浅析数控车床部件建模与动力学优亿设计

鸦鸦

　　论文关键词:数控车床 尾架 动态设计 优化设计
　　论文摘要:分析了产品虚拟动态设计的一般过程，以数控车床关键部件一尾架为例进行研究。通过虚拟动态分析技术，确定了尾架系统是整机结构中的薄弱结构，存在动刚度严重不足的问题。根据新车床的结构布局情况，对尾架结构进行改造。改造后的尾架由上下2部分组成，CAE分析结果表明，其结构动刚度得到很大的提高，为数控车床整机的动态优化莫定了基础。


　　0前言
　　机械结构虚拟优化设计是以计算机建模和仿真技术为基础，集计算机图形学、虚拟现实技术、机械动力学、有限元分析、优化设计等技术为一体，由多学科知识组成的综合系统技术，是机械结构动力学设计技术在计算机环境中数字化、图像化的映射。本文分析了机械产品虚拟动态优化设计的一般过程，以数控车床关键部件一尾架为例，建立了三维可视化的有限元CAE模型，通过对模型进行结构分析，实现该部件结构的动态优化。
　　1机械结构虚拟动态优化设计过程
　　机械产品虚拟动态设计的一般过程是:先建立满足工作性能要求的产品初始CAD模型(初步设计图样)，然后对产品结构进行动力学建模和动态特性分析，再根据工程实际情况，给出结构动态特性的要求或预定的动态设计目标，按结构动力学“逆问题”方法直接求解设计参数，或按结构“正问题”分析法，进行结构改进设计，直到满足预期性能设计要求，从而获得一个具有良好静、动态特性的产品设计方案，如图1所示。结构动态设计的主要内容包括:
　　(1)建立一个切合实际的结构动力学模型;
　　(2)选择有效的动态优化设计方法。

　　2机械结构建模分析及优化实例
　　以数控车床关键部件尾架为例进行研究。数控车床动态设计是在“正问题”处理方法的基础上进行的，数控车床共有零、部件800多个，其中对整机结构性能影响大的零、部件主要有以下几个:床身、主轴箱、尾架等。为使整机具有良好的动态性能，必须对关键部件进行优化。为此，应先建立数控车床主要部件的几何模型和满足其动力学特征的有限元模型，进行动态分析，根据动态分析的结果对原部件结构设计的薄弱环节进行动力学修改和结构分析优化，最终得到一个具有良好静、动态特性的产品设计方案。
　　数控车床的尾架安置在床身的尾架导轨上，并可沿此导轨调整其纵向位置。尾架套筒的锥孔装有后顶尖，用以支撑工件。由于尾架顶尖与主轴箱卡盘的同轴度直接影响着车床加工零件的精度，因此，尾架的结构是否合理对保证车床加工高精度很重要。
　　如图2为尾架系统的有限元模型，考虑到实际情况，将尾架导轨与两导轨座作为一体处理，尾架体与导轨之间以互为接触单元为主，每个导轨座均布4个全约束点，系统共有单元7 049个。得到尾架系统前三阶振型如图3(a),3(b),3(c)所示。表1列出了尾架系统计算频率及振型特性。

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　　由分析可知，该尾架系统刚度很弱，相当于简支梁，是整机结构中非常薄弱的部分。综合新车床的布局，考虑铸造工艺性，尾架的导轨直接与床身一体，优化后的尾架由上下2部分组成，如图4所示，其有限元模型如图5所示。
　　建立改进尾架的有限元模型，系统共有2 210个体单元，对尾架上下2部分祸合12个节点，前三阶固有振型如表2所示。
　　由表2可知尾架的频率得到了很大的提高，振型也有了很好的改善。
　　3结语
　　对某数控车床主要部件尾架进行动力学建模与分析，找出薄弱环节，并以部件的前三阶固有频率的提高作为结构优化设计的目标，针对薄弱环节进行改型设计，实现了尾架的动态优化。该方法可以应用于其他部件的动态优化，从而为改善数控车床整机的动态特性打下基础。