基于Workbench的龙门五轴联动机床多种位姿下的静动态分析

陈怡霖， 任靖日， 李應锡

( 1.延边大学工学院 机械设计与制造系, 吉林 延吉 133002； 2.韩国忠清北道忠北大学 机械工程系, 忠清北道 清州 361763 )

基于Workbench的龙门五轴联动机床多种位姿下的静动态分析

陈怡霖1,2， 任靖日1*， 李應锡2

( 1.延边大学工学院 机械设计与制造系, 吉林 延吉 133002； 2.韩国忠清北道忠北大学 机械工程系, 忠清北道 清州 361763 )

针对龙门机床运行过程中在外载荷影响下因刚度不足而产生的震颤问题，利用Solidworks建立虚拟样机，导入Workbench， 并按照实际工况施加预应力对模型进行了结构静力、自由模态和预应力模态分析.结果表明，外载荷使机床的固有频率明显减小，振型变大，因此在实际工作中不可忽视外载荷对机床振动的影响.

龙门五轴联动机床; 位姿; Workbench; 静力分析; 预应力模态分析

数控机床的整机性能决定着机械产品的几何精度和表面加工质量，而机床的整机加工性能与其动态性能(振动、噪声、稳定性等)密切相关.针对机床震颤导致精度不足的问题，文献[1]通过模态分析验证了龙门起重机是否满足刚度设计的基本要求及安全性;文献[2]采用有限元分析工具分析了高速数控龙门铣床静、动力条件下的结构性能与力学行为,并研究了激振力频率对加工精度的影响,以及惯性冲击力引起的机床瞬态振动;文献[3]运用有限元分析软件对龙门机床的动态特性进行了分析，并提出该方法可应用于机床结构的性能预测；文献[4]利用Workbench对外圆磨床床身进行有限元分析,实现了磨床床身的重量设计.以上文献对于机床振动的研究大多数是从结构静力着手进行刚度分析，对动态特性仅做了自由模态分析.本文除了考虑机床本身的刚度影响之外，还针对预应力进行分析，研究切削力、启动及停止时惯性冲击力所引起的机床振动，以探析机床运行中存在的震颤问题.

1 振动分析理论

模态分析是对一个系统进行其动力学特征分析的过程，其目的就是计算出模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计等提供依据.

2 高速龙门五轴并联机床的模态分析

龙门机床是一种工作台固定，滑座、滑枕可移动的定工作台五轴式加工中心，如图1所示，该加工中心门宽为4 310 mm，XYZ方向的工作行程为30 000 mm×3 000 mm×1 500 mm.本文重点对龙门机床整机进行动静态特性分析，机床工作时承受的载荷主要有自重和切削力，以及启动和停止时伺服电机的动力.

图1 龙门加工中心示意图

2.1 有限元模型建立、材料属性设置及网格划分

利用Solidworks软件建立龙门五轴机床模型，并导入有限元分析软件Workbench，然后依据等效刚度替换理论对龙门加工机床进行处理和简化.

图2 龙门机床模型

接下来定义材料属性和接触类型.将机床主要部件材料按照实际情况设置为HT200，弹性模量为1.36×105MPa，泊松比为0.25，密度为7 750 kg/m3.零部件的接触定义主要通过面约束来实现，考虑到机床的结构特点及分析的可靠性，选用Bonded和No Separation两种约束.为了提高计算精度，在需要建立位移协调关系的导轨接触部分(轨道、左右轴、滑板、滑枕)均用六面体方式进行网格划分，网格粗细选为-30，单元尺寸为100 mm.对转头和spindle也用六面体进行网格划分，单元尺寸为50 mm.最终网格划分节点数为416 598，单元数为95 741.由此得到可满足分析精度要求的有限元模型，如图3所示.

图3 有限元划分模型

2.2 无预载荷下的模态仿真

为了对比机床施加载荷前后的机械特性，需要用无预加载荷时的机床特性作为参考.利用Workbench中的Model模块求解前六阶自由模态，结果如图4所示.

2.3 预载荷下的模态仿真

预载荷模态分析是将结构静力分析和模态分析连接使用，将结构静力分析的边界条件作为模态分析的初始条件，加载示意图如图5所示.滑枕位于横梁中间时加载条件：左侧主轴X向600 mm/s2加速度推力97 620 N，滑枕Y向推力6 850 N和切削回转力矩130 Nm；滑枕位于横梁右端时加载条件：左侧主轴X向600 mm/s2加速度推力97 620 N，切削回转力矩130 Nm.机构静力学仿真如图6所示，预载荷模态仿真如图7所示.

(a) 滑枕位于中间位姿时的自由模态仿真

(b) 滑枕位于右端位姿时的自由模态仿真图4 自由模态仿真

图5 机床加载示意图

图6 机床静力学仿真

3 仿真结果分析

3.1 静力结构仿真结果分析

静力结构仿真结果如图6所示：滑枕在中间与右端位姿所受的最大压强分别为4.941 5 MPa和4.434 1 MPa，其位置分别在横梁与滑枕连接部位、横梁与从动轴的连接部位.高速龙门机床机身承受压力及振动的主要部件所使用的材料均为HT200(灰铸铁)，虽然该材料抗拉强度和塑性较低，但强度、耐磨性、耐热性和减振性较好，可承受较大应力(弯曲应力<29.40 MPa)，部件摩擦面间的单位面积压力>0.49 MPa(大于10 t在磨损下工作的大型铸件压力>1.47 MPa).由于两位姿下的最大应力远小于许用应力，所以机床的整体结构能够满足工作需求.图6中最大变形分别出现在横梁中间部位和滑板上端部位，显示出各零件的变形叠加情况，其变形量分别是0.133 8 mm和0.130 61 mm.

3.2 模态仿真结果分析

模态仿真结果如图4和图7所示，结合表1和表2可得出以下结果：

1) 同一位姿下，在持重范围内对机床施加预载荷后，机床的固有频率和振型有明显变化，这说明外加载荷能够减小机械自身的固有频率，在实际工作中不可忽略.

2) 在持重范围内，不同位姿下的机床的固有频率不同，并且随着阶数的升高机床的振型也发生明显的变化，这说明机床作为装配体，当滑板在横梁上移动时，由于重力的作用点不同以及外载荷大小和方向不同，造成横梁的弯曲程度不同，使横向移动的直线度与相对于工作台面的平行度随横滑板行程的变化而变化，所以对机床的固有频率和振型产生了影响.

3) 通过对各阶振型的分析可知，大部分振型反映了横梁筋板的弯曲扭转及其组合变形，其次是滑板的组合变形，因此就整机而言横梁和滑板的刚性最低.

本文是对现有的机床进行研究分析，把外部环境及机床本身构造作为不可改变的因素，因此只有通过附加谐振系统抵消原振动，即在大型龙门机床上安装减振器或类似结构来抵消本身的振动才能达到减振的目的.

(a) 滑枕位于中间位姿时的预载荷模态分析

(b) 滑枕位于右端位姿时的预载荷模态分析

无预加载荷有预加载荷模态阶数固有频率/Hz振型模态阶数固有频率/Hz振型123．57机床左右轴出现左右摆动120．45机床左右轴出现左右摆动233．08机床横梁出现前后摆动230．56机床横梁出现前后摆动350．61机床横梁以及左右轴绕滑枕扭转346．85左右轴中间弯曲，横梁向上拱起457．86左右轴中间弯曲，横梁向上拱起451．78机床横梁以及左右轴绕滑枕扭转569．59滑板前后上下震荡拉长556．58滑板前后震荡679．96横梁和滑板向前倾斜668．35滑板左右震荡

表2 滑枕位于右端位姿时自由模态与预载荷模态分析数据

[1] 孙彦锋.基于ANSYS龙门起重机结构系统的模态分析[J].机电技术,2011(3):151-153.

[2] 李初晔,王海涛,冯长征,等.数控龙门铣床有限元分析[J].设计与研究,2013(2):75-79.

[3] 覃文洁,左正兴,刘玉铜,等.机床整机的动态特性分析[J].机械设计,2000(10):24-26.

[4] 郭媛美,岳崇,丁晓红，等.基于ANSYS Workbench的外圆磨床的有限元分析及优化[J].机械设计与制造,2010(1):181-182.

[5] 李健，姜振廷，董旭.ANSYS Workbench的带电作业机械臂模态分析及振动控制[J].制造业自动化,2014(1):48-65.

[6] 罗健康,印波.起重机卷筒有限元分析及结构优化[J].机械设计与制造,2011(11):185-186.

[7] 李兵，何正嘉.ANSYS Workbench设计仿真与优化[M].北京：清华大学出版社，2008.

[8] 顾培英，邓昌，吴福生.结构模态分析及其损伤诊断[M].南京：东南大学出版社，2008.

[9] Wend Z Y, Hu S H, Zhang N N. Dynamic analysis of CNC gantry surface grinder by finite element method[J]. Digital Design and Manufacturing Technology： Part 1, 2010:339-343.

[10] Park K T, Kim D H, Park C H. A study on CAE integrated design of gantry crane[J]. Proc of KSPE Autumn Conference, 2001:720-725.

Static and dynamic analysis of high speed five-axis gantry machine with a variety of poses based on Workbench

CHEN Yilin1,2, REN Jingri1*, LEE EungSuk2

( 1.DepartmentofMechanicalEngineering,CollegeofEngineering,YanbianUniversity,Yanji133002,China; 2.DepartmentofMechanicalEngineering,ChungbukNationalUniversity，Chungbuk361763，Korea)

Gantry machine produces vibration because of the insufficient stiffness and the impact of external load during the process of operation. We use Solidworks to establish virtual prototype, imports to Workbench and prestresses the five-axis machine tool according to actual condition. Then by doing static structure analysis, free modal and prestress modal analysis, External load significantly makes the natural frequency decrease and largens the mode shape. Therefore, the impact of external load on machine's vibration cannot be underestimated in the actual work.

five-axis gantry machine; extreme position; Workbench; static analysis; preload model analysis

2014-10-11

1004-4353(2015)01-0053-04

TH692.9

A

*通信作者： 任靖日(1960—)，男，博士，教授，研究方向为机械摩擦学与表面工程学.