《坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择》由会员分享，可在线阅读，更多相关《坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、兰州理工大学硕士学位论文坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择姓名：张朋申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：欧阳林子20100501硕十学位论文摘要随着社会的发展，自动化是未来制造业的发展趋势。我国制造业同样面临着极大的考验和挑战。各企业为了弥补机床的数控化率偏低的现状，对旧机床进行数控化改造也成为了一种趋势。到目前为止，国内外在对旧机床改造的前期评估工作尚没有成熟统一的方法，大多的改造只是简单的依据经验，以及原机床的本来性能，选择相应数控系统搭配安装。至于改造对于原机床的性能的提高、功能的扩展等工作做的相对较少。本课题研究的目的是希望运用理论的方法对机床整机可靠性分析，以此对机
2、床进行改造前的评估。本文运用有限元方法，依托于大型三维设计软件P r o E 、通用有限元分析软件A N S Y S ，进行联合的建模分析。模态分析结论，运用于机床驱动电机的选择。本文在对机床整机的建模过程中。由于A N S Y S 软件前处理模块中三维建模方法的复杂不易操作性，无法精确和高效地完成像本论文中坐标镗床整机这样复杂结构的建模，于是在建模方法中选择的实体建模，采用建模功能强大的三维设计软件P r 0 E N G I N E E RW i l d f i r e 2 0 建立三维实体模型，然后通过两软件的无缝接口导入到A N S Y S l 0 0 中，在A N S Y S 中对机床
3、部件结合面进行接触处理，提高了建模效率，保证了模型的质量。为了使计算精度和计算规模合理，对实体模型进行了一定的简化处理。在分析了单元数量、质量、布局的前提下，用实体单元对整个机体进行网格划分，建立了机床整机的有限元模型。基于对整机模型的模态分析，得出机床约束条件下的固有频率，从而分析出引起机床共振的频率范围，根据频率与电机转速的关系，同时参考选择电机时经验的设计计算，对机床配置了合理的驱动电机，使改造后的机床加工效率有所提高，加工过程中的机床稳定性也更有保证。考虑到机床本身较好的稳定性和加工精度，对原机床进行了功能扩展，原来只能进行精密的钻、镗等加工的坐标镗床，也具有铣削加I 功能，使其成为能
4、多轴联动的加工机床，为此选配了功能强大、控制多轴联动的数控系统，以及相应的伺服驱动系统。使改造后的机床能适应更广泛的加工要求，提高资源的利用率。关键词：坐标镗床；有限元；模态分析；数控改造A b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，a u t o m a t i o ni st h et r e n d so fi n d u s t r yi nt h ef u t u r e T h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi sa l s of a c i n
5、 gg r e a tc h a l l e n g e si nO U rc o u n t r y V a r i o u se n t e r p r i s e si no r d e rt oc o m p e n s a t ef o r t h el o wr a t eo fC N Cm a c h i n et o o l s ，t h es t a t u so ft h et r a n s f o r m a t i o no ft h eo l dC N Cm a c h i n et o o l sh a sb e c o m eat r e n d S of a
6、r , T r a n s f o r m a t i o no ft h eo l dm a c h i n ea th o m ea n da b r o a do nt h ee a r l ys t a g eo fa s s e s s m e n ti ss t i l ln o tm a t u r eu n i f i e da p p r o a c h ，a n dm o s to ft h et r a n s f o r m a t i o no nt h eb a s i so fs i m p l ye x p e r i e n c ea n de f f i c
7、 i e n c yo ft h eo r i g i n a lm a c h i n eh a v eb e e nc a r r i e do u tw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m A sf o ft h et r a n s f o r r n a t i o no ft h eo r i 西n a lm a c h i n et o o l s ，e n h a n t et h ep e r f o r m a n c eo fw o r kd o n et
8、 oe x t e n dt h ec a p a b i l i t i e so ft h er e l a t i v e l ys m a l l T h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c ht h e s i si St ot r a n s f o r i l lp r e a s s e s s m e n tf o rt h em a c h i n et o o lb ys o m eo ft h et h e o r yo fm a c h i n et o o lr e l i a b i l i t ya n a l y s i
9、 sm e t h o d s W i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dr e l y i n go nl a r g e s c a l et h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g ns o f t w a r eP r o E ，g e n e r a l - p u r p o s ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y S ，t oc a r r yo u tj o i n ta n a l y
10、 s i sf o rt h em o d e li nt h i sp a p e r M o d a la n a l y s i sc o n c l u s i o n s ，i ti su s e di nt h ec h o i c ea n dd e s i g no fd r i v es y s t e m so fm a c h i n et 0 0 1 I nt h em o d e l i n gp r o c e s s B e c a u s ep r e p r o c e s s i n gm o d u l eo ft h eA N S Y Ss o f t
11、w a r et oc o m p l e xt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga p p r o a c hi sn o te a s ym a n e u v e r a b i l i t y ，a n ds u c hac o m p l e xs t r u c t u r em o d e l i n gc a nn o tb ec o m p l e t e da sa c c u r a t e l ya n de f f i c i e n t l yc o o r d i n a t eb o r i n gm a
12、c h i n ei nt h i sp a p e r ，S Oi nt h em o d e l i n ga p p r o a c h ，u s i n gt h ep o w e r f u l3 Dm o d e l i n gd e s i g ns o f t w a r eP r o | E N G I N E E RW i l d f i r e 2 0t od ot h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l ，t h e nt r a n s m i tt h em o d e li n t oA N S Y S I
13、O 0b yas e a m l e s si n t e r f a c e I m p r o v et h em o d e l i n ge f f i c i e n c y ，a n de n s u r et h eq u a l i t yo ft h em o d e l I no r d e rt ot h ec a l c u l a t i o np r e c i s i o na n dc a l c u l a t i o no ft h es i z eo far e a s o n a b l ep h y s i c a lm o d e lt om a k
14、 eac e r t a i ns i m p l i f i e d U n d e rt h ep r e m i s eo ft h ea n a l y s i so fc e l lq u a n t i t y ，q u a l i t ya n dl a y o u t ，t ob u i l daf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fm a c h i n et o o lo ft h ew h o l eb o d yw i t ht h es o l i de l e m e n tm e s h M a c h i n et o o li
15、 se q u i p p e dw i t hh i g hs p e e dd r i v es y s t e m s ，i ti sb a s e do nm o d a la n a l y s i s ，w h i l er e f e r e n c et oe x p e r i e n c ei nd e s i g na n dc a l c u l a t i o n f u n c t i o n a le x p a n s i o no ft h em a c h i n et o o lh a sc a r d e do u tw i t ht a k i n g
16、i n t oa c c o u n tt h em a c h i n et o o li t s e l f , b e t t e rs t a b i l i t ya n dm a c h i n i n ga c c u r a c yo ft h eo r i g i n a lm a c h i n e ，S Ot h eo r i g i n a lC a no n l yb eu s e di np r e c i s i o nd r i l l i n gm o l d ，m o l da n do t h e rf u n c t i o n so ft h ec o
17、 o r d i n a t e so fb o r i n gm a c h i n e ，a l s oh a sm i l l i n gc a p a b i l i t i e s ，w h i l ea c h i e v i n gm o r ea x i so fm a c h i n et o o l s ，t h e r e b ym a t c h i n gap o w e r f u lC N Cs y s t e ma n ds e r v od r i v es y s t e m s S ot h a tt h em a c h i n eC a nb et r
18、 a n s f c I r m e dt oa d a p tt oaw i d e rr a n g eo fp r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s ，i m p r o v er e s o u r c eu t i l i z a t i o n 1 I硕十学位论文K e y w o r d s ：C o o r d i n a t eb o r i n gm a c h i n e ；f i n i t ee l e m e n t ；M o d a lA n a l y s i s ；N u m e r i c a lr e c o n
19、 s t r u c t i o nm坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择插图索引图2 1T 4 1 6 3 坐标镗床结构示意图。9图2 2 两软件联合应用流程图1 3图2 3P R O E 中建立三维模型图1 5图2 4 读入A N S Y S 后工作台模型图1 6图2 5 读入A N S Y S 后立柱模型图1 6图2 6 读入A N S Y S 后床身模型图1 6图2 7A N S Y S 中完成装配图1 6图2 8 八节点六面体单元图1 7图2 9S O L L D 4 5 单元图2 0图2 1 0 完成网格划分模型图2 1图2 1 1 施加边界条件模型图。2 2图2 1 2 约束
20、模态第一阶振型图2 6图2 1 3 约束模态第二阶振型图2 6图2 1 4 约束模态第三阶振型图2 6图2 1 5 约束模态第四阶振型图2 6图2 1 6 约束模态第五阶振型图2 6图2 1 7 约束模态第六阶振型图2 6图2 1 8 约束模态第七阶振型图2 7图2 1 9 约束模态第八阶振型图2 7图2 2 0 约束模态第九阶振型图2 7图2 2 1 约束模态第十阶振型图2 7图2 2 2 第一阶模态位移云图2 8图2 2 3 第二阶模态位移云图2 8图2 2 4 第三阶模态位移云图2 8图2 2 5 第四阶模态位移云图。2 8图2 2 6 第五阶模态位移云图2 9图2 2 7 第六阶模态位
21、移云图。2 9图2 2 8 第七阶模态位移云图。2 9图2 2 9 第八阶模态位移云图2 9图2 3 0 第九阶模态位移云图2 9图2 3 1 第十阶模态位移云图2 9I V硕十学应论文图3 1T 4 1 6 3 传动系统简图3 2图3 2 频率与共振区域图一3 4图3 31 F T 6 0 8 1 S P G 简图及主要尺寸图3 8图3 41 F T 6 0 4 4 S P G1 0 0 M F l 简图及主要尺寸图。3 8图4 1 坐标镗床工作台进给机构简图4 5图4 2 坐标镗床改造后控制结构简图一4 5图5 16 1 1 D 控制原理图5 2图5 28 4 0 D 、6 1 1 D 的
22、连接，以及和外围设备的连接图。5 3V兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：彩f 拽日期：卯p 年5 月多7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将
23、本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：崭J 搁导师签名：殍笔阳挑3日期：砸年于月3 日日期年多月石日硕士学何论文1 1 课题意义第1 章绪论我们都知道，制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。在世界快速现代化的今天，我国的制造业水平与发达国家相比整体水平偏低，这是不争的事实，也因此直接影响到了我国工业产品质量的提高和制造成本的降低，影响到我国工业产品的国际市场竞争力。为改变这种落后的状
24、况，必须提高制造业的装备水平，特别是机床的数控化率。设备是企业发展生产技术和实现经营目标的物质基础。设备的技术性能和技术状态不但直接影响产品质量，还关系工时、材料和能源的有效利用，同时对企业的经济效益也会产生深远影响。设备的技术改造和更新直接影响企业的技术进步、产品开发和市场开拓。因此，从企业产品更新替代、发展品种、提高质量、降低能耗，提高劳动生产率和经济效益的实际出发，进行充分的技术分析，有针对性的用新技术改造和更新现有设备，是提高企业素质和市场竞争力的一种有效方法。购置数控机床是提高机床数控化率的途径，对原有普通型旧机床数控化改造也是提高数控化率的重要途径之一，而且也是比较适合一些中小型企
25、业，即可以避免部分性能良好的机床的资源浪费，又可以一定程度上节省经济开支。我国目前机床总量4 0 0 余万台，而其中数控机床总数只有1 2 5 4 万台，即我国机床数控化率不到3 。近些年来，我国数控机床年产量为0 6 O 8 万台，机床年产量数控化率为6 。制造行业、加工装备业绝大多数是传统的机床，而且半数以上是使用年限达l0 年以上的旧机床。国内传统旧机床的数控化改造是很有前景的市场n3 。机床数控化改造，顾名思义就是在原普通机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。它是根据生产实际需要提出，并随着机床行业以及技术的不断进步而发展起来的，它的内容是应
26、用成熟的数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，对现有机床的局部结构进行改造，并安装上新的部件、新装置、新辅助件，用计算机控制机床的工作，提高机床的技术性能指标，使之全部或者局部达到新数控机床的水平。旧机床的数控改造，在世界范围内已经成为了一个产业。对各种类型机床的改造也有着成熟的改造方案，但是传统的改造方法中，对机床的评估工作往往是建立在设计者的经验基础之上的，面对现在对机床高加工精度，高切削速度等要求，原机床能否在改造完成后达到此目标，现有旧机床能否安装高速的动力头，在高速情况下能否保持机床的可靠性、稳定性以此来保证加工精度的要求，这些问题的解决都要求用现在的技术手段，对原有机床整机的
27、动、静态特性进行分析坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择评估。因此如何把动态分析评估方法应用到现在机床改造的过程当中，对于改造的效率、改造后机床的性能等都有着重大意义，而且对我国机床改造工业的发展也具有深远意义。长期以来，机床的动力学分析只是以对实际机床的动态测试为基础进行的，没有应用动力学模型进行分析计算，发挥理论的巨大作用。在机床的设计过程中，以及旧机床的改造时，这样的分析往往只能得到一些定性的结论，而且没有把握，可以说这样的分析还处在一个较低水平的阶段。旧机床的改造过程中，机床的动态评估基本上没有展开。过去机床改造都是根据经验和原机床的设计参数来进行的，对它的动态性能只能作粗略的原则
28、性考虑。这样改造出来的机床是比较的保守，而且稳定性也是一个值得探讨的问题。近年来，由于计算机的广泛应用，大型可靠的分析软件的出现，上述关于机床动态模拟计算的问题得到了解决。因此，目前已有可能运用强大的分析软件，对机床做三维模型，然后进行详尽、系统的动力学分析，这不仅仅能给机床的设计工作带来方便，而且还可以作为机床改造时的理论依据。使改造后的机床整机性能更好，效率和稳定性更高心1 。1 2 课题背景本课题的主要任务是对兰州理工大学机电工程学院制造技术基础实验室的1 9 7 9 年昆明机床厂生产的单柱坐标镗床( T 4 1 6 3 ) ，进行数控化改造，该机床主要用来加工钻模、镗模及其他零件上有精
29、确孔距要求的孔，亦可做准确的样板划线、中心距测量和其他直线性尺寸的检验等工作，机床还备有万能转台等附件，从而扩大了机床的加工范围，不仅可做一般的加工，而且还可以进行极坐标制孔的加工、斜孔的加工和分度等工作，机床的坐标定位采用光学装置。因而机床定位精度不受机床磨损的影响。该机床的读数及定位精度分别为0 0 0 1 毫米和0 0 0 6 毫米，虽然运行多年但其精度依然能达到多数加工件的要求，为了实现机床的再利用、满足教学和科研所需，所以对其进行数控化改造，提高自动化程度，使之达到精密数控机床的性能是可行的，也是必要的。本文将探索新的机床评估方法，即基于有限元方法的动态评估方法，以此结果与数控伺服系
30、统的选型匹配，在理论上达到合理配型。1 3 国内外机床数控改造发展和研究现状1 3 1 数控系统的出现和发展19 4 6 年诞生了世界上第一台电子计算机，6 年后，美国帕森斯公司( P a r s o n sC o )硕士学位论文与麻省理工学院伺服机构实验室( S e r v eM e c h a n i c sL a b o r a t o r yo fT h eM a s s a c h u s e t t sI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ) 合作研制成功第一代数控系统。从此，传统机床产生了质的变化。半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六
31、代的发展。第一阶段：数控( N C ) 阶段( 1 9 5 2 一1 9 7 0 年) 。早期采用数字逻辑电路组合成一台机床，专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控( H A R D W I R E D N C ) ，简称为数控( N C ) 。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1 9 5 2 年的第一代一电子管时代；1 9 5 9 年的第二代一晶体管时代；1 9 6 5 年的第三代一小规模集成电路时代。第二阶段：计算机数控( C N C ) 阶段( 1 9 7 0 年一现在) 。到1 9 7 0 年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控( C N C ) 阶段
32、。到1 9 7 1 年，美国I N T E L 公司第一次将计算机的两个最核心的部件一运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器( M I C R O P R O C E S S O R ) ，又可称为中央处理单元( 简称C P U ) 。到1 9 7 4 年，微处理器被应用于数控系统。到了1 9 9 0 年，P C 的性能已发展到较高的水平，从8 位，1 6 位，发展到3 2 位，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于P C 的阶段。总之，计算机数控的发展也经历了三代。即1 9 7 0 年的第四代一小型计算机：1 9 7 4 年的第五代一微处理
33、器和1 9 9 0 年的第六代一基于P C ( 国外称为P C - - B A S E D ) 。必须指出，数控系统发展到第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便( 主要是编程困难) 等极为关键的问题。因此，数控技术经过了3 0 年的发展才走向普及应用。1 3 2 国内外机床数控改造现状在国内，数控机床生产逐渐形成批量，开始出现了一批以北京机床研究所为龙头的机床厂，主要生产键铣加工中心，其C M E l0 0 0 数控系统是“九五”期间最新开发出来的具有很高性能价格比的普及型数控系统。该数控系统是一个系列化产品，有三种基本类型：C M E L 0 0 0 T 车床用数控
34、系统、C M E L 0 0 0 M 铣床和小型加工中心用数控系统和C M E L 0 0 0 G 磨床用数控系统。根据用户特殊用途机械设备加工的需要，可以为用户定制特定的软件，从而派生出特定用途的经济型数控系统。该系统已经广泛用于主机厂的机床配套、旧机床改造项目和步进系统的更新换代，取得较好的经济效益和社会效益。后来又有许多经济型数控系统的生产厂家，如：武汉华中数控、沈阳数控、北京斯达特机电科技发展有限公司、宁夏康迪特自控技术公司、广州数控设备厂、航天数控集团等。数控机床一方面向大型、多功能方向发展：一方面向经济型方向发展。数控机床的逐渐普及，数控系统的价格不断降低，使得旧机床进行数控化改造
35、的优点更明显，促使越来越多的机械加工厂选择旧机床数控化改造作为设备华标铧床的有限元法评估分析及数控系统选择更新的途径。我国从8 0 年代初期开始进行机床数控化改造技术的研究和推广，到现在仅有2 0 多年的历史。目前，机床改造大都局限在中、小型车、铣床的数控化改造上，只有少数专门承担旧机床数控改造任务的翻新公司或改造公司，如沈阳创新数控公司。目前在数控机床的科研、设计、制造和使用上，美、德、日三国是技术最先进、经验最多的国家。美国起初为满足汽车、轴承生产的需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动化生产线，而且电子、计算机技术在世界处于领先地位，因此其数控机床的主机设计、制造以及数控系统基础扎
36、实，而且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。德国数控机床质量及性能良好，尤其是大型、重型o 精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件的先进实用性，并且在机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件上质量、性能都居世界前列。日本在开发、生产、出口数控机床上也是世界前列，日本F A N U C 公司开发了市场上所需的各种低、中、高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。基于发达的数控系统研发生产；上述国家在数控技术改造已形成了机床和生产线数控改造的新行业。在美国，机床改造业称为机床再生( R e m a n u f a c t u r i n g )
37、业。从事再生业的著名公司有：B e r t s c h e 工程公司、A y t o n 机床公司、D e v l i e g B u l l a v d ( 得宝) 服务集团、U S 设备公司等。美国得宝公司己在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装( R e t r o f i t t i n g ) 业。从事改装业的著名公司有：大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等口呻3 。传统机床改造前期评估。一般的方法是根据原有机床的一些性能指标和经验进行评估，包括机床的传动系统、机床现在所具有的加工精度、主轴的最高转速、床身刚度等。然后再依据经
38、验公式进行校核。根据控制轴数选择数控系统和驱动系统；拆除齿轮减速箱，改用直接伺服电机驱动；原机床的传动系统改换成滚珠丝杠副传动。北京航空航天大学硕士研究生提出过，应用电子表格，对机床的改造可行性等进行评估分析。但是在机床改造过程中对于机床机构的评估分析，做的比较少。特别是原机床的动态性能评估等。机床的合理数控化改造的工作一般包括：( 1 ) 机床改造经济性的评估；( 2 ) 原机床静动态性能的评估；( 3 ) 原机床主运动和传动系统运动副的评估；( 4 ) 机床改造的功能扩展分析；( 5 ) 原机床电器控制、液压系统及冷却系统改造设计；1 4 有限元方法概述有限元方法始于上世纪四十年代，至五十
39、年代中期，是大型复杂结构或多自由度体系分析的有力工具，近几十年来已广泛地用于工程结构、传热、流体运动、电磁等连续介质的力学分析中，并在气象、地球物理、医学等领域得到应用和发4硕十学位论文展。计算机的出现和发展，使有限元法在许多实际问题中的应用变成现实，并具有广阔的前景。有限元法的基本思想是将联系的求解区域离散成一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内的近似函数，通常由未知场函数或其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来
40、表达。这样一来，在有限元分析中，未知场函数或其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。现代有限元法第一个成功的尝试，是将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，这是T u r n e r ，C l o u g h 等人在分析飞机结构时于1 9 5 6 年得到的
41、成果。他们第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。三角形单元的单元特性是由弹性理论方程来确定的，采用的是直接刚度法。他们的研究工作打开了利用计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。1 9 6 0 年C l o u g h 进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法 的名称，使人们开始认识了有限元法的功效。近半个世纪以来，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力学问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到朔性、粘弹性、粘朔性和复合材料等。从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩
42、展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合，可以预计，随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展，有限元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善n 0 。1 4 1 。1 5 有限单元法中动态特性分析法的发展及模态分析方法介绍有限单元法是力学与现代计算技术相结合的产物，是力学科学在计算技术上实现现代化的一个代表性的标志。自2 0 世纪7 0 年代以来随着计算机的出现，现代设计方法，如C A D 、优化、发计、有限单元法以及三维动态设计等应运而生，解决了传统的设计方法无法解决的或难以解决的工程问题
43、。结构动力分析足研究结构的动态特性及在受动载荷激励作用下产生的动态响应，它是结构动态设计中的一个很重要的研究内容。在处理复杂机械结构动力分华标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择析和动态设计等方面，有限元法是一种通用的理论建模分析方法。利用大型通用有限元分析软件作为工具进行结构分析，使得复杂机械结构的静、动态分析及优化变得高效、简洁。有限元法是一种采用计算机求解数学物理问题的近似数值解法。在机械结构的动力学分析中，利用弹性力学有限元法建立结构的动力学模型，进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及谐响应，在此基础上还可根据不同需要对机械结构进行动态设计。由于有限元法具有精度高、适应性强以
44、及计算格式规范统一等优点，故在短短4 0 多年里，已经广泛应用于许多领域，己成为现代机械产品设计中的一种重要工具。特别是随着电子计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档微机和计算机工作站的逐步普及，现在己有许多著名的有限元程序可以利用，从而为有限元法在机械结构动态设计中的推广应用创造了更为良好的条件，并将展示出更为广阔的工程应用前景。在市场经济要求下，各种有限元分析( F E A ) 设计工具得到长足发展，其强大的设计功能满足了各企业的需求，并广泛应用于航空航天、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、水利等各行各业7 l 。机械模态分析根据研究手段和方法可以分为理论模态分析和试验模态分析
45、，以及二者相结合的理论一试验模态分析过程三种。作为振动工程理论的一个重要分支，模态分析或实验模态分析为各种产品的结构设计和性能评估提供了一个强有力的工具，其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准，而围绕其结果开展的各种动态设计方法更使模态分析成为结构设计的重要基础，特别是计算机技术和各种计算方法的发展，为模态分析的应用创造了更加广阔的环境。但随着机械结构分析设计需求不断增长，模态分析方法仍存在着一些不足。其中，单纯实验模态分析只能测量有限的几个低阶模态，并且受到测量精度影响。另外，实验方法难于将测得的模态参数转换为便于结构设计优化的尺寸或材料特性等参数。在解析模态分析方法方面，由于有限元
46、方法和计算机技术的支持，对复杂机械结构分析能够提高速度并获得较好的精度。1 6 研究的主要内容一般在对机床进行评估的过程中，我们足凭借着经验来进行的，其改造后机床性能的好坏往往取决于设计者的经验。随着计算机技术的飞速发展和一些通用有限元软件的不断完善，有限元方法越来越被广泛的使用在对复杂结构的动、静力学分析上。本课题所研究的单柱坐标镗床( T 4 1 6 3 ) 结构的建模与性能分析，正是采用有限元方法，在通用有限元分析软件A N S Y S 的基础上进行的。这也是目前机床行业结构动、静态分析的最主要方法。通过A N S Y S 软件的建模分析得出机床的本身固有模态，根据机床的模念我们来选择适
47、当数控系统和配套伺服电机，这样6硕士学位论文一种机床动态特性分析应用于机床的数控化改造上面的全新方法，可以让改造完成的更合理，改造后的数控机床工作稳定，即可以避免在机床的改造过程中数控系统的选择不合理的问题，又可以在原有机床的刚度稳定性基础上改进主轴以及进给系统的速度，从而提高生产的效率。同时，本机床属于高精度机床，而且因为年代久远，整体机械系统都已趋于稳定。原机床只有镗削和简单铣削功能，对于这样一个精密的坐标镗床来说，单一的加工能力，对其是一个极大的资源浪费。本课题数控改造的目的就是，在满足理论评估的基础上，尽量选择高转速的电机拖动系统，同时，通过对其机械部分的改造、数控系统的选择，使其具有
48、铣削加工的能力，实现三轴联动。本课题的具体任务为：1 基于有限元方法的机床模态分析，即机床的固有特性分析。它是通过研究无阻尼的自由振动，得到振动系统的自然属性，即固有频率和振型，其具体步骤如下：( 1 ) 建立结构的几何模型：本课题对坐标镗床进行整体建模，以实验室现有的机床为实体模型，根据有限元理论进行合理的分析，建立能反映实体空间形状的简化C A D 模型。一( 2 ) 结构离散即单元划分：通过对比分析，对于不同机床的不同部件选择合适的单元类型及网格划分方式，并合理地确定其边界条件i ，( 3 ) 动态特性求解及分析：利用有限元分析软件求解，得到坐标镗床的低阶固有频率及各阶振型，绘制振型图。
49、2 伺服系统的选择伺服系统是机械运动的驱动设备，以电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转化为机械能，实现机械的运动要求。根据分析，选择合适的传动电机，从而达到发挥机床最大性能的目的。3 机床传动系统的设计改造数控机床机械结构主要由以下几个部分组成：主传动系统及主轴部件、进给传动系统、自动换刀装置、基础件、实现某些动作和辅助功能的系统及装置。此外，为了提高数控加工的可靠性，现代数控机床还配有刀具破损监控装置及加工精度检测监控装置等。机械部件的设计主要是根据机床类型和操作的
50、方法来完成的，不同的机床其机械部件的特点及功能也是完全不同的。4 数控系统的选择数控系统的选择主要是根据机床的前期评估以及数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电动机的功率和用户要求。数控系统主要有以下三种类型，改造时应根据具体情况进行选择。坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择( 1 ) 步进电动机拖动的开环系统，开环系统的伺服驱动装置主要是步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲马达等。( 2 ) 异步电动机或直流电动机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统，该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，
51、以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值为零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。( 3 ) 交直流伺服电动机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统，半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差。因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。硕十学位论文第2 章坐标镗床整机模型的建立与模态分析2 1T 4 16 3 坐标镗床结构及参数简介兰州理工大学机电工程学院制造技术基础实验室的1 9 7 9 年昆明机床厂生产的单柱坐标镗床( T 4 1 6 3 ) ，其
52、总重量达5 5 吨，属于大中型机床，该机床主要应用于有精确定位要求孔的镗削，亦可做准确的样板划线、中心距测量和其他直线性尺寸的检验等工作。该机床主轴和进给轴的电动机全部是交流电动机，可控制轴数为5 轴，分别为X 、Y 、z 、B 、W ，五轴控制包括手动和自动，但均为单一运动，不具备联动功能。T 4 1 6 3 单住坐标镗床结构示意图如下：床身图2 1T 4 1 6 3 坐标镗床结构示意图2 2 有限元方法的分析过程2 2 1 建立求解域，并将之离散成有限单元结构的离散化是进行有限元分析的第一步，我们首先将问题分解成节点和单坐标铧床的有限元法评估分析及数控系统选择元，把无限自由度的问题处理成有
53、限自由度来分析，这个过程称之为“离散化”。有限元法中的结构离散化过程，简单的说，就是将分析的对象划分为有限个单元体，每个单元体上都有一定数量的连接点作为节点，各个单元之间就是依靠节点连接。有限元分析的思想是对单个的单元进行力学的分析，最后把单元力学特性矩阵进行整合，求解整个结构的力学特性。就桁架问题而言，单元的划分相对简单，每个桁架单元可以看成一个单元，其连接点就是单元节点。但是对于一些机械零件结构，如锻件、铸件等有一定体积结构件，要进行零件的单元划分，就需要考虑划分方案、选择合适的单元类型以及考虑划分的单元数目等。2 2 2 假定描述单元物理属性的形函数有限元方法是应用局部的近似解来求得整个
54、问题解的一种方法。根据分块近似的思想，可以选择一个近似的连续函数来描述每个单元的解。位移模式的选择是有限元方法分析中的关键。由于多项式的数学运算比较简单、易于处理，所以，通常是选用多项式作为位移模式。多项式的项数和阶数的选择，一般要考虑单元的自由度和解的收敛性要求等。2 2 3 建立单元刚度方程单元刚度方程的一般形式由刚度矩阵、位移矩阵和载荷矩阵组成，即： 刚度矩阵 位移矩阵】- 载荷矩阵】主要包括以下三部分内容：( 1 ) 通过几何方程建立单元应变与节点位移的关系式；( 2 ) 利用物理方程导出单元应力与节点位移的关系式；( 3 ) 由虚功原理推出作用于单元上的节点力与节点位移之间的关系式，
55、及单元的刚度方程。2 2 4 组装单元，构造总刚度矩阵把所有单元的刚度矩阵集合形成一个整体刚度矩阵，同时将作用于各单元的等效节点力向量组集成整体结构的节点载荷向量。从单元到整体的组集过程中主要是依据两点：一是所有相邻的单元在公共节点处的位移相等；二是所有各节点必须满足平衡条件。通常，组集整体刚度矩阵的方法是所谓的直接刚度法，即按节点编号对号入座，直接利用单元刚度矩阵中的刚度系数子阵进行叠加。2 2 5 应用边界条件、初值条件和施加载荷利用上述所得总体刚度矩阵，根据刚度矩阵、位移矩阵和载荷矩阵之问的计算关系，引入边界条件，为后续的求解阶段做好准备。硕士学位论文2 2 6 求解未知的节点位移及单元
56、应力引入边界约束条件，求解矩阵式非奇异矩阵的条件下，根据方程组的具体特点选择恰当的计算方法来求得节点位移，继而求出单元的应变和应力。应注意的是，引入边界条件修改平衡方程实质上是消除整体结构的刚体位移。2 2 7 后处理在得到相应节点应力、位移等信息后，可以继续得到其他重要的信息。如主应力、热通量、动态问题等。2 3A N S Y S 有限元分析软件2 3 1A N S Y S 简介A N S Y S 是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、。温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要
57、求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂j 受的负载也相当多，理论分析往往无法进一行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，A N S Y S 软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间n 6 1 8 1 。到8 0 年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：A N S Y S ，N A S T R A N ，A S K A ，A D I N A ，S A P 等。以A N S Y S 为代表的工程数值模拟软件，是一个多
58、用途的有限元分析软件，它从1 9 7 1 年的2 0 版本与今天的1 1 0 版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，己成为现代工程学问题必不可少的有利工具。2 3 2A N S Y S 软件功能A N S Y S 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功
59、能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用A N S Y S 参数设半标铧床的有限元法评估分析及数控系统选择计语言扩展宏命令功能。2 3 3A N S Y S 软件系统组成及运用A N S Y S 软件是世界上大型通用有限元分析软件。下面概括的介绍一下A N S Y S软件的系统组成及其一般操作步骤。A N S Y S 功能强大，操作复杂，对一般用户来说，图形用户界面( G U I ) 是最常用的界面，几乎所有的操作都是在图形用户界面上进行的。它提供用户和A N S Y S程序之间的交互。A N S Y S 图形用户界面由六部分组
60、成：( 1 ) U t i l i t yM e n u ( 通用菜单) ：该菜单包含了A N S Y S 的全部公用函数。如文件控制、选取、图形控制、参数设置等，为下拉菜单结构。该菜单的大部分函数允许在任何时刻访问。( 2 ) I n p u tW i n d o w ( 输入窗口) ：该窗口用于直接输入命令。显示当前和以前输入的命令，并给出必要的提示信息。( 3 ) M a i nM e n u ( 主菜单) ：包含了不同处理器下的基本A N S Y S 函数。它是基于操作的顺序排列的，应该在完成一个处理器下的所有操作后再进入下一个处理器。( 4 ) O u t p u tW i n d
61、o w ( 输出窗口) ：显示程序输出的文本。它通常显示程序对一项操作的响应，通常隐藏于其他窗口之下。( 5 ) T o o l b a r ( I 具条) ：包含了经常使用的命令或函数的按钮。可以通过定义缩略词的方式来添加、编辑或者删除按钮。( 6 ) G r a p h i c sW i n d o w ( 图形窗口) ：显示绘制的图形，包括模型、网格、分析结果等。2 4P r o l E 三维设计软件2 4 1P r o E 软件简介P r o E N G I N E E R 是美国P T C 公司推出的工程设计软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航空航天等行业，是工程设计
62、软件系列的旗舰产品。它提供了高效的零件设计、产品装配、模具开发、N C 加工、钣金设计、产品数据管理等功能。同时该软件也可进行动力学仿真、系统干涉分析以及有限元分析，但是有限元分析较之专业的软件，其分析结果还是有一定的误差9 I 。2 4 2P r o E 与A N S Y S 之间的数据交换二者的数据交换有两种，一种是通过把在P r o E 中设计完成的三维模型保存成A N S Y S 能识别的I G E S 格式的文件，然后再有A N S Y S 读入模型。第二种方法是通过路径的方式让两个软件真正的实现无缝连接。第一种方法对于一些复杂的模硕士学侍论文型在传输过程中会有一些的数据的丢失，在读
63、入A N S Y S 后需要必要的模型检查和拓扑修复，这就给分析工作带来了很多的不便，现在普遍使用的是第二种方法，这种方法的具体步骤也已经在文献 2 0 】中有了详细的叙述为：( 1 ) 先安装好A N S Y S l 0 0 和P r o E ，这里要注意所安装的P r o E 软件的版本要低于A N S Y S 的版本。( 2 ) 点击“开始一程序一A N S Y S l 0 O U t i l i t i e s A N S A D M I N ，在出现的界面里选中C o n f i g u r a t i o nO p t i o n s 选项，点击O K 。( 3 ) 在出现的对话框
64、中选中C o n f i g u r eC o n n e c t i o nP r o E 选项，点击O K 。( 4 ) 在第一个下拉菜单选中A N S Y SM u l t i p h y s i c s 选项，在第二个下拉菜单选中W I N 3 2 选项，然后点击O K 按钮。( 5 ) 在第一个空白框中输入你所安装的P r o E 的路径，然后点击O K 按钮就完成了。连接成功后，我们启动P r o E 时，在对话框的菜单栏就出现的A N S Y S l 0 0 选项，这样对于已经设计完成的构件在不退出P r o E 的情况下，通过A N S Y S l0 0 选项下的A N S Y
65、 S G e o m 直接把模型导入A N S Y S 中，对于复杂的零件也不会出现数据构丢失，真正实现了两个软件的无缝连接。P r o E 与A N S Y S 联合应用流程图：图2 2 两软件联合应用流程图坐标铧床的有限元法评估分析及数控系统选抒2 5 坐标镗床有限元模型的建立2 5 1 坐标镗床几何模型的建立虽然A N S Y S 中有着不错的实体建模功能。并且部分的引入了特征造型技术和变量设计技术，使模型的参数化设计变得简单易行，对于外形和结构简单的模型使用A N S Y S 本身建模非常方便，但是，对于形状和结构复杂的模型，在A N S Y S中建模就显得不是那么的方便了，由于它也提
66、供了许多可以与专业绘图软件的接口，对于结构复杂的模型，可以先利用S o l i d w o r k s 、U G 、P r o E 等C A D 软件对其进行建模，然后将建好的模型通过接口导入A N S Y S 中进行分析妇卜3 引。本课题使用P r o E 软件建立机床模型，由于模型中的细节将限制该处及其附近的网格的大小，影响整个结构的网格分布，增加网格的数量，使模型过予复杂。因此，通常对于实体建模的细节进行几何简化，尽量忽略一些不必要的细节。在导入时，对实体模型做一些修改，使其能符合A N S Y S 的要求，并能节省大量的分析时间，避免资源的浪费。对于实体模型进行合理的简化H0 l ，其
67、中包括：( 1 ) 删除模型中一些受力小的部件，如机身的一些小的定位销，螺栓、连轴器、操作杆等，这些零件在受力分析时对整个机床产生的影响可以忽略不计。( 2 ) 删除机床上的一些微小的特征，如螺栓连接的小孔、工作台上的滑动轨道、一些工艺孔、床身周边倒角等这些微小的特征。这些微小的特征并不影响结果的准确性，相反在很多的情况下，对模型的简化对于分析是必须的。微小的特征在对网格的精度要求很高，这样在划分网格时就增加了网格的密度，使计算量成倍的增加，普通的计算机难以胜任，并且计算的准确性并没有提高。( 3 ) 修改部分结构的形状，为了使分析更准确些，可以对原有模型进行部分结构尺寸的修改。2 5 2 有
68、限元接触问题概论接触问题一般分为两种基本类型：刚体一柔体的接触，半柔体一柔体的接触。在刚体一柔体的接触问题中接触面的一个或多个被当作刚体( 与它接触的变形体相比，有大得多的刚度) 。一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体一柔体的接触，许多金属成型问题归为此类接触。另一类，柔体一柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体( 有近似的刚度) H 引。A N S Y S 支持3 中接触方式：点一点接触，点一面接触，面一面接触。每种接触方式使用的接触单元适合于某类问题。本文所分析机床采用面一面的接触单元，有P r o E 中完成的床身、立柱、工作台以及导
69、轨，分别以单个零件的形式导入到A N S Y S 中，然后在A N S Y S 中完成装配。A N S Y S 支持剐体一柔体的面一面的接触单元，刚性面作为目标面，分别用T a r g e l 6 9 和T a r g e l 7 0 来模拟2 D 和3 D 的目标面，柔性体的表面被当作接触面，用C o r a l 7 1 ，C o n t a l 7 2 ，C o n t a l 7 3 ，C o n t a l 7 4 来模拟。一个目标单元和一个接触单元叫做一个接触对。2 5 3 机床接触面分析该机床主要由四大部分组成：床身、工作台、立柱、滑动导轨。机床各个部件之间并不是固接在一起的，而是
70、通过某种方式连接在一起，如床身与立柱之间通过螺栓连接：床身与工作台、滑动导轨之间采用导轨连接。机床中各个结合面接触刚度对整机的影响很大，因此有限元模型中结合面接触刚度的处理直接影响最后的计算结果”“。螺栓连接的结合面处理刚度及阻尼与结合面的压力有关，这里结合面的压力主要由结构的重力、螺栓的预紧力以及加工时道具所受的力来确定。导轨的结合面处，可以认为其结合面各处的刚度值相同。通过厂家提供的导轨手册中获得导轨各个方向的刚度。坐标镗床的P r o E 中建建立模型图图23P l F 中建立在P r o ，E 中完成机床的各个部件的建模。读入A N S Y S 中后模型图：结模型图输出为I G E S
71、 格式的文件机床部件竺堡塞垂墼至墼垂鎏塑篁坌錾墨篓堡至彗垫量圈2 4 读入A N S Y S 后工作台模型图图25 读入A N S Y S 后立柱模型图Mn I m图26 读 A N S Y S 后床身模型图在A N S Y S 巾完成转配图：囊 一一0 t ，。F闺17 A N S Y S 中完成装配图根据机床的装配关系，在A N S Y S 中完成机床有跟元分析装配模型，基于此模型，在随后有利于对装配体进行网格划分以及各个部件的结合面处理。工作台导轨和机身采用阻尼单元，面一面接触的处理方式。硕+ 学位论文2 5 4 有限元模型的分析( 1 ) 材料属性的确定床身的材料为铸铁，密度为7 2
72、0 0 k g m 3 ，弹性模量为1 18 e ll ，泊松比为0 2 2 ；其他零件的材料为4 5 号钢，密度是7 8 0 0 k g m 3 ，弹性模量为2 O e l1 ，泊松比为0 3 ( 2 ) 单元分析八节点六面体单元是三维弹性体有限元分析中较为简单的一种单元。该单元每个节点沿坐标方向x ，Y ，z 共有三个自由度n7 1 。六面体单元和平面问题的矩阵单元类型类似，对于八节点六面体单元( 见图2 5 ) 设单元边长在X ，Y ，z 方向上分别为2 a , 2 b ，2 c ，如果用三维局部坐标系孝，r ，f 来表示，取单元的形心为原点，可得孝= 兰口r = i Yf ：三DC87
73、图2 8 八节点六面体单元图其中，1 ，2 ，8 为节点的编号。设定单元的形函数为三次线性函数，即假定1j2 吉( 1 + 磊期+ r r 刀) ( 1 + 幺f )( f - 1 ，2 ，8 )( 2 1 )其中，缶，仇，乒表示节点f 的局部坐标值。对局部坐标，利用节点位移分量进行函数插值，可直接构造出单元位移模式甜= f 甜，f = ly ：y ，vZ 一f _ lw ：y Mw f一i = 1( 2 2 )f ，100 200 80o1N - 10 l00 20 0 8ol( 2 3 )100 l00 2 008 ，J已知单元内各点的位移，就可以确定单元内任意一点的应变，由三维几何矩阵方
74、程可得s ：0 u i 西0 w 考+ 瓦0 v 瓦0 v + 瓦0 w 面O w + 瓦O ul( 2 4 )弘i 万西瓦十瓦瓦砂舐。瑟jp 一将位移函数式( 2 2 ) 代入几何方程( 2 4 ) ，得几何矩阵式中B i =B = B IB 2 风盟0 x 。筹。警却a z。警。尝警。a ) cU z。盟O z 。警攀0 x砂利用微分关系和式( 2 6 ) ，就可以求出E 。弹性矩阵a N ：8 芎i= 亳( 1 饥枞1 + 岛f )尝：戛( 1 + 4 4 ) 0 + 缶彳)a ，7 ，8 6 、尝：鱼( 1 + 刁枷+ 专孝)a 己8 c “。( 2 5 )( i = 1 ，2 ，8
75、)( 2 6 )D ：垡! 二丝( 1 + X 1 一Z 肋硕+ 学位论文l1 2 02 ( 1 一曲00OO00l 一2 知狮一力( 2 8 )六面体单元，刚度矩阵计算，由于应力应变都是常量，单元刚度矩阵可以直接写成K r = I I I B7 D B d x d y d z = B 丁D BV( 2 9 )将式( 2 5 ) 中的几何矩阵B 和式( 2 8 ) 的弹性矩阵D 代入单元刚度矩阵( 2 9 ) ，经积分计算可得六面体单元的刚度矩阵为乃=r 毛。l ：K 8 = I ：L 。E y1 6 ( 14 - ) ( 1 2 )心2毛2V = 8 a b c( 2 1 0 )( i ，J
76、 = l ，2 ，8 )( 2 11 )( 2 1 2 )蒜。器。一叫oooo一l。一叫一叫o。一卜一卜00O。一叫一叫一叫o，。一H一H一Hoooo、88墨；畋、0，333觑舰如22忽忽觑忽如，。L9“划刊丝4 a2c t + 孚+ 竽，+ 半l 等c + 竽m + 字，+ 等竽砌+ 孚) k 1 2 = 而1 ( 1 + 竽聪”半翻，)= 石1 ( 1 + 孚肌笳，+ 半k 2 1 = 丽1 ( 1 + 竽胝”半轫；)划刊簪叶竽砌+ 竽，+ 半l 貉 竽+ 孚，+ 等c ，+ 争孚) 1k 2 3 = 面1 ( 1 + 竽肌细，+ 半k = 去( + 孚灿笳，+ 半钏k ：去( 1 + 竽
77、眦”半川Q - 3 k 钏叫，等c + 竽砌+ 孚，+ 半I 等c ，争c 七孚，+ 簪”竽m + 竽) 1( 3 ) 单元类型的确定选择S o l i d 4 5 单元，该单元用于构造三维固体结构，单元通过8 个节点来定义，每个节点有3 个沿着X 、Y 、Z 方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。I 闸v K , LK q 妥。图2 9S o l i d 4 5 单元图( 4 ) 网格的划分A N S Y S 有多种网格的划分方式，如自由网格划分、映射网格划分、智能网格划分、人工网格划分以及混合网格划分等方式。自由网格划分主要用于划分边；一界形状不规则的区
78、域，它所生成的网格相互之间是呈不规则的排列的。通常对于复杂形状的边界选择自由网格划分。它的缺点是分析精度往往不够高。映射网格划分是将规则的形状( 如正方形、三棱柱等) 映射到不规则区域( 如畸变的四边形、底面不是正多边形的棱柱等) 上面，它所生成的网格相互之间是呈规则排列的，分析的精度也高。但是，它要求划分区域满足一定的拓扑条件，否则就不能进行映射网格划分。而且，该方法对于复杂形状的边界模拟能力较自由划分网格差。所阻，一般在非边界区域尽可能的采用映射网格划分，只有对于形状复杂的边界区域采用自由网格划分。智能网格划分是A N S Y S 程序按照网格划分的不同精度要求设定了几组默认的参数，分别从
79、精确到粗糙排列( 1 1 0 级，1 为最辅确，4 为精确，6 为普通，1 0 为粗糙) 。用户只需用鼠标选出一个精度值，程序就会根据该数值找出程序默认的一组参数，按照该参数A N S Y S 程序自动进行网格划分，一般情况下，都可以得到比较好的网格划分形状。人工网格划分是用户输入A N S Y S 程序划分网格所需要的参数，如网格密度、单元最小的角度、单元疏密过度的梯度、各个单元的大小、选择何种两络划分器等“”1 。一般在进行网格划分的时候，根据实际的模型需要进行选择划分方式。本文采用自由式网格戈! 1 分方式对机床进行网格划分。划分同格得到的有限元模型( 共有2 4 5 6 1 节点和9
80、4 3 2 单元) 。图2 | 0 完成网格划分模型图f 5 ) 边界条件的确定在模态分析中，唯一有效的边界条件和载荷是零佩移约束。即某个位置需要约束的自由度方向上位移为零。如果在某处指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约束来代替该位置自由度设置。奉文机床模态分析，是底座用螺栓与地基迸行固定连接，螺栓孔约束为零位移。如图：竺堡丝童墼童墼垄兰堡篁坌堡墨墼堡童篁堡丝螺拴孔全约束2 6 模态分析圈2 1 1 施加边界条件模型图模态分析一般是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法o ”。根据模态分析的结果，对被测结构进行直接的动态性能评估。模态分析用于确定设计机构或机器部件的振动特性( 固有频
81、率和振型) ，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其他动力学分析问题的起点，如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析等，模态分析可以使结构设计避免共振或按特定频率进行振动，例如扬声器、音箱，了解结构对不同类型的动力载荷的响应。另外还有助于在其他动力学分析中估算求解控制参数，例如时问步长。2 6 1 模态分析的理论基础在有限元分析软件A N S Y S 的结构分析中，模态分析是一个很重要的方面。它不仅是求解结构和机构系统振动特性的一种方法，也是其它分析的先导步骤。模态分析是一种只与结构的固有频率和振型有关的结构分析方法。在结构模态分析中一般不考虑随时间变化
82、的外力、位移、压力或温度的影响，也不考虑物体的阻尼。“”1 。模态分析的一般方程为：阻】旧“置】= o ( 2 1 4 )式中【M 】和陋】分别为结构的质量和刚度矩阵， 脚为结构的加速度矩阵，( )硕十学位论文为结构的位移矩阵。对于线性结构来说，上式司简化成如F 的形式： A t = 缈) ，c o s c o _ f t( 2 1 5 )其中， 缈) ，为第i 阶固有频率的振型函数，q 是第i 阶固有频率。将( 2 1 5 ) 式代入( 2 1 4 ) 可以得到：( - - 0 ) i 2 【M 】+ 吲) = 0 ( 2 1 6 )要使上式成立，则有两种可能： 刃；= o 或者一哆2 【M
83、 】+ 【K 】= 0 显然前者对于求解来说没有任何意义，所以有- c o , 2 【M I + K 】_ 0 ) 上式成为系统的特征方程，具体可写为：岛。一矿仍l恕l 一矿鸭k 1 - J m 1岛2 一砚2k 一方，勉包2 一2k i - c Y 飞。k 一镌刀k c Y m = O( 2 1 7 )解上式可以得到一个关于缈2 的聆个解。令旯= 国2 就可以得到, 1 个特征值丑的表达式：卜 M 】+ K 】J = o( 2 _ 1 8 )上式中【M 】是质量矩阵，是划分单元所有质量的总矩阵，【K 】是刚度矩阵，是所有划分单元刚度的总矩阵。在输出时，我们关心的是物体的自然频率而不是原频率，
84、可以通过转换公式得到自然频率与原频率的关系为：C O != 芒( 2 1 9 )2 7 坐标镗床的有限元模态计算2 7 1 模态提取方法的选择典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题：【K 】 谚) = 砰【M 】 谚)( 2 2 0 )其中K 1 为刚度矩阵； 馋l 为第J 阶模态的振型向量( 特征向量) ；哆为第j 阶模态的固有频率( 呀是特征值) ；M 1 为质量矩阵。A N S Y S 中的模态分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触单元，即使定义了也将被忽略。A N S Y S 中提供了7 种模态提取方法6 ”3 ：6 蝰标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择(
85、1 ) 分块法分块法特征值求解器采用L a n c z o s 算法，L a n c z o s 算法是用一组向量来实现L a n c z o s 递归计算。当计算某系统特征值谱所包含一定范围的固有频率时，采用分块法提取模态特别有效。计算时，求解从频率谱中间位置到高频端范围内的固有频率时的求解收敛速度和求解低阶频率时基本上一样快。其特别适用于大型对称特征值求解问题。( 2 ) 子空间法子空间法使用子空间迭代技术，它内部使用广义的J a c o b i 迭代算法。由于采用完整的【K 】和【M 】矩阵，因此精度很高，但是计算速度比缩减法慢。主要适用于大型对称特征值求解问题。可以用几种求解控制选项来
86、控制子空间迭代过程。( 3 ) 动态功率法动态功率法，内部采用子空间迭代计算，但迭代求解器为P C G 。此方法明显比子空间法和分块L a n c z o s 法好。但是，如果模型中包含较差的单元或矩阵构成不好时可能弹出收敛问题。适用于非常大的模型( 10 0 ，0 0 0 个自由度以上) 。此法特别适合于只求解结构前几阶模态，以了解结构将如何响应的情形，接着可以选择合适的提取方法( 子空间法或分块法) 求得最终的解。动态功率法不进行S t u r m 序列检查及不检查遗漏的模态，这可能影响有多个重复频率问题的解。此法总是采用集中质量近似算法，并且采用集中质量矩阵。( 4 ) 缩减法缩减法采用
87、H B I ( - - 分一逆迭代) 算法来计算特征值和特征向量。由于该方法采用一个较小的自由度子集即主自由度来计算，因此计算速度比子空间法快。主自由度导致计算过程中会形成精确的【K 】矩阵和近似的【M 】矩阵，通常会有一些质量损失。因此，计算结果的精度将取决于质量矩阵M 1 的近似程度，近似程度又取决于主自由度的数目和位置。( 5 ) 非对称法非对称法用于系统矩阵为非对称矩阵的问题。采用L a n e z o s 算法，如果系统是非保守的，将得到复数特征值和特征向量。特征值的实部表示固有频率，虚部是系统稳定的量度，负值表示系统是稳定的，而正值表示系统是不稳定的。此算法适用于声学问题。但此法不
88、能S t u m 列检查，有可能遗漏所提取频率的一些高频端模态。( 6 ) 阻尼法阻尼法用于阻尼不可忽略的问题，例如轴承问题、转子动力学研究等。采用L a n c z o s 算法，计算得到复数特征值和特征向量，此法不匕S t u r m P f J 检查，因此有可能遗漏所提取频率的一些高频端模态。( 7 ) Q R 阻尼法硕十学位论文Q R 法最关键的思想是，以线性合并无阻尼系统少量数目的特征向量近似表示前几阶复阻尼特征值。采用实特征值求解无阻尼振型之后，运动方程将转化到模态坐标系。然后，采用Q R 阻尼法，一个相对较小的特征值问题就可以在特征子空间中求解出来了。该方法能够很好地求解大阻尼系
89、统模态解。由于该方法的计算精度取决于提取的模态数目，所以建议提取足够多的基频模态，这样才能保证得到好的计算结果。在大多数分析过程中将选用子空间法、非对称法、分块法或动态功率法。缩减法和阻尼法只在特殊情形下会用到。在指定某种模态提取方法后，A N S Y S 会自动选择合适的方程求解器。在A N S Y S L i n e a rP l u s 中非对称法和阻尼法不可用。本文采用的是子空间法进行模态分析。2 7 2 扩展模态模态分析中，所要求解的主要是频率和振型，这些内容被写到输出文件及振型文件中。但是，由于振型并没有写入到数据库或者结果文件中。因此不能对结果进行后处理，要进行后处理，还需要对模
90、态进行扩展。所谓模态扩展，指的是把所有计算的结果存入数据文件，如果想要在后处理中查看振型，必须首先进行模态扩展。在这里所使用的是模态扩展的缺省值，。所以可以不用设置这一项。2 7 3 计算结果分析模态分析的后处理可以查看机床的各阶固有频率值和各阶模态振型，在此只考虑机床的前十阶。机床的前十阶固有频率值如表2 1表2 1 机床前+ 阶约束频率表阶次约束频率( H Z )7 3 4 6 47 9 4 5 51 5 9 0 81 7 5 7 92 2 4 6 92 7 9 7 93 2 5 4 13 3 0 7 04 4 6 2 24 4 7 4 0根据机体的振型图可以看出，不I 刊l 直l 有频率
91、下，机体的振型足不同的，其中123456789O竺堡璧垂墼至坠垂鎏墼篁2 堑墨耋耋垂譬垄耋部分模态尤其是高阶模态的振型相当复杂以至于描述起来比较困难，经过仔细研究后发现机体的各阶模态可以焉擎其振型特点按照以下方式分类。A N图2圈2阶振型幽四阶振型斟图2l6 约束模恋第五阶振型H图2l7 约束模态第兀阶振型H一一&一一&A NA N图2图21 9 约束模态第八阶振型H图22 0 约束檀态第九阶振型“图22 I 约束横态第十阶撮型陶从机床的振型图可得到如下信息：( 1 ) 第一阶振型图，主要表现为立柱的前后摆动一阶频率是能引起共振影响最大的频率。( 2 ) 第二阶振型图，主要表现为立柱的左右摆动
92、二阶频率是能引起共振影响次之的频率。( 3 ) 第三阶振型图，主要表现为床身的左右摆动( 4 ) 第四阶振型图，主要表现为床身的左右摆动时伴有立柱的扭动。( 5 ) 第五阶振型圈，主要表现为床身的左右摆动时伴有立柱的左右摆动，在x Y 平面的震动( 6 ) 第六阶振型图，主要表现为立柱的左右摆动时伴有工作台的的上下摆动，在x z 平面的摆动。即在x Y 平面的震动，第即在Z - Y 平面的震动，第即在x z 平面的震动，即在x z 平面的震动。同即在X - Z 平面的震动。同即在x - Y 平面的震动。同囊一_：量誊互暨互坚耋鎏窖堡坌錾兰茎兰至釜鎏誊( 7 ) 第七阶振型图，主要表现为床身的左
93、右摆动，即在x z 平面的震动。同时伴有工作台的的上下摆动，在x - z 平面的摆动。( 8 ) 第八阶振型图，主要表现为立柱的左右摆动，即在x - Y 平面的震动。同时伴有工作台的的前后摆动，在x - Y 平面的摆动。( 9 1 第九阶振型图，主要表现为整机的摆动。( 1 0 ) 第十阶振型图，主要表现为整机的摆动。一般情况下对机构影响最太的第一阶频率，第二阶次之，以此类推。从以上分析来看。前两阶振型是立柱的摆动，也就是安装动力头位置的摆动，这对于加工零件的质量是有很大的影响的，应该尽量的避免该频率段的转速。从下面的各阶模态位移云图中可以更详细的了解，各阶振型的表现。云图圈12 4 第三阶槿
94、态位穆云图图22 5 第四阶模态位移云图。篡l 童箸置。= = = 万意哿意2 m 一。，：= 黔。烹2 二一嚣刀图23 n 第九阶摸恋位移云图根据机床整机的约束模态计算结果圈23 l 第十阶接慧忡移云图同时对整机进行约束模态扩展计算，最终得到了机床整机的前十阶约束模态位移云图，使我们能够更加清楚的了解整机的自由振动情况和整机的刚度分布，从位移云图h 可以看出，机体上振幅值最大的地方，其数值也是锻4 、。所以整机川度较好，没秆出现小面秘的刚度薄弱点，也就是蜕机床原来的| 殳计制地是缈标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择很合理，对于现在的改造也是非常有力的，在机体整体承受能力允许范围内，可以考
95、虑安装更高转速的驱动电机，提高加工效率，充分利用机床资源。另外，从机床的约束固有模态也可以看出，其约束频率数值是比较大，也就意味着机床整体稳定，在安装高转速的驱动电机后，机床仍能稳定的工作，这对于工件加工质量是很大的保障。、2 8 本章小结本章主要是进行了机床的有限元分析。包括三维模型的建立，和简化后的有限元模型。前章提到，由于A N S Y S 软件前处理模块中的几何建模功能不强，无法精确和高效地完成像本课题中机床整机这样复杂模型的建立，故选择建模功能强大的P r o E N G I N E E R I N GW i l d f i r e 2 0 建立三维实体模型，然后通过接口程序导入到A
96、 N S Y S l 0 0 中，建模效率高，模型质量好。为了平衡计算精度和计算规模的矛盾，对实体模型进行了适当的简化处理。利用有限元方法，主要求的了约束条件下机床整机模型的固有模态。对模态计算的基础理论进行了阐述，完成了在A N S Y S 中对整机模型韵模态分析。提取前。十阶影响较大的模态，进行分析。为下一章节电机的选型等工作做好了铺垫。硕十学位论文第3 章基于有限元法模态分析的伺服驱动系统选择3 1 数控改造方案的确定由于该机床机械部分性能良好，各个部件磨损较少，机械精度较高，还能较好地满足机床要求，因此只对机床工作台传动系统进行更换，控制系统包括数控系统、驱动装置、伺服电机进行选择设计
97、。改造选型有两种方案：一是使用F A N U C数控系统；二是选用S I E M E N S 数控系统。考虑到西门子产品结构、性能、使用的延续性，适合于对大型、复杂机床的改造要求；另外，其它机床设备数控系统大部分是西门子产品，因而从设备的维护和备件方面讲，使用西门子数控系统，同时配以西门子的伺服驱动系统是比较合理的。3 2 机床功能及参数介绍T 4 1 6 3 坐标镗床的主要技术参数如下：工作台尺寸( 宽长) ：6 3 0 x 1 - 1 0 0 毫米。最大加工直径( 钻孔) ：4 0 毫米最大加工直径( 镗孔) ：2 5 0 毫米铣刀最大直径：1 2 5 毫米主轴中心线至立柱距离：7 0 0
98、 毫米主轴端面至工作台面距离：2 5 0 8 0 0 毫米工作台荷重：5 8 8 千克主轴最大行程：2 5 0 毫米主轴转速范围：3 2 2 0 0 0 ( 转分)主轴进给量范围：1 7 1 7 0 毫米工作台行程( 纵向) ：1 0 0 0 毫米工作台行程( 横向) ：6 0 0 毫米工作台进给量范围：5 0 4 0 0 毫米分工作台快速移动速度：1 2 0 0 毫米分坐标测量装置：读数精度：O 0 0 1 毫米定位精度：O 0 1 毫米机床电机总容量：4 千瓦主电机：坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择功率：2 千瓦转速：7 0 0 2 8 0 0 转分电压：2 2 0 伏主轴进给电机
99、：功率：0 3 7 千瓦转速：3 0 0 0 转分电压：l1 0 伏工作台移动电机( 两台) ：功率：O 。3 7 千瓦转速：3 0 0 0 转分电压：1 1 0 伏机床重量：5 5 0 0 千克外形尺寸( 长宽高) ：2 3 2 0 2 3 0 0 2 5 8 0 毫米直流电磁铁图3 1T 4 1 6 3 传动系统图主轴的传动由变速箱经齿形带传至主轴而实现。主轴进给传动，由装在主轴箱内的电机经蜗杆、涡轮以及离合器等传动至主轴套，使主轴套筒带动主轴得到进给传动。工作台的传动，是由电动机经蜗轮蜗杆减速带动实现。硕士学何论文3 3 机床固有频率对其改造的影响机床整机模态分析用于确定设计中的结构或机
100、器部件的固有振动特性，它的固有频率和振型是承受动态载荷结构设计的重要参数。模态分析的主要任务是研究没有阻尼的系统的自由振动，特别是确定结构的固有频率，使机床改造人员在选择电机时可以避开这些频率或最大限度的减少对这些频率上的激励，从而消除过度振动或噪音乜引。由固有频率公式：，l = 6 0 x f( 3 1 )式中：n 为转速，单位为r p m ；f 为频率，单位为H z 。根据式( 3 1 ) 得出机床驱动电机临界转速范围，如表3 1表3 I 频率与转速表一般情况下，低阶固有振型要比高阶对机床的振动影响大，由软件分析计算得到的机床固有频率是由低价逐次增加，其对机床的影响是逐次递减的，因此低阶振
101、型对机床各部件的动态特性起决定作用。故在做机床的改造，更换伺服电机时，应尽量避免选择的电机频率太接近机床的固有频率。其电机的选择原则应该是：坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择共振区域I( O 9 1 _ 1 ) t o o共振区域| l( 0 9 1 1 ) q共振区域( 0 9 1 1 ) 厂一 h 1 ， 一、， _ 、llIIIlIlllI图3 2 频率与共振区域图因此由表2 5 数据可计算得共振区域转速范围，如表3 2 ：表3 2 各阶频率共振区域转速范围表3 4 交流伺服电机的选择计算伺服电动机是根据负载条件来选取的。加在电动机轴上的负载主要有两种：负载转矩和负载惯量，其中，负
102、载转矩包括切削转矩和摩擦转矩。负载转矩应小于选择电机的额定转矩，负载转矩与加速度转矩之和应等于所选择电动机的最大转矩。工作台驱动电机的设计计算如下- 删：1 折算到电动机轴上的转动惯量，的选择( 1 ) 负载惯量的计算，在实际工程中，用飞轮转矩G D ；代替转动惯量进行计算。G 谚= 万G D 己+ G D ：i 2( 3 2 )3 4硕十学位论文式中G D 三为折算到电机轴上的总飞轮转矩( m 2 ) ；例写为电动机轴上的飞轮转矩；叫为实际负载飞轮转矩；万= 1 1 一1 2 5 ( 中I 司传动轴越多，值越大) 。若以加速度时间最短为制约条件，则：删= 叫叫( 嘉) 2叫邓嘶吐蒜) 2式中
103、W 为重量( N ) ；A y 为转动半径( m ) 。由飞轮转矩和转动惯量的关系f ：壁。4 9式中以为转动惯量( 堙m 2 ) ；g 为重力( 9 8 聊s 2 )可计算出厶。( 2 ) 负载惯量的选择J N J z 勘z = 案“哦- 4 酣N式中G D 寻为额定飞轮转矩。( 3 ) 额定转矩M 的选择负载转矩M 。计算M L = 翥= 紫式中只为工作台的轴向运动力( N ) ；W 为工作台重量( N ) ；为摩擦因数；( 3 3 )( 3 4 )( 3 5 )( 3 6 )( 3 7 )( 3 8 )坐标铧床的有限元法评估分析及数控系统选择A y 为电动机每转线位移量，A y = B
104、i ，其中B 为丝杠螺距( m m ) ，f 为传动比，汪鳖：，l 电机7 7 为传动效率。根据以上公式，计算得负载及机械传动装置总的转动惯量为厶= 5 3 2 k g c m 2预选电机的转动惯量为厶= 5 8 k g c m 22 对上作台横l 司迸给系统，驱动电机设计计算已知在切削状态下C = = 3 4 8 2 N ，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离三号l O m m ，进给传动系统总效率r = 0 9 ，计算切削负载力矩得：Z ：型：塑! 兰Q ：Q ! N ，l ：6 1 6 N 聊( 3 9 )2 n r 2 3 1 4 0 9。已知在不切削状态下横向进给负载力= 1
105、 4 8 2 N ，计算摩擦负载力矩得：Z 。：型：旦塑N m 二2 6 2 ，l( 3 1 0 )，= 二= 一= Z n Z ，V ，竹I J 1 U ，2 m 72 3 1 4 0 9已知滚珠丝杠螺母副的预紧力c = 专= 1 1 6 0 6 7 ，滚珠丝杠副的基本导程厶= 1 0 m m ，滚珠丝杠螺母副的效率r o = 0 9 4 ，计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩得：弓= 筹( 1 - r 0 2 ) = 器( 1 - 0 9 4 2 ) N m = 0 2 3 9 N 聊( 3 已知机床执行部件以最快运动速度运动时电动机最高转速n m a x = 3 0 0 0 r m
106、i n ，电动机的转动惯量厶= 5 8 k g c m 2 ，负载总惯量以= 5 3 2 堙c m 2 ，进给伺服系统的位置增益取红= 2 0 舷，加速时间t a2 云2 二2 0s = o 1 5 s ，折算到电动机轴上的线性加尼速力矩为：耻意矗( 厶+ 圳1 - - e - k t a )：关缫( 5 8 + 5 3 2 ) ( 1 _ e - 2 0 O 1 5 ) 蟛6 0 9 8 0 0 15、7 。= 2 2 5 6 5 , 泌f = 2 2 1 N o r a( 3 12 13 6硕十学位论文已知加速时间乙= 去= 丽1s = o 。5 s ，折算到电动机轴上的阶跃加速力为：乙=
107、 二塾丛_ ( 厶+ 厶) 6 0一x 9 8 0 t 、。”一。7=黼(58+532)kgf609 8 00( 3 1 3 )= 一X1 I1 -1 5、= 7 1 2 5 8 k g f = 6 9 8 6 N m进给坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩计算：( 1 ) 线性加速时空载启动力矩：乙= ，+ 乃+ 弓= 2 4 9 5 9 N m( 3 1 4 )( 2 ) 阶跃加速时空载启动力矩：乃7 = 乙+ 瓦+ 0 = 7 2 7 1 9 N m( 3 15 )( 3 ) 快进力矩：毛= 毛+ 弓= 2 8 5 9 N m( 3 1 6 )( 4 ) 工进力矩：= 乙+ 弓= 6
108、3 9 9 N m( 3 1 7 )根据以上计算和查西门子系列伺服电动机，可知，选电动机1 F T 6 0 8 1 S P G1 4 0 M F l ；扭矩M d = 5 0 0 N m ，转速N = 3 0 0 0 R P M 。3 机械传动系统的动态分析经过计算滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度K = 3 5 4 3 9 x 1 0 6 m ，滚珠丝杠副和工作台部件等效质量为聊总= 聊工作台+ 聊丝杠，根据所选择丝杠，计算得m 总= 1 0 0 1 2 k g丝杠工作台横向振动系统的最低频率一鲁刮焉茅删忙59 4 9 4 删b( 3 1 8 )肛i2V 1 丽广删朋书舛汐4 删脂u JM可以计算
109、得丝杠的扭转刚度K 。= 1 0 5 8 5 2 3 N m r a d ，折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量以= 3 0 1 k g c 朋2扭转振动系统的最低固有频率= 等= 1 。0 5 。8 。5 3 。2 。3 朋db = 掩7 5 2 8 朋d 瓜( 3 )5 芽2 o 0 0 3 0 l 朋d 佃2 蹦D z 芍朋d 似州坐标铧床的有限元法评估分析及数控系统选抒根据f j i 文，运用有限元法对机床计算出的固有频率，可知，工作台横向振动系统的最低频率和扭转振动系统的最低固有频率都是比较高的，不会对机床的稳定性带来很大影响。完全满足要求。工作台纵向驱动所选电机和横向驱动所选电机
110、型号一样，滚珠丝杠型号同为F F Z D 3 2 1 0 一3 ，只是长度和最大行程有区别。所以同样满足要求。综合机床的理论分析，以及设计计算，选定驱动电机。所选择电机在满足设计计算的前提下，参考模态分析，尽量选择高转速电机，以此提高加工效率。另外，根据模态分析，确定了对机床影响最大的前十阶固有频率，为了避免在机床的运行过程中，机床出现过大的振动情况，应该在机床的调速过程中，避免一些特定的速度段。我们知道坐标镗床是一个高精度的加工机床，高精度的加工要求i就必然对机床的动态性能有更高的要求，这不仅体现在机床静态力学情况下，更需要其动态特性稳定。因此在改造机床的过程中，理论模态的计算是非常必要的前
111、提工作。根据计算，以及选定的数控系统，伺服电动机选用西门子1 F T 6 和1 P H 7 系列交流伺服电动机。工作台X 、Y 方向传动、Z 轴向进给，三轴采用1 F T 6 0 8 1 S P G1 4 0 M F l ；扭矩M d = 5 0 0 N m ，转速N = 4 0 0 0 R P M ；主轴C 采用1 P H 4 1 3 5 F 5 6 伺服电动机，功率是1 2 K W ，转速N = 2 1 0 0 6 7 0 0 R P M 。Y图3 31 F T 6 0 8 1 S P G 简图及主要尺寸图己3 7。一册广吖乒J?。、图3 41 F T 6 0 4 4 一S P G1 0
112、0 M F l 简图及主要尺寸图硕十学位论文根据机床原结构尺寸，所选择驱动电机的主要结构尺寸，应满足原驱动电机安放尺寸，避免了改动原机床的结构。以上所选择的两种型号电机均能满足安装要求。3 5 本章小结本章主要介绍了坐标镗床的基本结构，和驱动原理同时进行了机床驱动系统的选择设计。在前一章节的软件评估分析基础上，对驱动电动机系统，进行了选择计算。驱动系统的选择，综合考虑了机床加工过程中的稳定性、加工能力以及结构尺寸。结合理论分析结果，即有限元分析软件A N S Y S 整机机床固有模态的分析结论，求的机床共振区域，然后根据设计计算公式，两者相结合从而选择更为合理的驱动电机。为机床改造后，机床的整
113、体性能提供保证。同时也为后面章节中，数控系统和伺服驱动系统的选择做好工作。3 9班标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择第4 章机械传动系统的设计计算4 1 机床加工及工作台运动坐标镗床适用于加工相互位置精度很高的孔系，如钻模、镗模和量具。还可以作精密刻度、准确样板的划线，孔距和直线尺寸的测量工作。可进行镗孔、钻孔、扩孔、铰孔和惚孔等机加工。工作台在纵、横坐标方向进给量能无级调速。机床备有万能转台，又可加工极坐标制的孔、斜孔及完成分度工作。该机床坐标定位是采用影屏对线定位，定位元件用金属槽型精密刻线尺，精度很高，能长时间保持机床的坐标定位精确度。工作台支撑在拖板的长滚柱滚动导轨上，导向借助于矩
114、形导轨。滑动导轨磨损后，用镶条调整。机床数控改造后，一般要求机床能在比较高的进给速度下运行，同时要求机床在多轴联动加工时工作平稳，并具有高的定位精度。因此，对进给系统中的机械传动装置要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。目前，数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有滚珠丝杠副、静压蜗杆蜗母条和预加载荷双齿轮齿条三种。4 2 工作台传动系统改造计算原机床加工形式相对单一，改造后的机床希望能具有镗、钻、铣削等功能。原机床的工作台运动是单一的，主要是用来精确定位。改造后的机床具有铣削功能，能实现三轴联动，即X 、Y 、Z 轴，能加工圆弧、凸轮等一些复杂曲面轮廓，所以采用数
115、控系统实现三轴联动控制，工作台横向X 轴、纵向Y 轴以及垂直方向Z 轴分别由伺服电机控制，工作台的X 、Y 方向由滚珠丝杠副拖动。4 2 1 滚珠丝杠副设计计算：机床工作台重量：5 8 8 0 N工件最大重量：4 0 0 0 N工作台行程：横向：6 0 0 m m纵向：10 0 0 m m导轨摩擦系数：0 1 5各种切削方式下，纵向切削力的计算：采用端面铣刀在主轴转速下进行铣削加j 丁j 时，铣刀甑径选择1 2 5 m m 。硕卜学何论文各种切削方式的切削力、速度、时间比例，如表4 1表4 1 各种切削方式的切削力、速度、时间比例表丝杠载荷，导轨摩擦力B = m = 0 1 5 9 8 8 0
116、 = 1 4 8 2 N( 4 1 )各种切削方式下的丝杠载荷应为切削力加摩擦力。最大载荷发生在强力切削时，= 3 4 8 2 N ，一般铣削：F = 2 4 8 2 N ，精铣：F = 1 9 8 2 N ，快移：F = 1 4 8 2 N 。滚珠丝杠副的设计计算：( 1 ) 丝杠的导程和转速：电动机的最大转速为4 0 0 0 r m i n ，取工作时电机的最大转速为3 0 0 0 r m i n ，电动机与滚珠丝杠直联，工作台最大速度为l O m m i n ，丝杠导程1O m m ，丝杠转速：强力铣削：8 0 r m i n ，一般铣削：lO O r m i n ，精细铣削：l2 0
117、r m i n ，快移：3 0 0 0 r m i n 。( 2 ) 当量转速n 川和当量载荷户二：乞2 砰薏志+ 互3 老念+ 互3 薏志+ 层3 罢念c 4 埘| 2 2 3 5 2 3 旦旦+ 1 2 3 5 2 ，塑旦+：，J2 0 21 0 02 0 21 0 07 3 5 2 3 堕旦+ 2 3 5 2 3 2 0 0 _ _ _ 0 0 土1 横向滚珠丝杠计算：( 1 ) 丝杠的长度：丝杠螺纹部分长度，以横向移动计算，工作台最大行程6 0 0 m m ，加螺母长度1 5 0 m m ，加两端余程4 0 m m 。L = 6 0 0 + 1 5 0 + 2 4 0 = 8 3 0
118、m m( 4 3 )初选丝杠为内循环、浮动返回器，双螺母垫片预紧，公称直径d o = 3 2 m m ，E = l O m m ，3 列，3 级精度，型号为F F Z D 3 2 1 0 一3 1 0 0 0 6 0 0( 2 ) 支撑跨距取L = 1 0 0 0 m m( 3 ) 滚珠丝杠临界转速计算直径：d 2 = d o 1 2 p ，= 3 2 1 2 5 3 2 4 = 2 5 6 m m( 4 4 )4 1坐标铧床的有限元法评估分析及数控系统选择滚珠丝杠为两端固定的支撑形式，因此支撑系数为五= 4 7 3 。临界转速计算长度L c ：t = 1 5 0 2 + 6 0 0 + 4
119、0 + T 1 0 0 0 - 8 3 0 = 8 0 0 m m( 4 5 )滚珠丝杠螺母副刚度验算：滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，将引起基本导程的变化，因滚珠丝杠受扭矩时引起的导程变化最小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量舻为：A P = 警( 4 6 )式中E 为弹性模量，对于钢E = 2 0 6 1 0 6 俐2S 为滚珠丝杠截面积( 按丝杠螺纹底径确定，d = 2 7 3 c m ，S ：三2 7 3 2 ：5 8 5 c m 、。47其中，”+ ”用于拉伸时，”一”用于压缩时。则：P = 瓦1 鬲0 2 2 石哂1xl 丽= 8 4 8 x1 0 。6 硎( 4 7 )
120、2 0 6 1 0 0 5 8 5、。丝杠l m 长度上导程变形总量误差蝇为哦：婴肛半8 4 8 1 0 击_ 8 4 8 m( 4 8 )搭p1。、满足3 级精度。滚珠丝杠螺母副临界转速n 的校验Y 方向滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度为L 。= 8 0 0 m m ，其弹性模量E ：2 1 1 0 5 M P a ，已知材料密度p ：土7 8 10 5N mm3 ，重力加速度gg = 9 8 x1 0 3 m m s 2 ，安全系数K = O 8 ，查机械手册得与支撑有关的系数名= 3 9 2 7 。滚珠丝杠的最小惯性矩为，：三刃：坐2 5 6 4 m 所42 1 0 7 2 1 8 m
121、m 4( 4 9 )6 4 6 4滚珠丝杠的最小截面积为硕士学何论文彳= 三西= 半2 5 6 2 聊m 25 1 4 4 6 m m 2( 4 1 0 )根据临界转速计算公式的肛尺。器层：o 8 墼堂三! 粤：! 璺型，m i n( 4 1 1 )2 3 1 4 8 0 0 2 f7 8 1 0 一5 1 4 4 6、= 6 0 5 3 r m i n工作台Y 方向滚珠丝杠螺母副的最高转速为3 0 0 0 r m i n ，远小于其临界转速，故满足要求。2 纵向滚珠丝杠计算：。( 1 ) 丝杠的长度：丝杠螺纹部分长度，以纵向移动计算，工作台最大行程1 0 0 0 m m ，加螺母长度1 5
122、0 m m ，加两端余程4 0 m m 。L = 1 0 0 0 + 1 5 0 + 2x 4 0 = 1 2 3 0 m m( 4 1 2 )初选丝杠为内循环、浮动返回器，双螺母垫片预紧，公称直径如兰3 2 m m ，兰1 0 m m ，3Y 0 ，3 级精度，型号为F F Z D 3 2 1 0 - - 3 1 3 0 0 - 1 0 0 0( 2 ) 支撑跨距取L = I3 0 0 m m( 3 ) 滚珠丝杠临界转速计算直径：d E = d o 一1 2 D w = 3 2 1 2 5 3 2 4 = 2 5 6 m m( 4 1 3 )滚珠丝杠为两端固定的支撑形式，因此支撑系数为Z =
123、 4 7 3 。临界转速计算长度L c丘= 半+ 1 0 0 0 + 4 0 4 1 3 0 0 r - 1 2 3 0 - 1 1l 。聊聊( 4 1 4 )滚珠丝杠螺母副刚度验算：滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，将引起基本导程只的变化，因滚珠丝杠受扭矩时引起的导程变化最小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量P 为：P _ 警( 4 15 )式中E 为弹性模量，对于钢E = 2 0 6 1 0 6 c m 2S 为滚珠丝杠截面积( 按丝杠螺纹底径确定，d = 2 7 3 c m ，4 3坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择S ：手2 7 3 2 ：5 8 5 c m )4其中，”
124、+ ”用于拉伸时，”一”用于压缩时。则：A P = 三煞= 8 4 8 - 。巧c m(416)2060lo 5 8 5、丝杠l m 长度上导程变形总量误差屹为哦= 警肛半x 8 4 8 x 1 0 击= 8 4 8 u 聊( 4 1 7 )满足3 级精度。滚珠丝杠螺母副临界转速n 的校验x 方向滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度为t = 111 0 m m ，其弹性模量E = 2 1 1 0 5 M P a ，已知材料密度p = 一1 7 8 l0 。5N mm3 ，重力加速度。g g = 9 8 x 1 0 3 m m s 2 ，安全系数K 。= O 8 ，查机械手册得与支撑有关的系数名=
125、3 9 2 7 。滚珠丝杠的最小惯性矩为，：昙爵：娑2 5 6 。m 垅。2 1 0 7 2 1 8 聊，z 4( 4 1 8 )6 4”6 4滚珠丝杠的最小截面积为4 = 三簖= 半2 5 6 2 耐- 5 1 4 4 6 耐( 4 1 9 )根据临界转速计算公式的肛K ，篆居：o 8x 型一n 丝坐翌翼型塑坠堡厂m i n ( 4 2 0 )2 3 1 4 l11 0 2 7 8 1 0 3 5 1 4 4 6= 3 1 4 4 r m i n工作台X 方向滚珠丝杠螺母副的最高转速为3 0 0 0 r m i n ，小于其临界转速，故满足要求。目前，高速切削机床上实现高速迸给运动主要有两种
126、途径，采用大导程滚珠丝杠传动和直线电动机传动。由于直线电动机价格昂贵、控制系统复杂、强磁对人体有危害等缺点，所以，现在应用比较广泛的还是滚珠丝杠副传动。目前，国内外大部分的高速加工中心，都是采用滚珠丝杠驱动。硕士学位论文本机床因为原来精度就相对较高，机床的稳定性，经理论分析也是很好的。所以考虑安装速度较高的驱动电机。原工作台的传动系统不能满足要求，所以选择了传动精度较高的滚珠丝杠副。X 方向进给系统的滚珠丝杠副，采用三点式支撑形式，伺服电动机的布置，可放在丝杠的任一端，由联轴器联接。保留原机床工作台的长滚柱滚动导轨，只是Y 向进给动力是经滚珠丝杠副由电机驱动。Y 方向进给系统的伺服驱动电机，根
127、据所选电机外形尺寸，可以安装在原X方向进给驱动电机的位置处。滚珠丝杠副也采用三点式支撑形式。工作台进给机构简图如下：图4 1 坐标镗床工作台进给机构简图1 1 F T 伺服电动机；2 一联轴器；3 滚珠丝杠副；4 工作台5 一工件坐标镗床改造后控制结构简图：4图4 2 坐标镗床改造后控制结构简图4 5坐标铧床的有限元法评估分析及数控系统选择4 3 本章小结机床进给系统的精度、速度等是机床加工能力的体现，本章根据所改造坐标镗床的实际情况，对工作台的传动系统进行了设计计算。根据计算选择了满足要求的滚珠丝杠副。保留了原机床的滚动导轨结构，根据机床的实际情况，设计了工作台X 、Y 方向驱动电机的安装位
128、置。本机床其它机械结构因为年代久远，现在也基本趋于稳定，这对于对改造后机床较高的加工要求是有利因素，所以其他机构就尽量不作改动。4 6硕十学位论文第5 章数控系统及驱动系统的选择5 1 典型数控系统介绍与比较国际上，德国S I E M E N S 和日本F A N U C 公司在数控系统方面占据着主导地位。西班牙的F A G O R 、法国的N U M 也占有一席之地n ，4 2 14 4 7 4 引。1 F A N U C 数控系统F A N U C 公司目前生产的C N C 装置有F 0 F 1 0 F 1 1 F 1 2 F 1 5 F 1 6 F 1 8 1 系列。F 0 0 F 1
129、0 0 F 1 2 0 F 1 5 0 是在上系列的基础上加了M M C 功能，即C N C 、P M C 、M M C三位一体的C N C 装置。F A N U C 公司数控系统的产品特点为：( 1 ) 结构上长期采用大板结构，但在新的产品中已采用模块化结构。( 2 ) 采用专用L S I ，以提高集成度、可靠性，减少体积和降低成本。( 3 ) 产品应用范围广。每一C N C 装置上可配多种控制软件，适用于多种机床。( 4 ) 不断采用新工艺、新技术。如表面安装技术S M T 、多层印刷电路板、光导纤维电缆等。( 5 ) C N C 装置体积减少，采用面板装置式、内装式P M C ( 可编程
130、序机床控制器) 一。( 6 ) 在插补、加减速、补偿、自动编程、图形显示、通信、控制和诊断方面不断增加新的功能。插补功能：除直线、圆弧、螺旋线插补外，还有假想轴插补、极坐标插补、圆锥面插补、指数函数插补、渐开线插补、样条插补等。切削进给的自动加减速功能：除插补后直线加减速，还有插补前加减速。补偿功能：除螺距误差补偿、丝杠反向间隙补偿外，还有坡度补偿、线性度补偿，以及各种新的刀具补偿功能。故障诊断功能：采用人工智能，系统具有推理软件，以知识库为根据查找故障原因。( 7 ) C N C 装置面向用户开放的功能。以用户特定的宏程序、M M C 等功能来实现。( 8 ) 支持多种语言显示。如日语、英语
131、、德语、汉语、意大利语、法语、荷兰语、西班牙语、瑞典语、挪威语、丹麦语等。( 9 ) 已推出M A P ( 9 1 造自动化协议) 接口，使C N C 通过该接口实现与上一级计算机通信。F A N U C 数控系统之间比较如表5 14 7坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选抒表5 1F A N U C 数控系统比较F A N U C 公司C N C 系统平均故障率见表5 2表5 2F A N U C 数控系统故障率表2 S I E M E N S 数控系统S I N U M E R I K的C N C数控装置主要有：S I N U M E R I K 3 8 8 lO 8 2 0 8 5 0
132、 8 8 0 8 0 5 8 4 0 系列。其主要特点如下：( 1 ) 采用模块化结构设计，模块由多层印刷电路板制成，经济性好。在一种标准硬件上配置多种软件，使它具有多种工艺类型，满足多种机床的需要，并成为系列产品。每一系统都有适合不同加工需要的型号。随着微电子技术的发展，更多的采用L S I 、S M D ( 表面安装部件) 及先进加工工艺。所以新的C N C 装置结构更紧凑，性能更佳，价格更便宜。( 2 ) 优良的机床使用性。具有与上级计算机通信的功能，易于进入F M S 。高的进给速度保证了机床的最充分利用，位置控制回路具有很高的分辨率，即使在很高的进给速率下，仍能保证很好的表面加工质量
133、。中央C P U 速度控制可以实现最短的加速度及制动。( 3 ) 编程简单，操作方便。采用S I M A T I CS 5 系列P L C 或集成式P L C ，用S T E P 5编程语言，具有丰富的人机对话功能、小数点计数法、绝对尺寸和增量尺寸编程t o _ O r1 于o( 4 ) 调整时间短，调试方便。直接在机床上编辑修改加工程序，高进给率模拟运行，可设置零点偏置、刀补等参数。在显示器上显示机床报警信息、进给和测量电路数字化，使设置功能变得更简单，且具有接口诊断。( 5 ) 数据传输采用R S 2 3 2 C 串行接口或2 0 m A 电流环接口。( 6 ) 对位移测量系统、驱动装置、
134、主轴、温度、电压( 欠压、过压) 、微处理器、数据传输系统，以及用户程序存储器实行监控，其次P B C 数嚣少、结构紧凑、运4 8硕：卜学伶论文行可靠。8 5 0 8 8 0 系统是西门子2 0 世纪8 0 年代末期开发的高自动化水平的机床及柔性制造系统，具有机器人功能。适合高功能复杂机床F M S 、C I M S 的需要，是一种多C P U 轮廓控制的C N C 系统。8 4 0 C 系统是西门子公司的超级全功能数控系统，最多可以控制3 0 个轴( 其中最多6 个主轴) ，具有5 轴联动、蓝图编程、三维图形模拟、6 个C N C 通道、多C P U 、网络接口功能，P L C 为功能强大的
135、P L C l 3 5 W B 2 ，可控制模拟驱动、数字驱动或者两者混合控制，特别适合于高级复杂数控系统的改造，是适用于全功能数控车床、铣床和加工中心，以及F M S 、C I M S 的轨迹控制的模块微处理C N C 系统。8 4 0 D 系统是西门子公司新一代C N C 系统。它能在N C 上直接进行P L C 编程，并与F A N U C - 程序格式兼容，用户界面友好。系统能提供两种语言选择。采用模块化设计，服务界面友好。整个C N C 缩小为单个模块。5 2 数控系统选择分析本次改造的机床型号T 4 1 6 3 立式坐标镗床。通过对被改造机床的结构、性能、精度等进行全面分析，该机床
136、的基础部件和结构件完好。现要将其主轴升降z 轴、工作台的X 、Y 轴和旋转工作台的B 、w 轴的进给运动改为数控系统控制，实现三轴联动。在选择数控系统方面，要特别注意：一要尽量向一个著名厂家的型号系列靠拢。这样既有利于维修和管理，也利于备件的购买。二要清楚所选厂家在国内的维修服务状况，以免将来后患无穷。目前，西门子适用于大型机床全闭环控制系统的型号主要有：8 4 0 D ，8 4 0 C 和8 1 0 D 。8 1 0 D 最多只能控制5 个轴，不能满足该机床改造中伺服轴控制的要求。8 4 0 C和8 4 0 D 最多可以控制3 1 轴，这两种型号都可满足控制要求。8 4 0 C 是西门子公司
137、的超级全功能数控系统，特别适合于高级复杂数控系统的改造，相应报价也较8 4 0 D 高。而8 4 0 D 的模块化结构设计特别适合于卧式加工中心、龙门键铣等机床控制要求，从发展趋势看，该系统已进入成熟期，现己成为西门子公司高档系统中的主流机型。因此，最终选择西门子S I N U M E R I K8 4 0 D 数控系统和与之配套的S I M O D R I V E6 1 1 D 数字式交流驱动装置。5 2 1 西门子S I N U M E R I K8 4 0 D 数控系统的特点西门子8 4 0 DC N C 系统是德国西门子公司近年来推出的功能强大的数控系统，与其他C N C 系统相比，其
138、内部结构和操作界面都有了极大的改变，西门子S I N U M E R I K8 4 0 D 是丌放式的具有高度的模块化以及规范化的数控系统，具有在运行状态就可以通过R S 2 3 2 接口与P C 或西门子专用P L C 编程器进行数据通讯的能4 9坐标铧床的有限元法评估分析及数控系统选择力H 2 。44 J 。其功能特点如下：( 1 ) 控制类型。采用3 2 位微处理器，实现C N C 控制，可完成C N C 连续轨迹控制以及内部集成式P L C 控制。( 2 ) 机床配置。最多可控制3 1 个轴( 最多3 1 个主轴) 。其插补功能有样条插补、三阶多项式插补、控制值互联和曲线表插补，这些功
139、能为加工各类曲线曲面类零件提供了便利条件。此外还具备进给轴和主轴同步操作的功能。( 3 ) 操作方式。操作方式主要有A U T O M A I C ( 自动) 、J O G ( 手动) 、T E A C HI N ( 交互式程序编制) 、M D A ( 手动过程数据输入) 。( 4 ) 轮廓和补偿。8 4 0 D 可根据用户程序进行轮廓的冲突检测、刀具半径补偿的接近和退出及交点计算、刀具长度补偿、螺距误差补偿和测量系统误差补偿、反向间隙补偿、过象限误差补偿等。( 5 ) 安全保护功能。数控系统可通过预先设置软极限开关的方法，进行工作区域的限制，当超程时可以触发程序进行减速，对主轴的运行还可以进
140、行监控。( 6 ) N C 编程。N C 编程符合D I N 6 6 0 2 5 标准，具有高级语言编程特色的程序编辑器j 可进行公制、英制尺寸或混和尺寸的编程，程序编程与加工可同时进行，系统具备1 5 兆字节的用户内存，用于零件程序、刀具偏置、补偿的存储。( 7 ) P L C 编程。集成S 7 3 0 0 ，P L C 程序和数据内存可扩展N 2 8 8 K B ，I O 模块可扩展至U 2 0 4 8 个输入输出点，P L C 程序可以极高的采样速率监视数字输入，向数控机床发送运动停止启动命令。( 8 ) 操作部分硬件。8 4 0 D 系统提供有标准的P C 软件、硬盘、奔腾处理器，用户
141、可在W i n d o w 9 8 2 0 0 0 下开发自定义的界面。此外，2 个通用接口R S 2 3 2 可使主机与外设进行通信，用户还可通过磁盘驱动器接口和打印机并行接口完成程序存储、读入及打印工作。( 9 ) 数据通信部分。8 4 0 D 系统配有R S 2 3 2 T T Y 通用操作员接口，加工过程中可同时通过通用接口进行数据输入输出。此外，用P C I N 软件还可以进行串行数据通讯，通过R S 2 3 2 接口可方便地使8 4 0 D 与西门子编程器或普通的个人电脑连接起来，进行加工程序、P L C 程序、加工参数等各种信息的双向通讯。用S I N D N C 软件可以通过标
142、准网络进行数据传送，还可以用C N C 高级编程语言进行程序的协调。( 1O ) 轴优化调试部分。在M M C l0 3 上直接使用”S t a r t u p t o o l ”软件对轴的速度环、位置环进行优化特别方便。系统也可以在M M C l0 2 或安装在P G 7 4 0 上可以选择轴优化软件”I B N T O O L ”对各轴的速度环、位置环进行优化，代替了以前通过示波器来观察驱动带电动机和负载时的阶跃响应。尽管其他数控系统生产厂家近年来也相继推出了一些与西门子8 4 0 D 功能结构相当的数控系统，但考虑到大多机床采用西门子数控系统，对西门子系列C N C 系统的构成、硬件设置
143、及P L C 的开发应用等方面都已经有了相当的经验，这将有利于硕十学位论文本课题研究的顺利进行。同时，采用同系列的C N C 系统，相同或相似的各种硬件设备，也极大地减轻了今后对机床保养维护的各种负担。因此确定了采用西门子8 4 0 D 数控系统与西门子6 1 1 D 伺服驱动模块及西门子S 7 3 0 0 P L C 模块构成的全数字数控系统。5 3 伺服系统的选择高性能的伺服系统为高速加工提供了保障，同时也要求执行元件具有高精度、高的快速响应性能、较宽的调速范围、大扭矩等特点。执行元件将信号转换为机械运动，是伺服系统中重要组成部分，其性能将直接影响机床加工质量。在数控机床中，伺服系统按使用
144、场合可分为进给伺服系统和主轴伺服系统。1 对进给伺服电动机的要求( 1 ) 调速范围宽和低速平稳性。要求速比应大于1 ：1 0 0 0 0 ，速度低达0 1 r m i n时无爬行。( 2 ) 负载特性要硬。要求即使在低速时也具有大的负载能力和过载能力。( 3 ) 反应速度快。保证电动机在0 2 s 以内从静止启动，升速到1 5 0 0 r m i n 。( 4 ) 可频繁启动、制动和反转。2 对主轴伺服电动机的要求( 1 ) 根据各种不同要求，能在一定范围内保持恒转矩或恒功率输出，调速范围在1 ：1o o 一10 0 0 为恒转矩，在1 ：10 为恒功率。经功率放大后，约在2 2 2 5 0
145、 k w范围内。( 2 ) 具有一定的过载能力，为额定值的1 2 一1 5 倍，过载时间为几分钟至三十分钟。( 3 ) 电动机体积小。( 4 ) 电动机温升要低，振动与噪声要小。5 3 1 西门子61 1 一D 伺服系统西门子6 1 1 D 伺服系统是西门子公司为数控机床研制的一种交流数字变频调速伺服系统。它采用模块式结构，由一个主电源模块及各轴的控制模块组成。电源模块为每个轴控制模块提供直流母线电压，并监控各控制模块的运行。控制模块则根据N C U 的指令驱动各轴电机以某一速度运行或停止n 一3 例。其组成主要为：( 1 ) 电源模块。电源模块是提供驱动和数控系统的电源，包括维持系统正常工作
146、的弱电和供给功率模块用的6 0 0 V 直流电压。根据直流电压控制方式，它又分为开环控制的U E 模块和闭环控制的I R 模块，U E 模块没有电源的回馈系统，其直流电压正常时为5 7 0 V 左右，而当制动能量大时，电压可高达6 4 0 多伏。I R 模块掣标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择的电压一直维持在6 0 0 V 左右。( 2 ) 控制模块。控制模块实现对伺服轴的速度环和电流环的闭环控制。( 3 ) 功率模块。对伺服电机提供频率和电压可变的交流电源。( 4 ) 监控模块。主要是对电源模块弱电供电能力的补充。( 5 ) 滤波模块。对电源进行滤波作用。( 6 ) 电抗。对电压起到平稳
147、作用。控制原理图如下图：工作台图5 16 1 1D 控制原理图5 4 数控系统与伺服驱动系统总成本机床改造选用的核心控制系统为：S I N U M E R I K8 4 0 D 与S I M O D R I V E6 1 1 D伺服驱动模块及西门子S 7 - - 3 0 0 P L C 模块构成的全数字数控系统，能够实现钻削、镗削、铣削等数控功能。驱动单元6 1 1 D 由功率模块和控制模块组成。X 、Y 、Z 、B 、W 五个数控伺服轴的控制模块都是全数字控制模块。x 、Y 、z 的功率模块是2 4 5 2 A ，B 、W 轴功率模块为1 8 3 6 A ，主轴C 功率模块为7 0 1 4
148、0 A 。位置反馈元件主要是直光栅、圆光栅和增量式位置编码器。X 、Y 、Z 三个直线轴的位置反馈元件是选用L B 3 2 6 直光栅( 栅距O 0 2 m m ) ，C 、B 、W 三个旋转轴的位置检测反馈元件6 F X 2 0 0 1 3 G B 0 2 ( 1 0 2 4 脉冲) 编码器。速度反馈元件使用的是伺服电动机内部集成的增量式光电编码器。5 4 1 硬件连接T 4 1 6 3 坐标镗床共有六个伺服轴( 包括主轴) ，这套系统可以实现X 、Y 、Z 三轴联动，进行镗、铣加工。8 4 0 D 、6 11D 以及和外围设备的连接，如图5 2 所示。其中电源模块向N C U 提供2 4
149、V 工作电压，也向6 1lD 各驱动轴模块提供6 0 0 V 直流电压。电源模块上X 3 5 1 端口通过N C U 模块上X 17 2 端口和各驱动模块上X 15 1 、硕十学位论文X 3 5 l 端口将各模块的系统数据控制总线连接起来。N C U 上X 1 3 0 端口是电动机驱动器6 l l D 的输入输出扩展端口，通过扁平电缆将驱动总线与各个驱动模块连接起来，对各个伺服电动机进行控制。N C U 上的X 1 0 1 端口通过一根M P I 电缆与N C U连接，X 1l l 端口与P L C 的I M 3 6 1 接口模块连接，X l2 1 端口接手轮。x 11 1 接P L C 的I
150、 M 3 6 15 5 本章小结图5 28 4 0 D 、6 11 D 的连接，以及和外围设备的连接图本章主要进行了机床的数控系统以及电机驱动伺服系统的选择。对一些典型的数控系统、伺服驱动系统进行了阐述，根据本课题所改造机床的实际情况，选择了西门子S I N U M E R I K8 4 0 D 数控系统。简单介绍了与西门子S I N U M E R I K8 4 0 D数控系统同系列的伺服驱动系统，以及此系统与其他数控系统的比较。同时选择了西门子6 1 1 D 伺服系统，作为本次改造机床的电机驱动系统。最后本章简要说明了，数控系统、以及伺服驱动系统的连接。对于一台机床的数控改造，为了满足改造
151、后的加工精度，以及机床的自动化程度，数控系统和伺服驱动系统合理的选择是非常重要的。牮标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择总结与展望本文针对兰州理工大学机电工程学院制造技术基础实验室的l9 7 9 年昆明机床厂生产的单柱坐标镗床( T 4 16 3 ) ，利用率低，自动化情况简单的状况，结合国内外数控系统和伺服系统的发展现状，在机床改造的评估方法上做了一些有意义的工作。1 在评估方面，利用有限元方法，依托于大型有限元软件A N S Y S ，对机床整机进行了模态分析，得出以下主要结论。依据所得模态结果，结合振动理论，选择合适的驱动电机。( 1 ) 建立机床整机有限元模型时，在不影响计算精度的情
152、况下去除一些不必要的结构，尽量减少实体上的一些细小结构，对局部结构进行了一些必要的简化；运用P r o E N G I N E E RW i l d f i r e 2 0 三维设计软件对整机进行几何模型的简化，机床部件通过接口或者文件导入有限元分析软件A N S Y S 中，把三维软件建立的几何模型转化为A N S Y S 中的有限元模型，在A N S Y S 中对完成的装配体各个部件之间的接触面进行处理；在划分网格时应在保证计算精度的同时，尽量减少网格数量，网格划分采用自适应网格划分。( 2 ) 对整机的模态进行分析，得出整机的固有频率和振型，同时根据模态位移云图和模态数值的分析，可知整机
153、结构稳定，改造的价值较大。提取了对机床影响较大的低十阶的模念，并依据振动理论，计算出了各阶模态下，电动机的临界转速，和发生共振的速度范围。为后续的机床改造提供了理论依据。( 3 ) 在前面理论评估结论的基础上，本着提高机床加工效率、扩展机床加工范围的目的，在保证加工质量、机床稳定的基础上，选择了比原机床转速更高的驱动电机和功能强大、能实现多轴控制的数控系统以及配套的伺服驱动系统。2 进一步的工作由于在机床整机有限元模型的建立，网格划分，结合面的处理，分析等方面涉及很多的内容，受经验、知识面和能力的限制，本文的分析还不准确和完善。另外，机床的前期评估工作还包括可靠性、可维修性、先进性和经济性等方
154、面的评估。本文只是就可靠性，提出了一种利用先进分析技术对机床评估的方法。本课题完成了工作台进给系统的设计计算，数控系统、伺服驱动系统、驱动电机的选型工作。本文还存在很多的不足之处，需要进一步的完善：( 1 ) 机床的整机分析，床身和移动工作台等部件结合面的处理还需要仔细研究，对整机一些细节的地方的简化省略还需要进一步的推敲分析。( 2 ) 在分析的过程中，只进行了模态分析，其他的一些像疲劳、谐响应等方面的分析还没有涉及。为了提高更准确的评估结果，全面的分析是必要的。5 4硕士学位论文( 3 ) 机床的数控改造工作，包括数控系统的选型、伺服驱动系统的选择等，主要考虑了功能方面的因素，至于经济性等
155、方面考虑较少。还需要更进一步的研究。由于各种条件的限制，本文所分析结果的可靠性和精确性还无法进行实验验证和考察。同时为了便于分析，对模型的简化和约束情况都按最理想的情况进行设定的，这与实际情况有一定的出入。但是本文对有限元评估方法在机床数控改造方面的应用研究还是有一定的参考价值的，为将来机床改造的进行，提供了一种全新的评估方法。华标锋床的有限元法评估分析及数控系统选择参考文献 1 罗永顺主编机床数控化改造技术 M 】北京：机械工业出版社2 0 0 7 2 张宪栋，基于F E M 的数控机床结构部件静动态设计研究 D 硕士学位论文 天津：天津大学2 0 0 5 3 钟闻斌龙门式钻镗床数控化改造的
156、研究 D 】 硕士学位论文 西安：西北工业大学2 0 0 0 4 唐永祥M C l 6 0 0 I - 式镗铣加工中心数控系统改造 D 硕士学位论文 西安：西安交通大学。2 0 0 3 5 李玉兰J B N C 3 2 0 C 7 5 0 型数控车床数控化改造设计【D 硕士学位论文 北京：北京工业大学2 0 0 4 6 黄新宇数控技术在机床改造中的应用【D 】 硕士学位论文 武汉：华中科技大学2 0 0 3 7 李杰管子车床的数控改造设计 D 】 硕士学位论文 沈阳：沈阳工业大学2 0 0 3 8 侯再强B F T l 3 0 i 式镗铣床数控系统改造 J 】机床电气2 0 0 5 ( 5 )
157、 - 1 6 - 1 8 9 王绍胜数控机床翻新改造计划及实施技术研究 D 】 硕士学位论文 北京：北京航空航天大学2 0 0 0 1 0 朱春霞，基于有限元的3 T P T 并联机床结构特性研究 D 沈阳：东北大学2 0 0 6 1 1 S a e e dM o a v e n i ，F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i s ：T h e o r ya n dA p p l i c a t i o nw i t hA N S Y S ，T h i r dE d i t i o n I S B N9 8 7 - 7 1 2 1 - 0 5 6 6 3 5
158、1 2 G Q C a i ，Q M W a n g ，M H ue ta 1 As t u d yo nt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fa3 - D O F p a r a l l e lm a c h i n et 0 0 1 M a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，2 0 01 ，1 ll ：2 6 9 2 7 2 13 H w a n gC h u n g ，J a c kC H ，W uT e n g - S h a n g ，e ta 1 F r
159、a m e w o r kf o ri n t e g r a t e dm e c h a n i c a ld e s i g na u t o m a t i o n J 】C o m p u t e rA i d e dD e s i g n ，2 0 0 0 ，3 2 ( 5 ) ：3 5 5 3 6 5 1 4 高秀华，张小江等，有限单元法原理及应用简明教程 M 】北京：化学工业出版社2 0 0 8 1 5 黄国权，有限元法基础及A N S Y S 应用 M 北京：化学工业出版社2 0 0 6 1 6 任重，A N S Y S 实用分析教程【M 】北京：北京大学出版社2 0 0 3
160、 17 龚曙光，A N S Y S 基础应用及范例解析 M 北京：机械工业出版社2 0 0 3 1 8 易日，使用A N S Y S 6 1 进行结构力学分析 M 北京：北京大学出版社2 0 0 2 1 9 李世国，P r o E N G I N E E RW I L D F I R E 中文范例教程 M 】北京：机械工业出版社2 0 0 4 2 0 刘治波，禹宏云，P r o E 、A D A M S 与A N S Y S 在虚拟i 殳计中的联合应用【J 】机械5 6硕十学位论文工程与自动化2 0 0 8 ( 2 ) 4 8 - 4 9 2 1 覃文洁，左正兴，刘玉桐等机床整机的动态特性分析
161、【J 机械设计2 0 0 0 ( 1 0 ) ：3 4 3 6 2 2 王学林，徐岷，胡于进机床模态特性的有限元分析 J 】机床与液压2 0 0 5 ( 2 ) ：4 8 5 0 2 3 朱春砚，朱立达，蔡光起基于有限元的并联机床整机静力特性分析【J 机械制造2 0 0 7 ( 1 ) 4 5 2 4 丁洪生，李金泉，付铁B K X I 型并联机床的准静力分析 J 机械设计与研究2 0 0 2 ( 3 ) 3 9 4 2 2 5 葛云，张立平，王卫兵，王磊基于A N S Y S 的数控车床床身的动态特性分析 J 】计算机应用技术2 0 0 8 ( 2 ) ：3 0 3 2 2 6 陈光忠，文求
162、实C A 6 1 4 0 床身动态特性的F E A 应用 J 】机械，2 0 0 5 ( 3 ) ：1 5 1 8 2 7 倪晓宇，易红机床床身结构的有限元分析与优化【J 制造技术与机床，2 0 0 5 ( 2 ) ：3 4 - 3 6 2 8 倪向阳龙门加工中心结构动力学建模与优化设计研究 D 】- 硕士学位论文 南京：东南大学2 0 0 5 2 9 刘加亮，李庆龄，赵永生基于A N S Y S 的并联机床驱动分支模态分析 J 】机电工程技术2 0 0 8 ( 5 ) ：2 7 2 9 3 0 戴磊，关振群等机床结构三维参数化形状优化设计 J 机械工程学报2 0 0 8 ( 5 ) ：1 5
163、 2 - 1 5 9 3 1 袁松梅，林继杰，刘强数控机床整机有限元分析 J 机床与液压2 0 0 8 ( 4 ) ：1 7 - 1 8 3 2 林士龙，李景奎，张锴锋基于A N S Y S 的机床主轴有限元分析 J 机械设计与制造2 0 0 7 ( 5 ) ：9 1 9 2 3 3 李景奎，直线滚动导轨结合面对机床动态特性影响的研究 D 】 硕士论文 沈阳：东北大学2 0 0 6 3 4 袁安富，郑祺，基于A N S Y S 的机床模态分析 J 机械2 0 0 8 ( 8 ) 17 1 18 1 3 5 龚曙光，A N S Y S S E 程应用实例分析 M 北京：机械工业出版社2 0 0
164、3 3 6 刘涛，杨风鹏，精通A N S Y S M 北京：清华大学出版社2 0 0 1 3 7 R a J e e vS 1 V ib r a t i o na n a l y s i so fm a c h i n et o o ls t r u c t u r e C 】1 VI I II n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nR e c e n tA d v a n c e si nS t r u c t u r eD y n a m i c s ，S o u t h a m p t o n ，J u l y2 0 0 3 3 8 M
165、 o a v e n iS F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i s - T h e o r ya n dA p p l i c a t i o nw i t hA N S Y S M B e i j i n g ：P u b l i s h i n gH o u s eo fE l e c t r o n i c sI n d u s t y ，2 0 0 3 4 3 4 3 9 傅中裕，杨晓京，A N S Y S 的丝杠模态分析 J - 机械制造与研究2 0 0 4 ，3 3 ( 6 ) ：3 7 3 9 4 0 范超毅，赵天婵等，数控技术课程设计 M
166、 】武汉：华中科技大学出版社2 0 0 6 5 7坐标铧床的有限元法评估分析及数控系统选择 4 1 夏田，数控加工中心设计 M 】北京：化学工业出版社，2 0 0 6 4 2 S I E M E N SS I N N U M E R I K8 4 0 D 8 4 0 D iS p e c i a lF u n c a i o n s 4 3 S I E M E N SS I N N U M E R I K8 4 0 D S I M O D R I V E6 1ld i g i t a li n s t a l l a t i o na n ds t a r t - u pG u i d e10
167、 ，2 0 0 0E d i t i o n 4 4 S I E M E N SS I N N U M E R I K8 4 0 D 8 4 0 D F M N C 61 1DL i s t s M G e r m a n ：S i e m e n s2 0 0 0 4 5 王绍胜，数控机床翻新改造计划及实施技术研究 D 硕士学位论文 北京：北京航空航天大学2 0 0 0 4 6 杨丽，冯志成机床数控化改造探【J 】机电产品开发与创新2 0 0 7 ( 3 ) ：16 8 - 16 9 4 7 S I M A T I CS 7 2 0 0P r o g r a m m a b l eC o n
168、 t r o l l e r ，S y s t e mM a n u a l ，S I E M E N S A G ，19 9 9 4 8 J a c b o s F R o b e r ta n dM a t h i e s o n ，K i e r a n R u l e b a s es y s t e mt og e n e r a t eN Cp r o g r a mf r o mC A De x c h a n g e C o m p u t e r s&I n d u s t r i a lE n g i n e e r i n gv 0 1 2 0 ，N o 2 ，l9 91
169、 4 9 周长城，胡仁喜，熊文波编著A N S Y S l1 O 基础与典型范例 M 北京：电子工业出版社2 0 0 7 5 8硕士学位论文致谢值此论文完成及研究生生活结束之际，谨向我的导师欧阳林子教授致以崇高的敬意和衷心的感谢! 在整个论文的完成过程中，欧阳老师始终给予我宝贵的意见和严格的要求，在论文选题、开题思路、论文定稿各环节中都给了我有力的支持和指导。欧阳老师渊博的知识，敏锐的思维，高度的责任感，求实的科研态度，严谨的治学风范，平易近人的生活作风给我留下了深刻的印象，并将使我受益终身。在本论文完成过程中，兰州理工大学机电工程学院制造技术基础实验室乔老师在我机床建模阶段给予了一定帮助；同时0 7 级研究生同学孙明星、兰超也给予了我多方面的帮助，提出了很多宝贵的意见。在此对他们表示真心的感谢!最后特别感谢我的家人，在多年的求学过程中，他们始终如一给予我精神的鼓励和物质的帮助，这份情这份意，我将铭记终生!坐标铧床的有限元法评估分析及数控系统选择附录A ：攻读学位期间所发表的学术论文 1 张朋，欧阳林子P r o E 、A D A M S 和A N S Y S 之间数据交换方法 J 】机床与液压。2 0 1 0 , 6 2 孙明星，欧阳林子，张朋实验井架的有限元分析和实验测试 J 】- 科学技术与工程2 0 0 9
