仿真一次。并且在絲杠上分別取 10 個(gè)等距的點(diǎn)為工作臺仿真初始位置點(diǎn)，研究的目的就是工作臺在不同轉(zhuǎn)速下某一點(diǎn)的振動(dòng)情況和同一轉(zhuǎn)速時(shí)不同位置的振動(dòng)情況比較。仿真系統(tǒng)其他參數(shù)［5］設(shè)置見表 1。
表 1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置
在絲杠上分別取 10 個(gè)不同的點(diǎn)作為工作臺振動(dòng)分析起始點(diǎn)，分別命名為 X1，X2，…，X10。它們的間距分別為 50 mm，X1代表工作臺停在距離絲杠左端的 250 mm 處，而 X2，X3，…，X10是從 X1依次向右取。當(dāng)工作臺的質(zhì)心停在 X1時(shí)突然給絲杠一個(gè)速度，也就是給絲杠一個(gè)沖擊，仿真結(jié)束得到一組數(shù)據(jù)后，通過改變轉(zhuǎn)速值得到在 X1處不同轉(zhuǎn)速下仿真結(jié)果，按此法依次得出十個(gè)點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)，最后通過Adams 的后處理模塊進(jìn)行分析。
(1) 工作臺同一點(diǎn)在不同轉(zhuǎn)速下的軸向振幅在 X1及 X5處，不同轉(zhuǎn)速對工作臺的軸向振動(dòng)情況如圖 2 及圖 3 所示。
圖 2 X1處最大振幅值變化幅度
圖 3 X5處最大振幅
從圖 2 可以得到在位置 X1處隨著轉(zhuǎn)速的增加工作臺的振幅隨之增加，大致呈線性規(guī)律。從圖 3 可以得到在位置 X5處隨著轉(zhuǎn)速的增加工作臺的振幅也隨之增加，與在 X1相比，振幅值大小相差不大，且斜率相近。
(2) 同一轉(zhuǎn)速下工作臺不同位置的軸向振幅各轉(zhuǎn)速下不同位置的軸向振動(dòng)情況如圖4—6 所示。
圖 4 轉(zhuǎn)速為 2 000 r/min 時(shí)不同位置的軸向振動(dòng)
圖 5 轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min 時(shí)不同位置的軸向振動(dòng)
圖 6 轉(zhuǎn)速為 4 000 r/min 時(shí)不同位置的軸向振動(dòng)
從圖 4—6 可看出，在同一轉(zhuǎn)速不同位置的下，工作臺振幅大致呈現(xiàn)為 “波浪狀”，隨著位置的變化，其振幅先增大，隨之減小，然后再次增大。
3.結(jié)論
通過利用 Solid Works 和 Ansys 軟件完成了數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)零部件和裝配體的建模，然后將裝配體導(dǎo)入 Adams 中建立了進(jìn)給系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真模型，設(shè)置約束和參數(shù)，完成對數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析。得出工作臺在絲杠不同轉(zhuǎn)速激勵(lì)下的軸向振動(dòng)響應(yīng)曲線，并且得出同一位置不同轉(zhuǎn)速的最大振幅規(guī)律，以及根據(jù)同一轉(zhuǎn)速不同位置最大振幅的變化規(guī)律曲線，得出隨著轉(zhuǎn)速的增加各位置的最大振幅隨之增加呈線性關(guān)系; 轉(zhuǎn)速一定時(shí)規(guī)律比較明顯，工作臺在開始的時(shí)候振幅最大，在絲杠中后部和后端振幅較大。為以后的誤差補(bǔ)償提供一定的依據(jù)，同時(shí)對工作臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和絲杠轉(zhuǎn)速最佳值的選取有一定指導(dǎo)價(jià)值。
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