光學非球面超精密磨床床身動態分析與優化

2012-06-21 09:00:32呂尋可李占國

長春大學學報 2012年10期

呂尋可，李占國

(1.長春理工大學機電工程學院，長春 130022;2.長春大學機械工程學院，長春 130022)

0 引言

現在的數控機床均朝著高精度、高速度、高性能的方向發展，而在機床各部件中，床身是一個極其重要的大件，它是整臺機床的基礎和支架，機床的其他部件均要以它為安裝、固定的基礎，或在它的導軌上運動。床身的結構尺寸和布局形式，決定了其本身的各種動態特性，床身結構設計不合理或剛度不足，會引起床身的各種變形和振動，嚴重影響整機的性能，故整機加工精度可靠性和動態性能很大程度上取決于床身的動態特性［1］，因此對床身的動態特性進行分析顯得很有必要。本文以某型大口徑光學非球面超精密磨床床身為例，在設計階段引進有限元分析技術，找出設計中存在的問題并進行相應的改進，最終提高了床身的動態性能，達到設計要求。

1 床身的動態特性分析

1.1 基本原理

動態特性分析主要是指對固有頻率和主振型的分析，一般可通過無阻尼自由振動方程計算固有特性。系統的振動可以表達為各階固有振型的線性組合，其中低階固有振型要比高階固有振型對系統的振動影響大，因此低階振型對系統的動態特性起決定作用，故在進行系統的振動特性的分析計算時通常取前6階。

1.2 算例分析

床身建模是在CATIA中完成的。床身為鑄造結構，外形為L形，長2300 mm，寬1390 mm，高600 mm。床身上的凹臺用來安放回轉軸的電機。為了增加床身的剛性在床身內部布置了筋板，筋板厚度均為30 mm。并且為方便布線和走管，我們常把筋板設計成長方形孔板結構。對床身的動態特性分析主要是應用ANSYS Workbench軟件。把模型導入ANSYS Workbench前，要對模型進行簡化，將尺寸較小的螺紋孔、凸臺、凹槽、倒角都忽略不計。床身的簡化模型如圖1所示(筋板上開有200mm×120mm的方形孔)，床身有限元模型如圖2所示。

圖1 磨床床身簡化模型

圖2 床身有限元模型

1.3 邊界約束

為了更好的模擬床身實際工作條件引入了邊界約束，磨床正常工作時床身底部用四個M20的螺栓與地基相連，分別對床身底部螺栓連接處的節點施加Fixed Support約束，固定住其六個自由度，以模擬床身工作條件。

2 原床身模態分析

床身材料采用HT200，材料彈性模量取120GP，泊松比取0.25，材料密度取7.2×10-6Kg/mm3，將CAD模型導入ansys workbench中的Mechanical Application模塊進行有限元分析，得前6階模態分析結果如表1所示，圖3為前六階的主振型圖。

表1 原床身固有特性分析結果

圖3 床身主振型圖

從對原床身模態分析的固有頻率和主振型圖可以看出:第一階振型為繞X軸的扭轉，最大變形位移發生在床身左側，右側頂點和床身后面的頂點處。第二階振型為床身中部繞Z軸的扭轉，最大變形位移在床身左側頂點處，且在此階振型中床身右壁也有較明顯的彎曲變形，可以考慮在床身左右壁上增加筋板來減少變形。第三階振型為床身整體沿Z軸的上下顫振，可以在床身底部增加約束來減少床身沿Z軸的上下顫振。第四階振型與第二階振型相似，為床身中部繞Z軸的擺動。第五、六階振型為床身左中部在縱向筋板兩側發生的彎曲和扭轉變形，可以考慮增加筋板個數和改變筋板上方形孔板的尺寸大小來增加床身剛度［2］。