GK650数控加工中心参数化模型动力修改-职称论文发表
GK650数控加工中心参数化模型动力修改
欧阳兆彰
摘要：横梁、立柱结构对加工中心的动态特性有重要影响。通过建立GK650数控加工中心参数化模型，对横梁、立柱结构进行动力修改，以模态变化作灵敏度分析，研究横梁、立柱不同结构特性对其动力特性的影响。结果分析得知，增加立柱外壁的厚度，与添加长方形侧翼和改变立柱加强筋结构等方法来较明显改变GK650的低阶固有频率。可为GK650高速数控加工中心的改进设计提供了依据。
关键词：参数化模型 动力修改 灵敏度分析
1 引言
加工中心动态特性是衡量设计方案优劣的重要的性能指标。机床的动态特性对机床加工性能的影响很大，动态特性包括固有频率及其相应的振型以及强迫振动时的响应[1]。不仅影响加工中心的加工精度、使用寿命，对稳定性有重要影响。要加强加工中心的稳定性与加工精度，必须进行动力学研究，模态分析是动态特性研究的重要方法，以有限元的方法思想，分析机械部件的振动特性，即结构的固有频率和振型[2]，是评价工中心动态性能的重要指标。
2 GK650数控加工中心结构特点
GK650数控加工中心是江门某自动化公司自主开发的新型数控机床，主要由横梁、立柱作支承。横梁与立柱的设计尺寸和布局形式决定了刚度大小和结构的模态振型等静、动态特性。这与加工中心的整机性能有着密切关系，因此如何提高横梁、立柱的动态特性对于保证整机的高速加工精度和与提高可靠性有重要意义，结构如图1所示。
3 GK650数控加工中心结构参数化模型
传统的有限元模型，只是以实体单元SOLID45对限元模型划分，难以进行参数化分析[3]，无法进行优化设计。现根据GK65O物理样机的特点，重新构建GK650的有限元参数化模型。GK650的立柱与横梁是一体化铸造而成，内部结构不是实体，是由很多纵横交错的加强筋构建而成。根据此特点，在构造三维模型时，不再以实体建模方法，而是以线框模型构造骨架，如图2所示。把线框模型导入ANSYS，进行单元的划分，可以定义每个单元节点的位置，整个参数化有限元模型可以SHELL63的板单元进行划分，模拟其内部加强筋的结构，并大大减少单元数目，节省计算开销。
定义不同结构，共6个区域的单元模型，分别是1立柱加强筋；2横梁加强筋；3横梁外表面；4立柱外表面；5横梁顶面；6横梁斜面。只需改变单元的实常数[4]，便能改变横梁、立柱的厚度，从而能快捷地计算出筋板厚度及各单元组厚度不同情况下的固有频率和振型，通过对比，能快速确立优化方案；并能添加单元节点，构造立柱不同的结构形式，对GK650进行结构设计改进，如图3所示。
4横梁、立柱结构的动力修改分析
通过改变结构的质量特性，进行横梁、立柱结构的模态变化的灵敏度分析。分别改变立柱、横梁和加强筋的厚度，移动部件的质量等，并进行模态分析，得到其前几阶的固有频率，根据模态分析结果，前4阶的模态是主要加工中心主要的工作频率段，是分析研究的重点。将结果进行比较分析，立柱厚度的改变能很大程度改变的横梁、立柱结构动态性能，结果如表1所示。
表1 立柱外壁不同厚度的固有频率
厚度(mm) 固有频率(Hz)
一阶 二阶 三阶 四阶
20 125 159 308 411
25 135 170 323 427
由表1可看出，中立柱表面厚度改变，带来固有频率变化最明显。是当立柱厚度为25mm时，其第二、三、四阶固有频率都有15％的提升。这三阶模态是影响加工精度的一个重要原因。通过对增加立柱表面厚度，能很好改变横梁、立柱结构动态特性。
5立柱两侧加翼结构动态特性分析
由上面的分析可知，立柱质量特性的改变，带来结构动态特性的改变最为明显。现利用参数化模型的特点，对立柱的扑托结构进行改进。根据GK650装配结构，立柱两侧还具有一定位置空间，可进行结构修改。在尽可能不改变GK650原来装配安装位置，在立柱两侧加上不同尺寸和数目的侧翼，结构改进方案，如图4所示。
改进a型：加三角箱形立柱，长100mm，宽30mm，高630mm；
改进b型：加矩形侧翼两条，长50mm，宽30mm，高630mm；
改进c型：加矩形式立柱，长50mm，宽30mm，高630mm；
表2 立柱的侧翼不同改进方案结构固有频率
改进模型 固有频率(Hz)
一阶 二阶 三阶 四阶
c型 135 195 331 400
e型 132 224 326 402
f型 139 239 349 406
由表2可知，改进方案中，长方型侧翼要比三角形侧翼要好，固有频率的改变都比同类三角侧翼方案要高。其中，结果最好的为c型模型，对比与表1的结果，二阶固有频率比原来提升63％，三阶固有频率提升了20％。从结果分析得知，加上侧翼结构对二阶固有频率影响最为敏感，侧翼的增加对3阶模态的改变有一定作用，但是带来效果的提升没有2阶振型那样明显。而侧翼结构对提升一阶与四阶固有频率影响不大。
6 结论
1）根据横梁、立柱结构特点，建立参数化实体建模。通过对结构参数的修改，获得新的有限元模型，并通过比较计算结果，选择出最合理的结构形状和尺寸，从而得到产品的最佳结构。
2）通过对数控加工中心的立柱和和横梁的厚度，作动态分析和对比，得到不同方案对整机的动态特性改变影响。
3）通过不同的立柱结构改造，分析得加矩形式立柱可显著提高频率在200~300HZ范围的固有频率。
参考文献
[1] J. D. Suh, D. G. Lee. Composite machine tool structures for high Speed milling machines. Annals of the CIRP.2002
[2] 彭晓洪.用模态参数识别结果对有限元动力学模型的修正.振动与冲击[J] 1984.3
[3] 周德廉,陈新,孙庆鸿.高精度内圆磨床整机动力学建模及动力修改.东南大学学报[J]. 2001,2
[4] Moaveni.S.Finite Element Analysis-Theory and Application with ANSYS[J] Beijing Publishing House of Electronics Industy[J],2003．４-34
