基于ANSYS Workbench 的X-Y工作平台静模态分析

2015-11-27徐达

精密制造与自动化 2015年2期

徐达

徐达

(西南科技大学制造科学与工程学院四川绵阳 621010)

X-Y数控精密工作台是一种应用极为广泛的高精度定位设备，要保证其在工况下保持高精度和长使用寿命。模态分析结果可以作为设计和使用数控精密工作台的参考依据，目的是避开共振区域，从而提高精度和寿命。由Solidworks 2013建立模型，再结合ANSYS workbench 15进行了有限元分析计算，分析得到前十阶固有频率和相应振型，为结构设计和优化，振动破坏诊断和预报提供重要参考。

Ansys workbench 模态分析 X-Y工作平台

X-Y数控精密工作台是一种高精度定位设备，在生产中应用十分广泛。其由导轨座、移动载物平台、滚珠丝杆螺母副和伺服电动机构成。在整个运动过程中，由伺服电动机驱动滚珠丝杠,带动螺母、直线滑块和工作平台沿导轨运动，从而实现工作台在X、Y方向的直线移动[1]。

在X-Y数控精密工作台使用中，振动往往是影响其定位精度和使用寿命的主要因素，所以为了减小和消除振动，往往对其进行模态分析与研究。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型；模态分析是结构振动分析的基础，是结构承受动载荷的性能指标，其目的是避免结构在激励下产生有害共振[2]。

研究模态主要分为三种方法，计算法、实验法和计算与实验结合法。自由模态分析了物体的固有频率，约束模态分析反映物体在实际工作状态下的频率特性。

用ANSYS Workbench 软件对X-Y数控精密工作台进行约束模态分析，得到相应模态振型，为设计和改进环节提供指导。

2 建立工作台模型

建立有效的三维模型是对其进行分析的基础，在此利用SolidWorks 2013软件对X-Y数控工作台进行实体建模和装配。在此过程中，对其结构模型进行适当的简化和修改，去掉一些对整体结构影响很小的特征，如螺钉孔（直径均小于8mm）、倒角和凸台，如图1所示。

图1 ANSYS Works中建模

3 模态分析

1）定义接触面

因为滚珠直线导轨结合面的存在导致系统的非连续性，若直接将结合面定义为bond（绑定），即在此状态下法向无间隙并不允许切向滑移,这样会产生较大误差，所以往往将结合面作为一个独立的动力学单元加入到系统的动力学模型中。所以常用刚度-阻尼动力学模型和经过简化的接触面单元作为结合面等效形式。

采用4个特殊定义材料的圆柱体材料体代替滑块里四排滚珠。利用ANSYS Workbench 15 进行静力学分析时，根据滑块说明书查得静载荷为61 kgf，所以在表面施加最大静载荷597.8 N，定义接触面为No Separation(不分离),即在此状态下法向无间隙，仅切向允许滑动。

分析运算得到形变图，如图2所示。最大静载荷是使滚动体与滚动面的形变达到滚动体直径的0.001倍时的载荷。滚珠直径约为4 mm。此时圆柱体杨氏模量90 GPa,泊松比0.3，密度5 000 kg/m3。分析得到最大静载荷大于要求，但是面积微小,且相差较小，因此此特殊定义材料满足要求。

图2 圆柱体形变

2）有限元分析条件设定及其原理

一般在使用ANSYS进行有限元分析时，为了减少计算时间往往对模型中不影响结果的小单元体进行简化。因此针对实际情况去掉了半径小于5 mm及深度小于5 mm的倒角和螺孔。

导轨座、移动滑块、滚珠丝杠螺母副定义为结构钢，载物台、轴承座、上下两托板定义为灰铸铁。电动机定义为灰铸铁加质点；自动划分网格；底面采用全约束。

设系统的总自由度为N，阻尼形式为比例阻尼，运动方程为：

4 模态分析结果

由于该X-Y数控工作台电动机最高设计转速低于3 000 r/min，因此实际工况下激励频率不高，故只分析低阶振型。

图3是1-9阶振型图，1阶振型，上平台头部沿X轴振动；2阶振型，上平台头部绕X轴转动；3阶振型，工作台整体沿Z轴上下振动；4阶振型，与3阶一致；5阶振型，上下平台两丝杆沿Z轴上下摆动，上方丝杆振幅较大；6阶振型，两丝杆沿Z轴上下摆动，下方丝杆振幅较大；7阶振型，两丝杆在XOY平面摆动，下方丝杆振幅较大；8阶振型，两丝杆在XOY平面摆动，上方丝杆振幅较大；9阶振型，上平台绕X轴转动，电动机头方向振幅较大。