HE63臥式加工中心多體動力學仿真分析

盧強，陸會鑒，李軍強

(紐威數控裝備(蘇州)股份有限公司，江蘇蘇州 215153)

0 前言

裝備制造業作為基礎制造業的重要組成部分，為國家經濟的發展和綜合實力的提高提供了強有力的保障。有“工業母機”之稱的數控機床，在裝備制造業領域有著無法比擬的地位，在船舶、汽車、航天航空及發電設備等制造生產領域得到廣泛的應用[1]。

數控機床的加工性能與機床整體的動態性能直接相關，因此對數控機床整體系統進行多體系統動力學仿真是數控機床設計工作的重要內容。

近些年來，國內外許多學者針對機床動力學特性開展了研究。ZATARAIN等[2]利用有限元分析軟件對機床部件進行仿真建模，分析同一種部件在不同位置、不同結構下的動力學特性。LAW等[3]基于傳統有限元建模方法，利用改進降階模型子結構進行建模仿真，獲得機床不同加工位置的動力學特性。劉海濤、趙萬華[4]根據機床整體質量、剛度和阻尼矩陣隨機床刀具位置姿態的改變而改變，建立了三軸機床的模型，仿真分析了刀具在不同位置時的整機固有頻率。

目前，國內的研究主要是在機床單個零部件的動力學分析或靜力學分析方面。但是對于機床整體系統來說，由于其結構復雜、零部件接觸面剛度和阻尼等參數難以確定[5]。針對靜力學分析難以考慮慣性力的問題，本文作者通過調整接觸單元剛度和阻尼的方法進行整機動力學分析，研究機床主軸、導軌面等關鍵點的振動量、變形量[6]。

1 機床結構及說明

HE63機床是正T形臥式加工中心，整機具有結構緊湊、布局合理、加工精度高等特點，是一種高端臥式加工中心[7-9]。為了深入地研究該機型的特性，進一步提高該機型的性能，對它進行動力學仿真分析。HE63機型的結構示意如圖1所示。

圖1 HE63機型結構示意Fig.1 HE63 structure

2 分析前處理

2.1 模型簡化處理

在不影響整體剛度分析的前提下，去掉配體中的螺釘、螺母、銷釘、墊圈、墊片等很小的零件，同時去掉零件中的小孔、倒角、圓角、凸臺等細小的特征[10]。忽略機床防護罩及附件(冷卻、液壓)對機床剛度及振動的影響。

2.2 材料設置

零件的剛度與材料的彈性模量直接相關，為了提高分析精度，必須獲得導軌、滑塊、墊鐵等部件準確的彈性模量[11]，使其剛度與實際接近[12]。主要部件的材料屬性如表1所示。

表1 主要零件的材料屬性Tab.1 Material attribute of main parts

3 動力學分析

動力學(Dynamics)是運動學與力學的統稱，它主要研究機構上作用的所有力，包括平衡的或非平衡的力、組件的質心、加速度的慣性力。根據是否考慮零部件變形情況又分為剛體動力學和柔性體動力學[13-14]。典型的動力學分析流程如圖2所示。

圖2 動力學分析流程Fig.2 Flow of dynamic analysis

3.1 機床剛體動力學分析

機床剛體動力學主要是研究機床各個進給軸的加減速運動，包括啟動、加速、勻速、減速等運動，即加減速運動時運動部件的位移、速度、加速度及關心部件的受力、力矩等隨著時間歷程的變化情況。

在Rigit Dynamic模塊中，時間步設置Δtintial=1/(20fresponse)，其中Δtintial為初始時間步長，考察機床不同的模態振型，最后確定哪些模態對機床的動態響應有貢獻，進而確定所關心的最高階模態頻率fresponse，即fresponse為所關心機床結構振型的頻率。

X軸運動工況下，按照最大加速度分析，即0.2 s內立柱部件速度達到最大36 m/min，再勻速，最后減速，0.2 s內速度由最大減小到零。立柱部件的位移曲線如圖3所示，移動的位移為996.74 mm。

圖3 立柱部件的位移曲線Fig.3 Displacement curve of column

立柱部件的最大速度為599.93 mm/s，接近該機床最高快移速度36 m/min。

3.2 機床柔體動力學分析

機床柔體動力學分析能夠確定機床整體系統在任何類型載荷作用下的動態響應，與剛體動力學不同的是，物體可以是柔性的，柔性體可以是線性或非線性材料，能夠獲得零件的應力和應變結果。在動力學中引入時間的概念，位移、速度、加速度都是時間的函數[15]，研究機床關鍵部件在動態載荷作用下的振動量、變形量。

3.2.1 考慮切削力時柔體動力學分析

以臥式加工中心典型加工工況進行分析，機床的進給軸先加速運動，當速度達到3 m/min時開始切削，施加切削力，各個進給軸保持加速度為1 000 mm/s2進行加速切削加工[16]。

整個加工過程中，立柱Y向(前后方向)變形曲線如圖4所示，最大變形量為0.052 6 mm。

圖4 立柱前后方向(Y向)變形曲線Fig.4 Deformation curves of column in front and back direction (Y direction)

3.2.2 靜力學和動力學分析結果對比

在各個部件的位置相同、切削力大小方向相同的條件下，分別對整機進行靜力學分析和動力學分析，對比靜態和動態狀況下各個部件的變形量，如圖5所示。

圖5 靜態和動態各個部件變形量對比Fig.5 Comparison of static and dynamic deformations of each component

由圖5可以看出：動力學分析的變形量明顯大于靜力學分析，動力學分析的結果是整個過程中最大的變形量，一般是機床加減速時的數值。當機床加減速運動加工時，該變形量對機床性能影響很大。

4 動力學分析的一些關鍵技術的應用

機床動力學分析可以分析運動部件在行程范圍內的變形量，各個導軌面法向變形量、導軌面偏差量等[17]。

4.1 導軌面法向變形分析

首先設定測量參考點如圖6所示，測量點1為立柱導軌面前后方向彎曲變形，測量點2為床身后導軌面法向變形。

圖6 測量參考點設定示意Fig.6 Measurement reference point

主軸箱部件全行程內，測量點1在法向的變形可以反映出隨著主軸箱運動立柱的彎曲變形情況，如圖7所示。

圖7 主軸箱在不同位置時立柱的彎曲線Fig.7 Bend curves of column when headstock is in different position

由圖7可以看出：除了開始波動之外，立柱的彎曲量(前后方向變形)逐漸減小，說明立柱的彎曲量隨著主軸箱向下運動逐漸減小。由圖7和文獻[18]中的數據可知：主軸箱在最高點時立柱彎曲量為0.017 8 mm，當主軸箱移動到最下方時立柱彎曲量為0.005 9 mm。

立柱部件全行程內，測量點2在法向的變形可以反映出隨著立柱的移動床身導軌面的變形情況，如圖8所示。

圖8 床身后導軌面法向變形Fig.8 Normal direction deformation of guideway surface behind the bed

4.2 導軌面法向偏差分析

在機床運動過程中，2條導軌面法向變形較大時嚴重影響機床的精度，如圖9所示。由于圖中點1、2高度不一致造成一定的傾角[19]，立柱將向前端傾斜。分析立柱運動過程中點2與點1的法向偏差量，全行程內床身后導軌面法向變形偏差對比如圖10所示。

圖9 測量點變形示意Fig.9 Deformation of measuring point

圖10 床身后導軌面法向偏差Fig.10 Normal direction deviation of guideway surface behind the bed

從圖10中可以看出：床身后導軌面1要比2變形量大，即導軌面2比導軌面1高，從曲線圖及數據整理可得偏差為0.004 8 mm。

4.3 柔性體的主軸動平衡分析

分析主軸存在不平衡量時，主軸旋轉對立柱、主軸箱振動的影響，分別比較主軸箱在上下方向和左右方向的振動量。

按照最大扭矩驅動主軸，隨著時間增加主軸加速旋轉，直至達到最高轉速。存在不平衡量時，整個運動過程中主軸箱端面左右方向最大振動量如圖11所示。

圖11 主軸箱端面左右方向變形Fig.11 Deformation in the left and right directions of headstock end surface

主軸箱在左右方向和上下方向振動量對比曲線如圖12所示，最大振動量達到0.02 mm。

圖12 主軸箱在不同方向的振動量Fig.12 The vibration of the headstock in different directions

從圖12可以看出：當主軸存在不平衡量時，主軸箱在上下方向的振動量大于左右方向，說明立柱和主軸箱構成的部件在上下方向的剛度小于左右方向。因為主軸箱上下方向的剛度主要取決于絲桿的軸向剛度，而絲桿的剛度遠小于立柱左右方向的剛度。

綜上可知：機床在啟動、加減速時變形和振動較大，原因為運動部件從靜止到運動過程會產生振動現象。零部件的振動直接影響機床的加工精度，因此機床研發過程一定要嚴格控制振動量。

5 總結

文中基于ANSYS Workbench軟件對HM63整機進行了多體動力學仿真分析，分析典型工況下關鍵零部件的變形和振動。機床在啟動、加減速時變形和振動較大，主軸存在不平衡量時，主軸旋轉對立柱、主軸箱的振動影響較大。機床零部件的振動直接影響到機床的加工精度，因此機床研發過程一定要嚴格控制機床的振動量。

通過柔性多體系統動力學技術，研究整機動力學性能的影響因素，為新產品的開發提供了有效的手段。