第三届中国CAE工程分析技术年会论文集 立式回转数控机床结构的有限元分析 侯荣生 佟宇 高航 大连理工大学机械工程学院 摘要: 数控机床动静特性对机床的加工性能有非常重要的影响。 本文以立式回转数控机床为研究对象， 建立横梁臂有限元模型， 进行静态和动态分析计算， 得出了横梁臂的动力学特性。 关 键 词: 立式回转数控机床； 横梁臂； 有限元； 动态性能； 模态 1 引言 数控机床的本体一般是薄厚不同的板块组成的较为复杂的实体结构。 当对这些复杂结构问题进行静、 动态力学性能分析时, 往往可以很方便地写出基本方程和边界条件, 但却求不出...
第三届中国CAE工程分析技术年会论文集 立式回转数控机床结构的有限元分析 侯荣生 佟宇 高航 大连理工大学机械工程学院 摘要: 数控机床动静特性对机床的加工性能有非常重要的影响。 本文以立式回转数控机床为研究对象， 建立横梁臂有限元模型， 进行静态和动态分析计算， 得出了横梁臂的动力学特性。 关 键 词: 立式回转数控机床； 横梁臂； 有限元； 动态性能； 模态 1 引言 数控机床的本体一般是薄厚不同的板块组成的较为复杂的实体结构。 当对这些复杂结构问题进行静、 动态力学性能分析时, 往往可以很方便地写出基本方程和边界条件, 但却求不出解析解。 这是因为大量的工程实际问题非常复杂, 有些构件的形状甚至不可能用简单的数学表达式表达, 所以就更谈不上解析解了。 对于这类问题, 通常有两种分析和研究途径： 一是对复杂问题进行简化, 提出种种假设, 最终简化为一个能够处理的问题。 这种方法由于太多的假设和简化, 将导致不准确乃至错误的答案。 另一种方法是尽可能保留问题的各种实际工况, 寻求近似的数值解。 在计算机技术和计算理论飞速发展的今天, 这已经成为较为现实而又非常有效的选择。 在众多的近似分析方法中, 有限元法是最为成功和运用最广的方法。 数控机床加工精度和加工效率在很大程度上取决于部件设计的静动态刚度。 因此， 在设计过程中必须对这些部件进行静、 动刚度分析， 以提高机床的性能。 本文通过借助大型有限元软件， 以立式回转数控机床为例， 对其横梁臂进行有限元静动态分析， 得出了各阶振型图和应变分布图。 通过分析结果数据， 清楚的了解原设计是否满足精度要求及结构薄弱环节。 2 立式回转数控机床的结构 2.1 立式回转数控机床组成 立式回转数控机床的结构示图如图1， 基本构成主要包括： 底座、 回转工作台、 立柱、 横梁臂四部分。 工件立式装夹在回转工作台上,可实现绕工件中心线的回转运动（C轴） ， 刀具装在高速电主轴上， 可作左右位移(Y轴)， 上下位移（Z轴） ， 其中Z轴和C轴可实现三轴联动。电主轴装在转角头上， 经手动调整， 可具有水平和垂直两种工作姿态。 2.2 立式回转数控机床特点 立式回转数控机床的横梁臂是悬臂梁结构， 一端装有驱动系统、 伺服电机， 另一端装有电主轴系统， 电主轴上可装各种磨头， 实现端面磨削， 钻孔等功能。 横梁臂通过滑板可实现水平方向左右运动， 有效行程580mm。 考虑横梁臂、 电主轴系统、 驱动系统、 伺服电机的自重， 横梁臂会发生两端下垂， 中间凸起的变形， 横梁臂的变形大小， 尤其是电主轴端的变形大小直接影响加工精度。 在工作时， 由于电主轴上的磨头受到与重力方向相反的力， 很容易发生振动， 影响加工质量。 横梁臂的动静刚度的好坏直接影响加工质量， 是整机系统的最薄弱环节。 横梁臂结构简图如图2。 3 立式回转数控机床部件有限元分析 3.1 建模、 单元选择、 网格划分、 约束 横梁臂是一个较复杂的梁结构， 为了 计算方便， 将其作为空间弹性梁处理。 对横梁臂中存在很多细小尺寸特征， 如过渡圆角等， 这些特征进行精确建模， 将使分析计算时的单元尺图1 立式回转数控机床示意图 图1 立式回转数控机床示意图 图2 横梁臂结构简图 137
