光学非球面超精密磨床床身动态分析与优化

2012-06-21吕寻可李占国

长春大学学报 2012年10期

吕寻可，李占国

(1.长春理工大学机电工程学院，长春 130022;2.长春大学机械工程学院，长春 130022)

0 引言

现在的数控机床均朝着高精度、高速度、高性能的方向发展，而在机床各部件中，床身是一个极其重要的大件，它是整台机床的基础和支架，机床的其他部件均要以它为安装、固定的基础，或在它的导轨上运动。床身的结构尺寸和布局形式，决定了其本身的各种动态特性，床身结构设计不合理或刚度不足，会引起床身的各种变形和振动，严重影响整机的性能，故整机加工精度可靠性和动态性能很大程度上取决于床身的动态特性［1］，因此对床身的动态特性进行分析显得很有必要。本文以某型大口径光学非球面超精密磨床床身为例，在设计阶段引进有限元分析技术，找出设计中存在的问题并进行相应的改进，最终提高了床身的动态性能，达到设计要求。

1 床身的动态特性分析

1.1 基本原理

动态特性分析主要是指对固有频率和主振型的分析，一般可通过无阻尼自由振动方程计算固有特性。系统的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，其中低阶固有振型要比高阶固有振型对系统的振动影响大，因此低阶振型对系统的动态特性起决定作用，故在进行系统的振动特性的分析计算时通常取前6阶。

1.2 算例分析

床身建模是在CATIA中完成的。床身为铸造结构，外形为L形，长2300 mm，宽1390 mm，高600 mm。床身上的凹台用来安放回转轴的电机。为了增加床身的刚性在床身内部布置了筋板，筋板厚度均为30 mm。并且为方便布线和走管，我们常把筋板设计成长方形孔板结构。对床身的动态特性分析主要是应用ANSYS Workbench软件。把模型导入ANSYS Workbench前，要对模型进行简化，将尺寸较小的螺纹孔、凸台、凹槽、倒角都忽略不计。床身的简化模型如图1所示(筋板上开有200mm×120mm的方形孔)，床身有限元模型如图2所示。

图1 磨床床身简化模型

图2 床身有限元模型

1.3 边界约束

为了更好的模拟床身实际工作条件引入了边界约束，磨床正常工作时床身底部用四个M20的螺栓与地基相连，分别对床身底部螺栓连接处的节点施加Fixed Support约束，固定住其六个自由度，以模拟床身工作条件。

2 原床身模态分析

床身材料采用HT200，材料弹性模量取120GP，泊松比取0.25，材料密度取7.2×10-6Kg/mm3，将CAD模型导入ansys workbench中的Mechanical Application模块进行有限元分析，得前6阶模态分析结果如表1所示，图3为前六阶的主振型图。

表1 原床身固有特性分析结果

图3 床身主振型图

从对原床身模态分析的固有频率和主振型图可以看出:第一阶振型为绕X轴的扭转，最大变形位移发生在床身左侧，右侧顶点和床身后面的顶点处。第二阶振型为床身中部绕Z轴的扭转，最大变形位移在床身左侧顶点处，且在此阶振型中床身右壁也有较明显的弯曲变形，可以考虑在床身左右壁上增加筋板来减少变形。第三阶振型为床身整体沿Z轴的上下颤振，可以在床身底部增加约束来减少床身沿Z轴的上下颤振。第四阶振型与第二阶振型相似，为床身中部绕Z轴的摆动。第五、六阶振型为床身左中部在纵向筋板两侧发生的弯曲和扭转变形，可以考虑增加筋板个数和改变筋板上方形孔板的尺寸大小来增加床身刚度［2］。