某标示设备喷涂枪体的振动分析及优化

2015-12-02林立峰

制造业自动化 2015年21期

傅旻，林立峰，刘杨

FU Min, LIN Li-feng, LIU Yang

（天津科技大学机械工程学院，天津 300222）

0 引言

某薄板厂热处理前标示设备在进行标示工作时，标示枪体按照设定的轨迹运动，利用金属热喷涂原理将融化的金属喷涂在钢板表面上，形成相应的字符轨迹。枪体在写字机构的驱动下产生运动，难免会产生振动，若振动幅度过大，则对标示效果产生很大的影响，会造成标示字符不清晰、笔划不均匀。因此，有必要对标示枪体在写字时的振动情况进行分析。

1 建立模型

运用Pro/E软件建立标示枪体的3D模型如图1所示，枪体通过连接法兰与写字机构连接，两个方向的旋转保护机构可以在受到水平两个方向的碰撞时发生旋转并抬起一起定的高度，防止受到损坏。

图1 枪体结构

2 工况及受力分析

当标示枪体进行标示的时候，在写字机构的驱动下会在水平X、Y两个方向运动，竖直方向始终保持与钢板表面10mm的距离，由于水平两个方向选用的电机型号一样，受力情况一致，现以水平运动时的一个方向——X方向进行分析，标示时枪体与钢板相互位置示意图如图2所示。

图2 枪体标示方位示意图

由图2知，标示设备的写字机构X、Y、Z三个方向的直线运动机构采用单轴机器人——KK模组，由伺服电机驱动KK模组的丝杠，将丝杠的旋转运动转化为滑块的直线运动，从而带动枪体运动。标示的时候，写字机构的滑块带动枪体运动，写字过程中伺服电机驱动滑块可分为可以分为3个阶段：匀加速、匀速、匀减速阶段，通过Pro/E质量属性，测得枪体的质量m=109.9kg，查取KK模组计算手册，3个运动阶段的枪体的受力分别为：

匀速阶段：

匀加速运动阶段：

匀减速运动阶段：

式中，m为枪体质量，f为摩擦力，大小为10N，a为加速度，大小为0.5m/s2，g为重力加速度为9.8m/s2。

通过计算分析，知当X方向匀加速运动阶段时枪体受力最大，为最不利的情况，其大小为Fax2=1173.95N，故以加速阶段为标准进行分析，因为只有一个载荷，故相位角为又由控制系统设计知，伺服电机的加速时间为0.004s，加速阶段驱动力的频率f=1/T=250Hz。

3 振动分析

由于枪体在工作过程中会受到周期性载荷，大小Fax2=1173.95N，频率f=250Hz，故在此对枪体进行谐响应分析是振动分析的关键[1]。谐响应分析可用于确定线性结构受到简谐载荷时的振幅，查看结构在某处的受力情况、幅频特性，即振幅和应力随着力的频率变化的情况，可以验证结构设计是否能够克服共振、疲劳及其他有害的强迫振动的影响[2]。

机械动力学中物体的动力学的通用方程为：

式中，[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K]是刚度矩阵；[x]是位移矢量；{F(t)}是力矢量；是速度矢量；是加速度矢量。谐响应分析中，上式右侧为

谐响应分析的计算方法默认为模态叠加法，在进行谐响应分析之前系统自动进行一次模态分析，即通过对模态分析得到的振型乘上因子并求和来计算出结构的响应，是在模态坐标下求解谐响应方程的，可以将x写成关于模态形式的线性组合的表达式：

式中，yi是模态坐标，可以看出谐响应分析时包括的模态数n越多，对{x}的逼近越精确[4]。

为了减少计算时间、简化计算模型，需要对枪体结构进行模型简化，忽略螺栓连接及不必要的细小部件，旋转保护机构部分接触定义为Frictionless，即无摩擦接触，允许接触面滑移，来近似模拟旋转保护机构，其余部分接触定义为Bonded，即绑定，接触面无滑移或者分离。将模型导入ANSYS Workbench中的谐响应分析模块，对枪体进行网格划分，采用六面体网格，共划分为11678个单元，43786个节点，在枪体与写字机构连接的法兰处施加固定约束，并向x正方向施加集中力，大小为1174N，并指定频率范围：0～250Hz，频率步长10Hz，枪体简化后的模型及有限元模型如图3所示。

图3 枪体的简化模型及有限元模型

同理，然后再向Y方向施加简谐力，求解，得到X、Y方向结构在不同频率下的振幅如表1所示。

表1 原结构频率—振幅

由上述计算结果知，当频率f=25Hz 时，X、Y 方向的振幅最大，此时X 方向的振幅最大为Ax1max=0.867mm，Y方向的最大振幅为Ay1max=0.333mm。

4 减振优化

由于枪体的振动会对标示效果产生不利影响，一般情况下，振幅小于mm数量级就不会对枪体的标示效果产生影响，故有必要对枪体结构进行改进，以减小其振幅，枪体竖直长度为H=1796.5mm，会对振动特性产生不利影响，现对枪体两个侧面端板焊接加强梁结构，并在侧面端板外侧焊接加强板，以增强其强度及稳定性，改进后的结构如图4所示。

图4 枪体改进结构

将改进后的模型导入Workbench中，施加如上的边界条件和载荷并求解，结果如表1所示。

表2 改进后结构的频率—振幅

改进后X方向发生最大振幅的频率为f=25Hz，X方向最大振幅为Axmax’=4.33×10-6mm，Y方向最大振幅为Aymax’=3.15×10-5mm，X、Y方向的振幅均有所降低，且降低幅度很大，求解在X方向在f=25Hz下的变形、应力云图如图5所示。

图5 改进后X方向的变形、应力云图

由上表计算结果知，结构改进后X、Y方向的振幅均有所降低，改进前后振幅随频率变化规律曲线即幅频特性曲线如图6、图7所示。

图6 改进前后X方向振幅对比

图7 改进前后y方向振幅对比

结果分析：由上述幅频特性曲线关系知，枪体在频率为f=25Hz时，X、Y 方向振幅最大，结构改进后X、Y方向的最大振幅均有所降低，改进前：Axmax=0.867mm，Aymax=0.333mm，改进后：Axmax’=4.33×10-6mm，Aymax’=3.15×10-5mm，且在各阶频率下的振幅均有所降低，已经降低至mm以下，枪体振动特性得到极大改善。