機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
基于機(jī)電建模的加工中心軸間耦合問題
閱讀：115 發(fā)布時(shí)間：2020-8-11伯特利數(shù)控 加工中心 鉆攻中心
前言：
當(dāng)前針對加工中心整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的研究，常圍繞模態(tài)和動(dòng)柔度展開-_ :柔度表征在理想切削力作用下•刀尖點(diǎn)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(guān)，切削力及刀具與工件的相對位移均包含三向分量，當(dāng)激勵(lì)響應(yīng)異向的動(dòng)柔度與激勵(lì)響應(yīng)同向的動(dòng)柔度幅值相當(dāng)時(shí).可認(rèn)為機(jī)床存在“軸間耦合”現(xiàn)象。現(xiàn)有研究通常忽略動(dòng)柔度矩陣中的非對角項(xiàng)[3]，缺乏對加工中心各向動(dòng)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(jìn)行準(zhǔn)確建模；
有限兀分析（finite element analysis, FEA)方法是加工中心結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性研究的主流方法，其中加工中心結(jié)合部需要進(jìn)行重點(diǎn)考慮絲杠螺母、導(dǎo)軌滑塊、主軸軸承等運(yùn)動(dòng)結(jié)合部常用單個(gè)或多個(gè)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(jié)合部常用彈簧阻尼單元或虛擬介質(zhì)等效_1，并結(jié)合模態(tài)分析等實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行結(jié)合部參數(shù)辨識：整機(jī)有限元模型主要用于模態(tài)、結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度、裝配預(yù)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(jī)結(jié)構(gòu)低階振動(dòng)耦合::: •機(jī)械振動(dòng)在限制進(jìn)給系統(tǒng)帶寬的同時(shí)，控制環(huán)特性也會對加工中心動(dòng)柔度產(chǎn)生影響，有限元建模得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度無法準(zhǔn)確預(yù)測實(shí)際加工中刀尖點(diǎn)的動(dòng)柔度.因此在加工中心設(shè)計(jì)過程中需要建立機(jī)械.控制.加工三位一體的動(dòng)力學(xué)模型，當(dāng)前加工中心機(jī)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(cè)重研究機(jī)械系統(tǒng)或控制系統(tǒng)的等效處理，后者側(cè)重研究仿真軟件間的接口，國內(nèi)文獻(xiàn)多利用機(jī)電模型研究加工中心運(yùn)動(dòng)特性1 11 12]，對機(jī)收稿日期：2016-05-26
基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)（2009ZX04002-021)作者簡介：趙彤（1972—)，男，副研究員。
： zhaotong@tsinghua. edu. cn
床振動(dòng)特性的分析鮮有涉及•而國外文獻(xiàn)盡管關(guān)注了控制環(huán)對動(dòng)柔度的影響•但缺乏對機(jī)電系統(tǒng)軸間耦合問題的研究
本文建立了一臺雙驅(qū)進(jìn)給平臺的有限元模型，結(jié)合模態(tài)實(shí)驗(yàn)和頻響實(shí)驗(yàn)研究了其機(jī)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(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的加工中心機(jī)電聯(lián)合仿真建模方法，分別建立了一臺雙驅(qū)臥式加工中心的有限元模型、進(jìn)給軸控制環(huán)模型和整機(jī)機(jī)電模型•并以此研究了其機(jī)械系統(tǒng)和機(jī)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(dòng)態(tài)特性及控制環(huán)參數(shù)選擇的影響。
串聯(lián)式加工中心一般有三向進(jìn)給軸。本文首先利用一臺雙驅(qū)進(jìn)給平臺TCB1研究單軸進(jìn)給系統(tǒng).其主要結(jié)構(gòu)件為工作臺和床身.如圖I所示,利用ANSYS Workbench對該進(jìn)給平臺進(jìn)行有限元建模•將工件.電機(jī)座和軸承座處的螺栓結(jié)合部等效為固連，而將加工中心地腳結(jié)合部、導(dǎo)軌滑塊結(jié)合部和絲杠軸系結(jié)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(yàn)公式和相關(guān)數(shù)據(jù)庫對結(jié)合部參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)，再根據(jù)進(jìn)給平臺有限元仿真、模態(tài)實(shí)驗(yàn)和頻響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對結(jié)合部的剛度參數(shù)和阻尼參數(shù)（進(jìn)行修正，直至仿真結(jié)果滿足誤差要求，修正后的部分結(jié)合部參數(shù)如表1所示，由于進(jìn)給平合整體質(zhì)量分布不均，因此同類型的結(jié)合部在不同位置處的參數(shù)也有所不同：
確定所有結(jié)合部參數(shù)后•可建立Tcm進(jìn)給平臺完整的有限元模型：相應(yīng)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)采用PCB公司的㈠SlU)5n力錘和356A16三向加速度傳感器進(jìn)行信號激勵(lì)和采集•采用LMS SCADAS數(shù)據(jù)采集前端和「:Vst.Lab軟件進(jìn)行信號處理和數(shù)據(jù)分析-如圖2a所示：實(shí)驗(yàn)采用移動(dòng)力錘法•用個(gè)點(diǎn)完全構(gòu)建進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果不例如圖2b和2c所示。