一９４一机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎ。ｒｙ
Ｄｅｓｉ黟ｌ
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Ｍａｎｕｆａｃｔｕ陀
第ｌ期２００５年１月
文章编号：１００
３９９７ｒ２００５）０１—００９４—０２
微型机床的结构动态特性分析★
孙雅洲王蕊陈时锦程凯梁迎春
（哈尔滨工业大学精密工程研究所，哈尔滨１５０００１）
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中图分类号：ＴＨｌ２２
文献标识码：Ａ
机床的微小型化不仅有助于节省能源、空间和资源．而且由于运动部件的惯性减小．从而容易达到高速加工和高精度、高剐度运动控制。为此，作者研制了一台微型机床试验台，相关的性能实验正在进行。这里利用有限元
图１微型机床试验台
和实验的方法，对该微型机床进行结构动态特性分析，为后续的微小型化机床系统动力学研究奠定基础。
ｌ微型机床试验台
微型机床试验台如图１所示，采用卧式三坐标结构布局，长×宽×高为３００×１５０×１６５ｍ一。主轴采用滚动轴承支承的小型空气涡轮主轴，精度２肛ｍ，最高转速可达１５０，ｏｏｏｒ／ｍｉｎ，更换夹头可装夹刀柄直径为ｏ８～３．ｏｍｍ的刀具。进给驱动系统采用压电陶瓷电机直接驱动的交叉滚柱支承的滑台。考虑到现有主轴尺寸和重量相对较大，而被加工件尺寸、重量以及加工时的切削力均较小，故该试验台设计成三轴滑台叠加起来的三维直线进给工作台结构，带动工件实现三个方向的真线进给运动，而刀具安装在主轴上，切削中保持固定位置。三维直线进给
工作台竖直轴行程为２５ｍｍ，水平两轴行程均为３０咖。
２有限元模态分析
２．１有限元模型
在ＡＮｓＹｓ软件平台上，根据微型机床实际结构、尺寸和组成特点建立整机的几何模型，以有效满足计算精度。我们关心的是固有频率及振型等固有特性，模型简化的基本原则是刚度等效。首先将主轴座、底座和底板建成一体结构。由于微型机床本身质量小，则进给驱动电机不可忽略。但若按电机实际情况建模又很复杂，且从模态分析对几何模型的要求来说也无必要。电机质量及几何尺寸均已知，可将电机等效为质量块求得其等效密度。主轴为组件，也采用上述方法确定主轴等效密度．
按外形尺寸将其建成均质材料的结构。
该微型机床主要部件多是三维块状结构，故单元类型采用三维实体结构单元。为提高计算精度，选用带有中间节点的ｓＯｕＤ９５单元。进给滑台间的滚柱为交叉排列，当对滑台施加载荷时，在滚柱接触线处将产生弹性变形，变形与所受外力在一定范围内可以认为成正比，这与弹簧单元的线弹性性能相一致。弹簧单元相当于线性弹簧，只承受弹簧长度方向的压力，所以找到合适的单元弹性系数，便可满足弹簧单元与交叉滚柱滑台的静力学等效。通过计算，若弹簧的弹性系数Ｋ＝２．８×１０１Ｎ／ｍ时，便与滑台径向刚度等效。
将以上所定义的单元类型及材料特性分配给微型机床各部分结构，采用手动剖分与自由剖分相结合的单元划分方式，使得单元数目大为减少，在模型准确性和计算机资源耗费上得到了恰当的折中。最后模型中包含实体单元８６２３９个，节点３００２１个，弹簧单元３２２个。该微型机床的有限元模
★来稿日期：２００４—０６一１５★基金项目：哈尔滨工业大学校基金资助项目（Ｈ１１
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万方数据