基于ABAQUS的龙门五面加工中心动态特性分析汇总.docx
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基于ABAQUS的龙门五面加工中心动态特性分析汇总
2008年2月第36卷第2期
机床与液压
MACHINETOOL&HYDRAULICS
Feb12008
Vol136No12
收稿日期:
2007-04-06
基金项目:
国家高技术研究发展计划（863项目（2005AA424220;北京航空航天大学数字化设计与制造北京市重点实验
室共建项目
作者简介:
王延忠（1963—,男,北京航空航天大学教授,博士生导师,博士,从事机械传动方向研究,承担、参加完成
国家、省部级课题20余项,已发表论文20余篇。
电话:
133********。
基于ABAQUS的龙门五面加工中心动态特性分析
王延忠1
周元子1
刘强1
徐屹2
刘景袆
3
（11北京航空航天大学机械学院,北京100083;21北京航空航天大学科技协会,北京100083
31北京机电院高技术股份有限公司,北京100027
摘要:
上进一步做了双主轴切削时的频域激励仿真,,为该机床的改进以及后续型号的设计提供了动力学特性上的依据。
关键词:
龙门五面加工中心;;;中图分类号:
TB115 :
-3881（20082-003-2
iGantry5FacesMachiningCenterbyABAQUS
Yanzhong1
ZHOUYuanzi1
LIUQiang1
XUYi2
LIUJingyi
3
（11SchoolofMechanicalEngineering&Automation,BeihangUniversity,Beijing100083,China;
21TechnologyAssociation,BeihangUniversity,Beijing100083,China;31BMEICo1,Ltd,Beijing100027,China
Abstract:
Thefiniteelementmodelofagantry5facesmachiningcenterdrivenbylinearmotorandlinearrollingguidewasbuilttoperformdynamicanalysisinABAQUS.FrequencyextractionanalysisbyLanczosandmode2basedcuttingsimulationweremadeto
calculatethefirst20modesandthecuttingerrors.Theresultsindicatetheweakestpartindynamicsandthecuttingfrequencywhen
thebiggesterrorhappens.
Keywords:
Gantry5facesmachiningcenter;Distributingcoupling;Frequencyextraction;Cuttingsimulation
0 前言
对于较简单的多面加工,采用五轴联动的加工中心成本过高,而且附加的轴向运动会引起五轴机床刚度的降低,所以有必要开发有一定专用性的五面体加工中心。
待加工零件在龙门五面体加工中心上一次装夹即可完成除支撑面外的全部冷加工内容,易于满足被加工零件各个面间的空间位置精度要求及复杂形面的加工要求。
北京某公司在基型MC2000的基础上,研制出了采用直线电机驱动配合直线滚柱导轨作为关键运动部件的MC6000型龙门五面体加工中心。
直线电机驱动系统的高速和高加速度极大地提高了生产效率,其零间隙传动提高了被加工零件的质量,同时采用刚性和承载能力更好的滚柱式直线导轨可以得到大
的承载能力和机床刚性。
本文使用有限元[1]
软件
ABAQUS[2]
针对该机床进行动力学仿真,得到了其整机动力学特性。
1 有限元模型
LinMC6000龙门五面体加工中心（图1由纵
梁、横梁、主轴三部分组成,其纵梁、横梁上运动驱动装置采用西门子直线电机1FN32900;导向装置采用施耐博格滚柱式直线导轨组件MRB65
。
图1 LinMC6000
选取纵梁滑台、横梁滑箱在行程中点位置,在ABAQUS中建立整机有限元模型。
为各部件设定材料
属性,在部件连接处[3-4]
建立接触并划分网格,其中导轨副采用六面体线性缩减积分单元,其余部分采用修正的四面体二次积分单元。
固定结合面位置,在考虑装配公差和建模误差的前提下建立法向硬接触和切向摩擦接触关系,并设定瑞利粘性阻尼。
在结合面螺栓孔内壁和螺栓顶点间建立分布耦合约束（图2,以模拟结合面螺栓的连接
图2 分布耦合约束紧固作用。
除自由度的约束关系外,对面上各节点的运动进行加权平均处理,使每个节点受到的合力和合力矩与参考点上施加的螺栓紧固力等效,同时允许面上单元之间发生相对滑
移,以避免产生刚性螺栓。
5]
0102mm,滑动摩擦系数为3所示,模型总节点数为384705,单元数为212684
。
图3 整机有限元模型
2 整机特征值提取
提取结构特征值即固有频率和振型,是对该机床进行动态载荷结构设计的基础,同时也是简单切削仿真即谐响应分析的起点。
使用Lanczos法求解得到整机前二十阶特征模态。
模型总有效质量为50182646,前二十阶模态在X、Y、Z方向上分别激发的有效质量之和为491782、461844、141811。
可以看出X、Y是整机振型的主要运动方向,这两个方向上激发的有效质量之和均超过了系统总质量的90%,因此认为提取了足够多的模态阶数。
前二十阶特征频率由251435~148127Hz,如图4所示。
各阶模态在X、Y、Z方向上激发的模态质量如图5所示,可以看出第2、4、7、11阶是主要振型,尤其是第2阶模态（图6激发模型质量最高,该阶振型频率为391468,表现为机床Y方向的摆动,横梁的高架桥形式和主轴-。
第4阶模态振型2,Z,22,
处。
图6 第2阶振型391468Hz
3
切削力激励仿真
图7 MC6000主轴箱
单箱双主轴（图7是五面加工中心的核心技术,适合于精密、重负荷的低速切削。
分别在该机床主轴箱的立、卧两主轴上施加X、Y、Z方向各3000N力以模拟重载荷切削。
激励扫频范围15~105Hz,能覆盖整机主要模态的特征频率;扫频区域内设置了97个扫频点,在特征频率点附近放置得较密集。
求解整机动态响应分别得到立、卧轴刀具切削激励下主轴末端刀具部位的频域变形即切削谐振误差,如图8所示。
（下转第40页
・
4・机床与液压第36卷
表1 四杆机构位置误差结果分析
<1/（°060120180240300<0
2
/（°10115370661558553125386010001811049710417714<03/（°
13515847
11514760
12419361
14117868
15217328
15316890
Δ<0
2
/（°区间分析法[-018033,017988][-016514,016566][-015590,015659][-014264,014319][-015940,05940][-017571,017500]
本文方法
[-015163,015246][-014348,014397][-010256,010332][-01,012591][-01][-012841,012761]
全微分方法[-015205,015205][-014373,01437
3][-010294,01][-012566,01[01,11][-012801,012801]Δ<03/（°
区间分析法[-016661,016651][-014543,014606][-01,014,0[-02806,012759][-013925,013864]
本文方法[-015128,015114][-010409,010471]0,01[,01][-010985,010935][-011176,011112]
全微分方法[-015121,0151211,10440][-0,01][-012405,012405][-010960,010960][-011144,011144]
6 结论
利,它不仅具有区间分析的功能,而且能解决区间分析所不能解决的问题。
研究了标准区间线性方程组的求解及其在机构学中位置误差分析中的应用。
给出了算例,并进行了对比分析。
编制了Matlab语言通用标准区间数机构误差分析程序。
大量算例表明,标准区间数为机构运动误差分析提供了一种新型的方法,该方法编程简单、分析直观、结果可靠,在机构误差分析以及灵敏性分析等许多领域有着广阔的应用前景。
参考文献
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151-1561
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南京:
华东工学院学报,1992（2:
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国防工
业出版社,19961
【4】王清印,刘开第,陈金鹏,等1灰色系统理论的数学
方法及其应用[M]1成都:
西南交通大学出版社,
19901
【5】王清印1泛灰集与泛灰数的代数运算[J]1华中理工
大学学报,1992（4:
151-1561
【6】王清印,吕瑞华1区间数的标准表示及其四则运算法
则与泛灰数的内在联系[J]1数学的实践与认识,
2005,35（6:
216-2221
（上接第4页图8 刀具部位变形曲线
由立轴切削时主轴末端变形曲线可以看出:
当切削频率分别为2419583Hz、3914678Hz、2514354Hz时,主轴末端刀具部位出现X、Y、Z方向上的最大误差,分别是0103129mm、01009268mm、0104373mm。
由卧轴切削时主轴末端变形曲线可以看出:
当切削频率分别为2419583Hz、3914678Hz、2514354Hz时,主轴末端刀具部位出现X、Y、Z方向上的最大误差,分别是010251mm、0101005mm、01057863mm。
4 结论
（1在ABAQUS中建立龙门五面加工中心
MC6000的有限元模型。
提取了整机前二十阶特征模
态,其中主要是低阶模态反映整机的动态特性。
由于
主轴和横梁滑箱的悬挂安装,低阶模态最大变形都出现在主轴最高处减速箱位置。
提高这一部位的刚度有助于改善整机动态性能。
（2分别在立、卧轴加载切削力,得到主轴末端刀具部位的频域变形。
在切削力相同的前提下,卧轴切削时的切削谐振误差比立轴切削大,振动导致的最大切削误差为立轴切削010575mm、卧轴切削010639mm。
误差较大时的切削频率分布在25~45Hz之间。
参考文献
【1】曾攀1有限元分析及其应用[M]1北京:
清华大学
出版社,20041
【2】ABAQUS,Inc1:
ABAQUSmanualdocumentation[M].
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【3】吴筱坚1机床固定结合面的一种建模方法[J]1机械
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【4】张广鹏,史文浩,黄玉美1机床导轨结合部的动态特
性解析方法及其应用[J]1机械工程学报,2002,38（10:
114-1171
【5】SCHNEEBERGER,Inc1:
MONORAIL滚动直线导轨
[M]120051
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04・机床与液压
第36卷
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