2009年7月第37卷第7期
机床与液压
MACH I NE TOOL &HYDRAULI CS
Jul 12009
V ol 137N o 17
DO I:10.3969/j 1i ssn 11001-3881120091071057
收稿日期:2008-07-09
基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET )06)297);辽宁省优秀人才支持计划项目(2006R043);沈阳建
筑大学省级重点实验室开放基金项目(J X200704)
作者简介:张镭(1962)),男,博士,副教授,主要从事现代测量理论及计算机控制技术研究。电话:133********,024
-24692245。E-m ai:l z hanglei 526@to m 1com 。
CKS6125数控机床床身的有限元分析与研究
张镭
1,2
,窦广会2,张珂2,袁野3,滕立波
4
(11东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004;21沈阳建筑大学交通与机械工程学院,辽宁沈阳110168;31际华三五二三特种装备有限公司,辽宁沈阳110026;41沈阳车床研究所,辽宁沈阳110025)
摘要:建立CK S6125机床床身的三维实体模型,基于ANSY S 有限元分析,对CK S6125机床床身进行了模态分析,得出了CKS6125机床床身前六阶固有频率和振型。掌握CK S6125机床床身各阶振动模态的特点,有利于CK S6125机床床身整体结构的设计,对提高数控机床的设计质量具有重要意义。
关键词:有限元方法;模态分析;固有频率;振型
中图分类号:TH161+16 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2009)7-171-3
F i n ite E le m ent Analysis of CK S 6125CNC M achi n e Tool Bed
ZHANG Le i 1,2
,DOU Guanghu i 2
,Z HANG Ke 2
,YUAN Y e 3
,TENG L i b o
4
(11M echanical Eng i n eering and Auto m atic Schoo,l N ortheastU niversity ,Shenyang L iaon i n g 110004,Ch i n a ;21Tra ffic and M echanical Eng i n eering Schoo,l Shenyang Ji a nzhu Un iversity ,Shenyang Liaon i n g 110168,Ch i n a ;
31Jihua 3233Special Equ i p m ent Co 1Ltd 1,Shenyang Liaon i n g 110026,Ch i n a ;
41Shenyang Institute of Lathe ,Shenyang L iaon i n g 110025,Ch i n a)
Abstrac t :A t hree -di m ens i ona lm ode l o f CK S6125m achi ne t oo l bed w as estab lished .T he v i bra ti on m oda l analysis was m ade based on fi nite e l ementm ethod ,T he first s i x natural frequenc i es and v i b ration m ode ls of the CK S6125m achi ne too l bed w ere obta i ned .
It is very essential to research i nto cha racter istics of t he first s i x na t ura l frequenc ies and v i brati on m ode ls of CK S6125machine too l and desi gn of m ach i ne too l bed syste m.It is i m po rtant to i m prove the pe rfor m ance o fm achi ne tool by usi ng fi n ite e le m en t ana l y si s i n the desi gn of CNC m ach i ne too.l
K eyword s :F inite e le m ent m ed t hod ;M oda l ana l ys i s ;N at u ra l frequency ;V ibra tion type
为了提高产品设计的成功率,抓住将新产品推向市场的良机,需要在产品设计过程中,对产品的性能进行正确的评价,以便进行必要的设计改进。因此,在数控机床的设计中应用新的现代设计方法和采用先进的设计分析是十分必要的。床身是数控机床一个非常重要的结构大件,它的刚度、抗震性以及热变形等机械性能关系到机床的加工精度和表面粗糙度,关系到机床的安全可靠性及使用寿命,了解床身本身具有的机械刚度即固有频率和振型,可避免机床在使用过程中产生不必要的损失。因此,有必要对床身进行详细的动态分析。现在研究动态分析最主要的方法是模态分析,通过模态分析可以判断振型是否影响加工精度,还可以对机床床身相关的部件进行优化设计,使其满足对加工精度的要求。
通过对机床重要部件进行一系列的动力学分析,并对有限元分析计算的结果进行分析,得出机床整机
和几个主要部件的动力学特性[1]
。
1 主要应用设计工具
ANSY S 是A nalysis Syste m 的缩写,是美国Sw an -son 公司推出的一种工程分析软件,该软件融合了结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型CAE 通用有限元分析软件,可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。AN SYS 能够高效求解各种复杂结构的静力、动力、振动、线性和非线性、模态分析、谐波响应分析、断裂力学等问题,具有完善的前后处理模块和强大的数据接口,可实现数据的共享及交换,可在大多数计算机及操作系统中运行。因而是计算机辅助工程(CAE)、工程
数值分析和仿真的有效工具[2]
。
P r o /ENG I NEER 是美国参数技术公司(P ara metric Techno l ogy Corporat i on ,PTC )开发的CAD /CAE /CAM 软件,该软件因具有强大的参数化特征造型功能而得
到工程设计人员的广泛应用。P r o /ENG I NEER 功能强大,可以应用于工业设计、机械设计、功能仿真、制造和数据管理等领域,涉及从设计到生产的全过程。此外,Pro /ENG I NEER 还提供了目前最全面,集成最紧密的产品开发环境,来满足设计要求。
2 基于ANSYS 的分析步骤
典型的AN SYS 分析过程包括建立有限元模型、施加载荷和求解、后处理。
(1)建立有限元模型利用Pro /ENG I NEER 软件参数化建模比AN S Y S 建模要方便、快捷,特别是建立机床床身和床身与床鞍装配部件等复杂的三维实体模型,需要耗费大量的时间和精力,用P r o /ENG I NEER 软件可大大提高建立实体模型的效率,所以在P r o /ENG I NEER 中建好三维模型后再导入AN SYS 中。具体操作是建成后点击F ile y Save a Copy ,在Type 项选中I GES (*1i gs),这样就把P art (*1prt)文件转化为I GES (*1i gs)
文件,然后在ANSY S 中点击F ile y I mport 即可[3]
。
在有限元建模成功之后,需要设置单元类型、材料属性、定义网格尺寸、生成网格。
选用的线性实体单元为Solid92并采用AN SYS 智能网格划分方式按照七级精度对机床床身划分网格。单元的材料为HT 300,其参数如下:弹性模量E =110
00010M Pa ;密度Q =7200kg /m 3
;泊松比L =0122;床身单元总数75643,共142954个节点。
(2)施加载荷及求解
工程中的实际结构都会受到外部载荷的作用。有限元模型是对实际结构的反应,利用有限元进行分析的一个重要步骤是检验结构在一定的载荷下的反应。因此对结构施加载荷是十分重要的,它决定了有限元模型是否能正确地反映实际工程中构件的特征。在结构分析中,ANSYS 中的载荷分为位移、力、压力、温度和重力。综合起来就是自由度约束、力和力矩、
表面载荷、体载荷、惯性力等[4]
。
ANSYS 求解是利用该软件,解由有限元方法建立的模型的联立方程组。求解的结果为节点自由度(基本解)、单元解。在求解过程中,每一种联立方程的求解方法,对应一种求解器,它们是波前法、稀疏矩阵直接求解法、雅可比共轭梯度求解法、不完全乔类基共轭梯度法、自动迭代法等,其中波前法为默
认的方法[5-6]
。
对于主要计算机床床身的静刚度,测其自身的固有频率和振型,分别考虑了六种情况,施加载荷,进行计算。
(3)后处理
ANSYS 计算完后进入后处理POST1,观看变形
形态以及获得变形量,并找到最大变形位置。
3 有限元结果分析
311 床身有限元分析
CK S6125卧式数控机床床身的有限元模型的建立:首先使用三维实体建模软件P ro/ENG I NEER 建立零件的实体模型,然后将该实体模型通过中间数据文件导入AN SYS 。
床身模型如图1所示,床身有限元网格模型如图2所示。
如图3所示,1阶振型是前后摆动,深色的地方
#
172#机床与液压第37卷
代表最大振幅,其值是01140L m,由图可知床身的中
上部受变形最大。
其余几阶固有频率排列如表1所示。
表1 床身固有频率与各方向变形量
阶数频率/H z 总变形/L m X 方向变形/L m Y 方向变形/L m Z 方向变形/L m 1阶频率180121115718041315612阶频率24510
1147
780106011403阶频率284148113580070011504阶频率307143612377023062005阶频率3611331132310115012506阶频率
38718
4183
780
870
4820
312 床身与床鞍装配部件有限元分析
导轨、滑块、床鞍的材料为钢,弹性模量为20000010M Pa ,泊松比为013。其中的结合面状态(结合面刚度、阻尼)为AN SYS_WORKBENCH 默认状态。固定部位为底端7个接地面固定。床身与床鞍装配部件几何模型与有限元模型分别如图4、5
所示。
单元大小为30mm,包含161571个节点以及84583个单元。
1阶变形图如图6所示。
1阶是前后摆动,深色的地方代表最大振幅,其值是01273L m,由图可知床鞍的上部受变形最大。其余几阶固有频率如表2
所示。
图6 床身与床鞍装配部件1阶变形图
表2 床身与床鞍装配部件的固有频率和各方向变形量阶数
频率/H z 总变形/L m X 方向变形/L m Y 方向变形/L m Z 方向变
形/L m
1阶频率190103116319242316052阶频率2491251150790111312103阶频率297112114285066511304阶频率312186610374025063005阶频率3691531148325121012906阶频率375145
4194
745
840
4840
4 结论
通过对床身进行三维实体建模与有限元分析,得到了现有床身的静动态特性,并在筋板厚度及分布情况等方面对床身结构优化设计进行了尝试,得出结论如下:
(1)原模型能满足生产所需的静刚度要求;在低阶频域内具有良好的动态特性,其一阶振动频率为178139H z ,在机床工作转速外;前四阶床身整体振动中最大幅值较小且一致性很好,但是高阶频域中由局部振动引起的工作台面振动情况较多,需要改进。
(2)通过模态分析结果对比,要提高床身动态特性,横向筋板厚度以18mm 为宜,横向筋板数量增加至5个,同时在中间圆筒处增加竖筋板。
(3)上述改进措施对床身低阶频域动态特性影响很小,但是可以很好地提升床身高阶频域的动态特性,消除局部振动对床身工作平面的影响。
(4)上述改进措施对床身质量影响很小,改进后的床身各模型质量增幅在5%以内。
参考文献:
=1>谢峰,雷小宝,林巨广,等.C 型压力机机身的有限
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39-41.
(下转第223页)
#173#第7期张镭等:C K S6125数控机床床身的有限元分析与研究
现PDM 和CAPP 系统的无缝集成。
2 通用的集成系统框架
CAPP 系统具有多样性与异构性的特点,并且现有的不同PDM 系统也是采用不同的系统架构和外部接口,必须采用基于W eb 的平台无关的技术来实现通用的CA PP 和PD M 系统的集成。因此选择W eb Service 平台实现CAPP 和PD M 系统的集成。由于对平台无关性的要求必须屏蔽不同系统的底层实现细节,不同的系统对外提供统一的调用接口,Facade 设计模式恰恰具有上述优点,因此CAPP 和PDM 系统的底层接口分别用Facade 模式封装成W eb Ser v ice ,以对外部屏蔽各自的底层接口,只暴露互相调用所需要的API ,P DM 系统可以通过W eb 调用封装了CA PP 接口的W eb Service 。反之CAPP 也可以调用PD M 的W eb Serv ice ,两者通过W eb 互相调用,关系是对等的。PD M 系统和CAPP 系统互为W eb Ser v ice 的客户端和服务器端,客户端和服务器之间用S OAP 协议通信。两个系统之间采用X M L 格式进行信息交换,各自通过数据交换封装接口把各自的内部数据格式转换成X M L 数据格式发送请求,收到XML 格式的数据之后也是通过数据交换封装接口把收到的X M L 数据解析为各自的内部格式。
此集成框架的W eb Ser v ice 是与底层实现无关的,因而是通用的,做不同CAPP 和PD M 系统集成的时候只需要做与底层实现有关的数据交换封装接口,把底层接口用Facade 模式封装成统一的集成接口,不同的CAPP 系统(PDM 系统)对外提供的是相同的接口函数,实现了集成框架的通用性(图3)
。
图3 CA PP 和PD M 系统集成框架
下面举例说明:假如CAPP 系统需要从PD M 中取得设计BO M,此时CAPP 作为PD M 系统W eb Serv -ice 的客户端,它会通过W eb Service 平台发送X M L 格式的SOAP 消息给PD M 的W e b Ser v ice 应用程序,
W eb Serv ice 应用程序通过数据交换封装接口解析X M L 格式的消息为PD M 内部数据格式,查找P DM 的产品信息数据库,并且通过数据交换封装接口把查询
结果由P DM 的数据格式转换成XM L 格式,然后把得到的XML 数据通过W eb Serv ice 封装成SOAP 消息传回给CAPP 系统的W eb 应用程序,CAPP 系统通过数据交换封装接口把得到的X M L 格式的结果转换成CA PP 系统内部的数据格式,此时可以在CAPP 系统中查看查询结果。反之如果PD M 系统需要从CAPP 系统中得到工艺BOM,则PD M 作为CAPP 系统W eb Serv ice 的客户端也通过上述过程调用W e b Service 得到符合要求的数据。
3 总结
CA PP 和PD M 系统的集成是实施PL M 系统的一个重要的内容。然而,由于CAPP 系统的多样性与异构性,很难找出一个统一的接口。基于XM L 技术的可扩展的PD M 和CAPP 的通用集成框架,有较好的可维护性和可移植性。此框架采用W eb Serv ice 平台技术和XML 技术,真正实现了平台无关性,适用于所有的PDM 和CAPP 系统的集成,也可以用来作PL M 框架下其他系统之间的集成。参考文献:
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#223#第7期陈桦等:基于W eb 的通用CAPP 和PDM 系统集成