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伯特利數(shù)控 加工中心 鉆攻中心

前言：

當前針對加工中心整機動態(tài)特性的研究，常圍繞模態(tài)和動柔度展開-_ :柔度表征在理想切削力作用下•刀尖點處刀具與工件的相對位移，其幅值大小與加工精度密切相關，切削力及刀具與工件的相對位移均包含三向分量，當激勵響應異向的動柔度與激勵響應同向的動柔度幅值相當時.可認為機床存在“軸間耦合”現(xiàn)象?，F(xiàn)有研究通常忽略動柔度矩陣中的非對角項^[3]，缺乏對加工中心各向動態(tài)特性的完整描述。

研究軸間耦合問題需要對加工中心進行準確建模_；

有限兀分析（finite element analysis, FEA)方法是加工中心結構動態(tài)特性研究的主流方法，其中加工中心結合部需要進行重點考慮絲杠螺母、導軌滑塊、主軸軸承等運動結合部常用單個或多個彈簧阻尼單元等效•而主軸刀柄、地腳螺栓和定位膠等固定結合部常用彈簧阻尼單元或虛擬介質等效_1，并結合模態(tài)分析等實驗方法進行結合部參數(shù)辨識：整機有限元模型主要用于模態(tài)、結構動柔度、裝配預壓等問題的仿真分析：

由于加工中心各軸伺服控制系統(tǒng)與整機結構低階振動耦合^::: •機械振動在限制進給系統(tǒng)帶寬的同時，控制環(huán)特性也會對加工中心動柔度產(chǎn)生影響，有限元建模得到的結構動柔度無法準確預測實際加工中刀尖點的動柔度.因此在加工中心設計過程中需要建立機械.控制.加工三位一體的動力學模型，當前加工中心機電聯(lián)合建模的主流方法有子系統(tǒng)簡化法和軟件集成法^[2]，前者側重研究機械系統(tǒng)或控制系統(tǒng)的等效處理，后者側重研究仿真軟件間的接口，國內(nèi)文獻多利用機電模型研究加工中心運動特性^{1 11 12]}，對機收稿日期：2016-05-26

基金項目：國家科技重大專項（2009ZX04002-021)作者簡介：趙彤（1972—)，男，副研究員。

： zhaotong@tsinghua. edu. cn

床振動特性的分析鮮有涉及•而國外文獻盡管關注了控制環(huán)對動柔度的影響•但缺乏對機電系統(tǒng)軸間耦合問題的研究

本文建立了一臺雙驅進給平臺的有限元模型，結合模態(tài)實驗和頻響實驗研究了其機械系統(tǒng)的軸間耦合問題；提出了一種用傳遞函數(shù)組等效結構動態(tài)特性的加工中心機電聯(lián)合仿真建模方法，分別建立了一臺雙驅臥式加工中心的有限元模型、進給軸控制環(huán)模型和整機機電模型•并以此研究了其機械系統(tǒng)和機電系統(tǒng)的軸間耦合問題，定性分析了耦合產(chǎn)生的原因及其對加工中心動態(tài)特性及控制環(huán)參數(shù)選擇的影響。

1單軸雙驅進給平臺有限元建模

串聯(lián)式加工中心一般有三向進給軸。本文首先利用一臺雙驅進給平臺TCB1研究單軸進給系統(tǒng).其主要結構件為工作臺和床身.如圖I所示,利用ANSYS Workbench對該進給平臺進行有限元建模•將工件.電機座和軸承座處的螺栓結合部等效為固連，而將加工中心地腳結合部、導軌滑塊結合部和絲杠軸系結合部分別等效為三向、兩向和單向彈簧阻尼單元。首先•借助文9中的經(jīng)驗公式和相關數(shù)據(jù)庫對結合部參數(shù)進行預設，再根據(jù)進給平臺有限元仿真、模態(tài)實驗和頻響實驗結果，對結合部的剛度參數(shù)和阻尼參數(shù)_（進行修正，直至仿真結果滿足誤差要求，修正后的部分結合部參數(shù)如表1所示，由于進給平合整體質量分布不均，因此同類型的結合部在不同位置處的參數(shù)也有所不同：

確定所有結合部參數(shù)后•可建立Tcm進給平臺完整的有限元模型：相應的模態(tài)實驗采用PCB公司的㈠SlU)5n力錘和356A16三向加速度傳感器進行信號激勵和采集•采用LMS SCADAS數(shù)據(jù)采集前端和「:Vst.Lab軟件進行信號處理和數(shù)據(jù)分析-如圖2a所示：實驗采用移動力錘法•用個點完全構建進給平臺幾何輪廓•且在床身、工作臺與工件上均布置傳感器。兩階模態(tài)振型實驗結果不例如圖2b和2c所示。