2025年04月16日 09:21:46 来源：东莞市宇匠数控设备有限公司 >> 进入该公司展台 阅读量：1
机床动态性能是指机床抵抗振动的能力， 包括其抗振性和稳定性。机床中存在的各类结 合部破坏了整机结构的连续性，其结合面的阻 尼、刚度分别占整机阻尼和刚度的90%和60% 以上[1]，严重影响整机的动态性能。随着机床 加工性能的不断提高，对机床动态性能的要求 也越来越高。如何准确建立机床整机有限元模 型是整机动态性能分析的关键。国内外学者在 结合部方面做了大量研究，主要包括结合部的动力学建模以及结合部参数辨识。日本吉村尤 孝[2]曾在考虑结合面特性的基础上建立了双柱 立式车床的分布质量梁的动力学模型。王世军 等[3]基于导轨结合部特性参数建立机床整机性 能分析有限元模型。Zhang等[4】应用均质梁、集 中质量及结合部单元对机床进行整机动态建 模，基于结合面的动态基础特性参数，应用子 结构建立了整机系统的动力学方程，对整机动 态性能进行了预测。吴文镜等[5]提出一种适合机床动态分析的拓展传递矩阵法，应用状态矢 量传递思想对刚体、柔体和结合面三类元件行 整合，得到用一个高维矩阵表示的整机模型， 求解该高维矩阵即可得到整机的动态特性。王 禹林等[6]采用弹簧阻尼单元等效结合部特性， 应用吉利•允孝法确定结合部参数，基于结合部 对大型螺纹磨床整机进行静动态特性优化。张 宇等m采用等效弹賛阻尼器等效结合面特性， 基于机械阻抗综合法推导出一种直接利用结构 实测频响函数识别机床结合部参数的方法。
针对立式加工中心整机动态性能分析的需 要，本文采用模态参数辨识法识别导轨滑块结 合部的接触刚度和阻尼系数，应用吉村允孝法 确定固定结合部的接触刚度和阻尼系数，同时 建立滚珠丝杠结合部动力学模型并计算其轴向 接触刚度。基于辨识的结合部等效特性参数在 有限元软件中建立机床整机有限元模型，对其 进行模态分析和谐响应分析。通过整机锤击法 模态试验验证了该有限元模型的准确性，并在 此基础上重点分析立柱-床身间结合部动刚度 整机动态性能的影响。
1结合部动力模型
本文研究的立式加工中心主要由床身、床
鞍、工作台、立柱、主轴箱、主轴六大功能部 件组成，其结合部主要包括导轨滑块结合部、 螺栓结合部、滚珠丝杠及轴承滚动结合部。由 于轴承结合部的刚度可通过产品手册直接获 取，本文仅针对导轨滑块结合部、滚珠丝杠结 合部，螺雜合部阐述其动力学建模方法.
2结合部动力学建模及参数辨识
2.1导轨滑块结合部
采用有限元法建立结合部的动力学模型, 结合试验模态分析结果，利用优化思想对导轨 结合部的接触刚度和阻尼系数进行了有效的辨 识[8]。导轨滑块模态试验中导轨为PMI公司的 MSA-30E滑块导轨，试验采用LMS公司的LMS 系紐行数据采集及模态参数分析。織采用 多点激励，单点响应的测量方式，测点布置及 现场试验如图2所示，将加速度传感器安装在 图中点9处，共布置45个激励点。
针对滑块导轨系统建立其有限元模型，导轨滑块由合金钢制成，弹性模量为2.06 xlOu Pa,密度为7800 kg/m3,泊松比为0.3。在有限 元建模时采用六面体单元划分滑块与导轨，共 4560个单元，5901个节点。忽略滚动体的质量， 用12个弹簧阻尼单元模拟单个滑块与导轨间 的可动结合部，布置在滑块前、中、后三个截 面上。每个截面共分布4个弹簧阻尼单元，其 位置根据滑块滚珠和导轨接触形式分别垂直于 导轨滑块并与水平方向成45°夹角，其等效动力 学模型如图3所示。
辨识的导轨结合部刚度为5.83 x 108 N/m， 阻尼为7715 N s/m。表1和表2列出前4阶固 有频率、阻尼比的试验值和仿真值比较结果， 表明建立的有限元模型较为准确地反映了导轨 滑块结合部的动力学特性。
2.2滚珠丝杠结合部
机床结构中滚珠丝杠承担进给方向主要载荷，在动力学分析时主要考虑其轴向接触刚度, 图4为其结合部的动力学模型
| 表1结合部刚度试验值和仿真值对比
|
|
2结合部阻尼比试验值和仿真值对比 | |||
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阶数 |
纖{t/Hz |
仿真值/Hz |
織％ |
|
1 |
1.52 |
1.53 |
0.65 |
|
2 |
1.39 |
1.42 |
2.16 |
|
3 |
1.79 |
1.78 |
0.56 |
|
4 |
1.67 |
1.60 |
4.19 |
式中：足为滚珠丝杠结合部轴向刚度心，N/m; &为丝杆轴向刚度，N/m;知为螺母组件轴向 刚度，N/m;心为滚珠丝杠支承轴承轴向刚度，
轴承刚度可以通过产品样本获取。丝杠螺 母组件轴向刚度可由赫兹接触理论获得，具体 计算过程可参考文献[9] 。
在滚珠丝杠有限元模型中，采用solid45单 元对丝杠、螺母进行网格划分，采用弹簧阻尼 单元模拟轴承刚度与丝杠螺母轴向刚度。
2.3螺栓结合部
螺栓结合部大量存在于机床结构中，其动 力学特性与结合面的面压、润滑情况、材质、 加工质量等有关。日本学者吉村允孝对机床结 合面等效刚度和等效阻尼进行了实验研究，提 出只要平均接触压力相同，单位面积结合面的 动态特性参数就相同，且建立了结合面在不同 单位面积正压力和不同结合条件下的等效刚度和等效阻尼数据库[叫〇根据吉村允孝法，通过 式(3 )可获得结合部的等效刚度和阻尼系数。
3整机有限元建模及试验验证
3.1立式加工中心基本参数
螺栓结合部、滚珠丝杠、轴承鉢参数如 表3 ~表6所示。基于辨识的结合部参数，在对立式加工中心整机进浦态分析和谐相 应分析，获取表7所示的系统固有频率及图6 所示的轴端响应曲线。
ANSYS中建立如图5所示的立式加工中心整机 有限元模型。
对整机动态性能影响较小的结合部，在有 限元软件中采用粘接处理。基础件床身、床鞍、 工作台、立柱、主轴箱材料为HT250,主轴、 直线导轨、滚珠丝杠材料为钢，其动态特性分 析有限元基本参数如表6所示。
3.2立式加工中心整机模态试验
为验证立式加工中心整机有限元模型的准确性，对整机进行键击法模态试验。试验采用 力锤激振，加速度传感器拾取响应信号。通过 试验获取机床固有频率及主轴轴端加速度频率 响应函数。
试验现场如图7所示，试验结果如图6、 表7所示。
| 表7固有频率试验仿真对比结果
|
表7为固有频率试验值和仿真值对比结果 (以前12阶为例），除阶误差较大之外， 其余阶误差相对较小，说明所建立的立式加工 中心有限元模型是准确的。表7为固有频率试验值和仿真值对比结果 (以前12阶为例），除阶误差较大之外， 其余阶误差相对较小，说明所建立的立式加工 中心有限元模型是准确的。
对比图6中主轴轴端得加速度频率响应函 数曲线，可以看出難值和仿真值变化趋势相 近，波峰值频率对应较好，进一步验证了有限 元模型的准确性。
试验和仿真对比结果表明建立的立式加工 中心有限元模型是准确的，可作为整机动态性 能分析的基础。
4立式加工中心结合部影响分析
基于准确的立式加工中心整机有限元模 型，本文重点研究了立柱-床身间螺栓结合部 法向、切向动刚度对整机前5阶固有频率影响 (关心200 Hz以内频率）。
从图8的仿真分析结果可以看出，随着立 柱-床身螺栓结合部法向、切向刚度的增加， 机床前5阶固有频率也随着増加。当刚度增加 到一定程度时，整机固有频率也趋于稳定。
对比图8 (a)和（b)可以看出结合部不同 方向的动刚度对整机的固有频率影响趋势大致 相同，但影响程度不同。随着刚度增加，前5 阶固有频率中，第1阶模态固有频率增长率。当趋于稳定值后，图8 (a)中系统第1阶 模态固有频率提高15.9%，图8 (b)中系统第1阶模态固有频率提高10.9%。
根据法向、切向刚度对立式加工中心整机 固有频率的影响程度分析，可以选择法向、切 向刚度的组合。
5结论
本文阐述了一种立式加工中心结合部及整 机动力学建模的基本方法。基于优化思想、吉 村允孝法、赫兹接触理论辨识结合部等效接触 刚度和阻尼系数。
基于辨识的结合部等效刚度和阻尼系数， 建立了立式加工中心整机有限元模型。结合有 限元仿真分析与整机键击法模态试验结果验证 了该有限元模型的准确性，表明文章阐述的立 式加工中心有限元模型方法的准确性。
准确的有限元模型为立式加工中心整机动 态性能的分析和预测奠定了基础，其分析结果 可作为产品设计时的参考。
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