WORKBENCH的机床动态性能分析及改进

基于Workbench的慢走丝线切割机床整机模态分析发布时间：2023-06-20T06:06:41.640Z 来源：《教育学》2023年4月总第318期作者：马同民黄润卿裴玺祥[导读] 本文使用三维绘图软件SOLIDWORKS进行AW1100慢走丝线切割机床的整机建模。

该机床主要由底座、床身、立柱、工作台、滑枕、Z向溜板、上丝臂等组成，其中床身由三部分组成，立柱由两部分组成，除导轨结合部外，其余结合部均使用螺栓连接，并使用9个圆形底座进行支撑。

济南市技师学院山东济南250100本文选用某公司生产的AW1100慢走丝线切割机床进行整机模态分析，该慢走丝线切割机床没有主轴系统，所需简化的部件少，研究效果较好。

一、AW1100整机建模本文使用三维绘图软件SOLIDWORKS进行AW1100慢走丝线切割机床的整机建模。

该机床主要由底座、床身、立柱、工作台、滑枕、Z 向溜板、上丝臂等组成，其中床身由三部分组成，立柱由两部分组成，除导轨结合部外，其余结合部均使用螺栓连接，并使用9个圆形底座进行支撑。

整机共有五组滚动直线导轨，每组导轨由两根轨道四个滑块组成，Y向导轨处于工作台与床身前部之间，轨道与床身前部连接，滑块与工作台相连接，X向导轨处于立柱与床身后部之间，U向导轨处于滑枕与立柱之间，Z向导轨处于Z向溜板与X向溜板之间，V向导轨处于上丝臂与X向溜板之间。

二、导轨结合部处理与整机模态分析1.模型导入。

workbench有限元分析软件获得分析模型的方式有两种：一种是在workbench提供的模型绘制模块进行绘制，另一种是直接从外部进行导入，本文将SOLIDWORKS软件绘制的三维模型以IGES格式进行导入。

2.材料属性输入。

本文使用的慢走丝线切割机床本体所用的材料为灰铸铁，将灰铸铁相应材料属性输入workbench前处理模块。

3.导轨结合部处理。

使用workbench提供的bonded选项处理栓接结合部，使用弹簧单元模拟导轨结合部，其中两个相互垂直的弹簧用来模拟导轨结合部的法向与切向刚度。

机床床身模态分析及结构改进魏子尧;昃向博;吕守堂;公培强;鲍红生;邓涛【摘要】本文针对MJ-520MC/Y斜床身数控车铣复合加工中心,首先三维实体建模斜床身;其次,计算斜床身载荷参数,运用有限元软件ANSYSWorkbench14.0进行模态分析,得出斜床身前六阶的固有频率和振型,根据模态分析结果优化改进;最后,再次模态分析优化后结构,并进行对比,前三阶的固有频率分别提高15.61%、14.63%和16.07%,有效提高机床稳定性,提高对工件的加工精度,为下一步斜床身车铣复合加工中心的改进设计打下基础.【期刊名称】《现代制造技术与装备》【年(卷),期】2016(000)012【总页数】4页(P117-120)【关键词】机床床身;固有频率;模态分析;振型【作者】魏子尧;昃向博;吕守堂;公培强;鲍红生;邓涛【作者单位】济南大学机械工程学院,济南 250022;济南大学机械工程学院,济南250022;济南第一机床有限公司,济南 250000;济南第一机床有限公司,济南250000;济南第一机床有限公司,济南 250000;济南大学机械工程学院,济南250022【正文语种】中文车铣复合加工中心是把车削和铣削工艺整合，在一台机床上实现对工件的车削和铣削加工，这种整合比分别车削和铣削的加工精度更高[1-3]。

斜床身动态性能直接影响机床整机性能，特别是对机床整机的抗振性能、加工精度等影响较大。

分析斜床身结构的固有频率和振型，可为斜床身设计改进提供依据，避免因共振造成的经济损失。

对机床床身动态性能研究的方法应用最多的是模态分析法。

通过模态分析结果，判断振型对加工精度的影响，优化改进斜床身，达到机床对加工质量和加工精度的使用要求。

将低阶固有频率作为动态分析改进设计的优化目标，提高床身固有频率，有效提高机床稳定性，提高对工件的加工精度，为下一步斜床身车铣复合加工中心的改进设计打下基础[4]。

MJ-520MC/Y配置卧式回轮动力型刀架，机床Y轴进给采用虚拟Y轴结构进行平面铣削作业[5]，整机三维模型如图1所示。

第12卷第1期2012年1月1671—1815（2012）01-0180-05科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol.12No.1Jan．2012 2012Sci.Tech.Engrg.仪表技术基于ANSYS Workbench 的大型数控龙门铣镗床床身静动态特性分析张强1尹志宏1*张明旭2李晓园1徐凯1（昆明理工大学机电工程学院1，昆明650093；沈机集团昆明机床股份有限公司技术中心2，昆明650203）摘要对某大型数控龙门铣镗床床身的结构特点和受力情况进行了分析。

在此基础上以ANSYS12．1Workbench 为平台，用有限元方法对该床身进行了静力学和模态分析，并在不同约束条件下对比了床身的静力学变形和模态。

分析结果表明该机床床身静力状态下变形较小，低阶模态频率较高，符合使用要求；但结构较为厚重，优化空间较大，可进行进一步优化。

关键词床身有限元静力学模态中图法分类号TH123；文献标志码A2011年10月8日收到，10月20日修改第一作者简介：张强（1983—），山西人，男，硕士研究生，研究方向：机电系统动力学。

E-mail ：sxndzq@163．com 。

*通讯作者简介：尹志宏，（1962—），男，教授，研究方向：系统动力学。

E-mail ：yzh_kun@sina．com 。

近年来，随着科学技术的发展和计算机更新换代的加快，国内设计领域正在逐步由传统设计向现代设计过渡，这在机床行业表现的尤为突出。

目前，国内机床结构件的一般设计过程为：根据设计要求进行半经验半理论的传统设计，在此基础上完成三维CAD 绘图，然后对初步设计进行CAE 分析，进而根据分析结果进行再设计（优化）；如此反复，直至性能达到要求，最后进行制造。

在进行CAE 分析时，如何根据结构的不同特点选取与之匹配的现代设计方法、评价参数和分析软件对设计进行评价、为优化提供依据，从而有效提升产品质量，成为近年来研究的热点［1—4］。

机械系统的动态性能分析与优化一、引言机械系统作为工程设计中的一个重要部分，其动态性能对系统的功能和效率起着至关重要的作用。

本文将对机械系统的动态性能进行分析，并提出一些优化的方法和技术。

二、机械系统动态性能的分析机械系统的动态性能主要指系统在运行过程中受到外部激励时的响应能力。

为了全面了解机械系统的动态性能，需要对以下几个方面进行分析。

1.动态特性参数分析机械系统的动态特性参数包括自然频率、阻尼比、模态形态等。

自然频率是指系统在无外力作用下，自发地振荡的频率；阻尼比衡量系统振荡的衰减程度。

通过对这些参数的分析，可以评估系统的动态响应能力。

2.振动模态分析振动模态分析是研究机械系统在不同模态下的振动特性。

通过模态分析，可以了解系统在不同振动模态下的振型、振动频率和能量分布情况。

这对于系统的设计和优化具有重要的参考价值。

3.动力学分析动力学分析是指通过建立机械系统的动力学模型，分析系统在受到外部力作用下的运动规律。

通过动力学分析，可以计算系统的加速度、速度和位移等参数，进而评估系统的性能。

三、机械系统动态性能的优化针对机械系统动态性能的分析，可以提出以下几种优化的方法和技术。

1.结构优化结构优化是通过改变机械系统的结构参数，以提高系统的动态性能。

例如，增加刚度可以提高系统的自然频率，减小阻尼可以减少系统的振动衰减时间。

同时，在结构材料的选择上，也可以根据系统的运行条件和频率要求进行优化，以实现更好的动态性能。

2.控制优化控制优化是通过引入主动或被动控制系统，对机械系统的动态响应进行调节。

例如，利用主动振动控制器可以实现对系统振动的主动调节，用以抑制系统的共振现象和降低振动幅值。

被动控制包括阻尼器和隔振系统等，通过吸收或消散系统的振动能量，降低系统的振动水平。

3.仿真优化仿真优化通过建立系统的数学模型，并进行仿真分析，来评估系统在不同参数配置下的动态性能。

利用仿真优化可以快速地比较不同设计方案的优劣，并优化系统的设计。

基于ANSYSWorkbench汽车起重机副臂的性能分析针对汽车起重机副臂长细比较大，在考虑自重、载重和拉力时，副臂结构易发生变形的这种情况，分别利用有限元分析软件ANSYS Workbench和力学计算方法对副臂进行位移及应力的计算，得到在不同工况下副臂所承受的最大位移和最大应力，为副臂机构的设计计算及以后的结构上的优化提供依据。

标签：副臂；ANSYS Workbench；变形；应力.引言随着现代化速度的不断增加，起重机械在生产生活中应用范围逐步增大，所起到的作用也日益增加。

又由于汽车起重机作业性能高、使用灵活、价格相对便宜的特点，使得其在工程施工和城市建设中扮演着重要的角色。

但是由于伸缩主臂结构布置紧凑，并且自身质量很大，而且回转工作时对机动性能有一定的要求，使得主臂的伸长范围受到一定的限制。

又由于起重机工作时要求幅度很大、扬程较高，副臂为了满足这些要求，渐渐成为主臂结构和性能的补充和延伸。

但是副臂工作时受力大、工作条件恶劣并且结构复杂，人们便提出其自身工作重量轻，工作可靠的要求，因此对副臂进行准确的结构分析也显得十分重要。

ANSYS Workbench是一款大型CAE分析软件和应用平台，它综合了建模工具、分析工具、优化分析等多种功能于一身，其中的概念建模使副臂这种悬臂梁结构创建与修改变得简便。

1 材料属性的建立副臂弦杆材料采用Q345B，屈服极限？滓s=345Mpa。

其安全系数n=1.34，弹性模量E=210000MPa，泊松比？滋=0.28，密度？籽=7.9g/cm3。

Q345B属于普通低合金钢，其塑形及焊接性能十分良好，并且有一定的强度，实用性能好而且价格也比较便宜，性价比较高，适用于副臂这种悬臂梁结构。

2 概念建模概念建模对于创建和修改线体或面体非常便利，并最终将这些体生成有限元中的梁模型或板壳模型，在Design Modeler 使用概念建模中对副臂的桁架结构进行建模时，系统将自动连接梁单元组成的桁架结构，和一般CAD 软件建立的三维模型相比更加适合桁架结构的有限元分析，并且还可以对模型尺寸进行随时的修改，计算结果也可以快速更新，也比普通的CAD 软件模型修改再导入计算的模式更加的方便快捷。

摘要高速电主轴作为高速数控机床的核心部件，是将高频电机的转子热压在机床主轴上，输出端直接与刀具或工件连接在一起的一种“零传动”机构。

因此，它不仅具有电机多变量、非线性、强耦合的电磁特性，而且具有高速机床主轴转矩响应快、转矩平稳、抗扰动性能高的特点。

当高速电主轴处在不同的控制方式下时，主轴转矩的动态输出性能不仅直接影响主轴加工工件的几何形状和表面粗糙度，更是高速加工时系统振动、噪声以及温升的源泉，是高速数控机床整体性能的直接体现，同时也是高速数控机床设计、制造及控制共同关心的一个重要指标。

本文以数控机床高速电主轴为研究对象，建立了电主轴系统三维有限元模型，采用弹性支承模拟了轴承的支承，利用新一代的有限元分析软件ANSYS Workbench 对数控机床高速电主轴进行了静力学分析和模态分析。

分析结果表明: 数控机床高速电主轴的静刚度能够满足要求; 数控机床高速电主轴的最高工作转速远远低于其一阶临界转速，能有效避免共振的发生。

从而验证了该数控机床高速电主轴设计的合理性，也为数控机床高速电主轴的优化设计以及力热耦合特性分析奠定了基础。

关键词：数控机床，高速电主轴，ANSYS Workbench，动态性能，静态性能AbstractHigh-speed motorized spindle, as the core component of high-speed CNC machine tool, is a kind of "zero drive" mechanism that hot-presses the rotor of high-frequency motor on the spindle of machine tool and directly connects the output end with the cutter or workpiece. Therefore, it not only has the electromagnetic characteristics of multi-variable, nonlinear, strong coupling of the motor, but also has the characteristics of high-speed machine spindle torque response, torque stability, high anti-disturbance performance. When high speed motorized spindle are under different control modes, the dynamic output shaft torque performance not only directly affect the spindle machining geometrical shape and surface roughness of workpiece, but also the high speed machining system is the source of vibration, noise and temperature rise, high speed nc machine tools is the direct embodiment of the overall performance, and high speed CNC machine tool design, manufacturing and control an important index of common concern.This paper takes the high-speed motorized spindle of CNC machine tool as the research object, establishes the three-dimensional finite element model of the motorized spindle system, simulates the bearing support with elastic support, and conducts static analysis and modal analysis on the high-speed motorized spindle of CNC machine tool with the new-generation finite element analysis software ANSYS Workbench. The results show that the static stiffness of high-speed motorized spindle can meet the requirements. The maximum working speed of high-speed motorized spindle of CNC machine tool is far lower than the first critical speed, which can effectively avoid resonance. Thus, the rationality of the design of high-speed motorized spindle for CNC machine tool is verified, and the foundation is laid for the optimization design of high-speed motorized spindle for CNC machine tool and the analysis of the coupling characteristics of force and heat.Keywords:CNC machine tool, High-speed motorized spindle, ANSYS Workbench, Dynamic performance, Static performance目录1 绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 研究意义 (2)1.3 研究现状 (3)1.3.1 高速电主轴的热性能研究 (3)1.3.2 高速电主轴的应用现状 (4)1.3.3 高速电主轴的静动态性能研究 (4)2 电主轴主要结构及其有限元模型的建立 (5)1.1 电主轴主要结构及主轴主要参数 (5)1.2 电主轴有限元模型的建立 (6)3 电主轴静力学分析 (8)3.1 典型受力条件下的主轴受力计算 (8)3.1.1 高速铣削加工时作用在数控机床高速电主轴上的平均圆周切削力Fcav∑ (8)3.1.2 作用于主轴的径向力Fr (9)3.2 电主轴单元静力分析(加载、约束与求解) (9)4 电主轴模态分析 (10)5 结论和展望 (12)5.1 结论 (12)5.2 展望 (12)参考文献 (13)1 绪论数控机床高速电主轴作为现代高速加工技术的核心部件之一，广泛应用于各种数控加工中心和高性能的机床主轴上，具有多变量、非线性、强耦合的特点，其内部的电磁转换与主轴动态输出性能之间存在着非常复杂的相互依存关系。

3.2提高企业竞争力随着工业发展的转型升级，其机械化水平在飞速提高。

机械设备朝着大型化、信息化的方向发展。

在高科技、高尖端器械出现的同时，对其进行维修的技术含量也在不断提高，这也体现了维修的重要性，给维修企业带来广阔的发展前景。

提高维修技术、优化维修服务对汽车维修企业的生存发展十分重要。

在经济全球化的大趋势下，企业不仅要面对国内同行的激烈竞争，还要面对国际市场的挑战，企业想要更好的生存和发展，提高竞争力十分必要。

在重视“绿色”发展的当下，政府对“绿色产业”的重视程度不断提高，出台相关的保护政策，更好的推进“绿色产业”的发展。

“绿色企业”是这个时代企业发展的主流，只有在汽车维修企业中推广“绿色维修”才能抢占市场先机，获得更好的发展机会。

环境污染程度大、资源利用率低的汽车维修企业，其发展的局限性显而易见。

汽车维修企业推广“绿色维修”，需要选择先进的科学的维修技术和新型环保材料，实现企业经济效益的同时，实现社会效益和环境效益。

只有这样的维修企业，才能在社会发展过程中，成为汽车维修行业的最大获益者，激烈竞争下的生存者。

传统的汽车维修企业必将遭到淘汰。

在汽车维修企业中推行“绿色维修”，无论是对企业自身、行业发展，乃至社会国家的发展，都有不可估量的价值。

4结束语“绿色维修”可以对经济效益的增长和环境效益的增加起到双管齐下的作用。

最大程度地减少资源和能源的使用量，降本增效，为生态环境的保护贡献自己的力量。

无论从经济发展的视角，还是从环境保护和社会发展的角度分析，“绿色维修”都是符合五大发展理念。

“绿色维修”使多方面的综合性的体系模式，推行“绿色维修”也是有利于可持续发展，“绿色维修”在汽车维修企业的不断推广，是实现维修行业可持续发展的重要手段。

参考文献［1］周红，李辉，张云杰.“绿色维修”及其在维修企业中推行的价值［J］.价值工程，2002（6）：36-38.［2］程会强，吴玉锋.绿色维修战略与循环经济［J］.再生资源与循环经济，2009，2（7）：27-30.［3］陈宇晓.绿色维修的实施策略［J］.设备管理与维修，2003（10）：9.〔编辑李波〕基于ANSYS Workbench的高速电主轴静动态性能仿真分析及优化丘立庆(南宁职业技术学院,广西南宁530008)摘要：采用有限元分析软件ANSYS Workbench18.0建立电主轴三维有限元模型,进行静态力学分析和模态分析。

基于 Ansys Workbench 的叉车三级门架系统静、动态特性分析左宇飞;宋元岭【摘要】以3 t、最大起升高度3 m 的叉车三级门架系统为研究对象，在全面了解其基本结构和运行特点后，分析门架系统临界条件下的基本受力情况。

根据门架系统的结构特点和尺寸参数，通过 SolidWorks 三维软件进行实体建模，无缝导入 Ansys Workbench 软件进行有限元分析。

选取门架系统在临界条件下受力情况最为严重的工况进行结构静力学分析，得出三级门架系统的总位移变形云图、等效应力云图等。

以内门架为例，对其施加预应力后进行模态分析，得出内门架模态分析解。

结果表明，该叉车门架系统在临界条件下的门架变形量、等效应力值和1阶模态的固有频率都满足叉车设计规范的要求，为进一步对门架系统的优化和日常作业时避免共振现象提供了参考依据。

%With the 3 t forklift triple mast system with a maximum lifting height of 3 m as a study object,the paper an-alyzes the basic stress situation of the mast system under critical condition after learning the entire basic structure and oper-ating characteristics.According to the structure feature and size parameters of the mast system,the paper uses SolidWorks 3D software for solid modeling,seamlessly introduces into Ansys Workbench for the finite element analysis.The structure statics analysis is performed for mast system under the critical condition with the most severe stress working case,to get to-tal displacement deformation cloud atlas,equivalent stress cloud atlas for the triple mast system.With the inner mast as an example,modal analysis is performed after the pre-stress is applied to getthe inner mast modal solution.The result shows that the mast deformation under critical condition,equivalent stress value,inherent frequency of first-order modal of the forklift mast system meet the requirements specified in the forklift design code,providing reference for further optimizing the mast system and preventing resonance in daily operation.【期刊名称】《起重运输机械》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】4页(P90-93)【关键词】叉车三级门架;Ansys Workbench;静力学分析;模态【作者】左宇飞;宋元岭【作者单位】太原科技大学机械工程学院太原 030024;太原科技大学机械工程学院太原 030024【正文语种】中文【中图分类】TH2151.1 计算工况将三级门架单独隔离作为研究对象，当门架满载荷、全伸展并且前倾到最大角度时，分析可知其受力最为危险。