基于ANSYS Workbench的床身材质对机床动力学特性影响的分析*

曹 力，钟建琳

（北京信息科技大学机电学院，北京 100192）

基于ANSYS Workbench的床身材质对机床动力学特性影响的分析*

曹 力，钟建琳

（北京信息科技大学机电学院，北京 100192）

高精度磨床是一种新型精密磨削数控机床，其床身材质合理的选取及布局对其动力学特性有着较大的影响，进而影响其加工质量和加工精度。应用ANSYS Workbench软件对高精度磨床的床身分别以灰口铸铁、树脂混凝土及铸石为材质对磨床进行模态分析。结果表明树脂混凝土床身的高精度磨床动力学特性高于灰口铸铁床身的高精度磨床动力学特性，铸石床身的高精度磨床动力学特性高于树脂混凝土床身的高精度磨床动力学特性。

床身材质；动态特性；模态分析

0　引言

现代数控加工业正向高质量、高精度的方向迅猛发展，因此对数控机床的动力学特性提出了更高要求。高精度磨床是近年来国内推出的精密磨削设备。床身是机床中一个关键的部件，其结构与材质将会直接关系到整个机床的动力学态特性，从而影响机床的加工质量与加工精度。在对机床床身合理布局的前提下，选择合适的材料制造床身将有助于提高机床动态特性来提升其工作性能。数控机床动力学特性分析的方法主要是用模态分析，高精度磨床在不同材质制造的床身下通过模态分析得出相关数据，根据此数据选择适合的材质制造床身，提升高精度磨床的动力学特性，满足机床对加工质量和加工精度的要求［1］。

1　模态分析法

N自由度有阻尼振动系统可表示为：

其中［M］、［C］、［K］分别为刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵，｛F｝ 为外激励矩阵，这里为零矩阵；分别为加速度矩阵、速度矩阵和位移矩阵。

当忽略了阻尼，式（1）的特征方程可写为

目前，大多数数控机床模态分析主要通过有限元软件完成。ANSYS Workbench是新一代集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真软件，具有较高的求解精度和高可靠性，可进行静力分析、动力学分析、非线性分析、热传导分析和空气动力学分析、流体力学分析、模态分析与优化分析等。通过应用ANSYS Workbench有限元软件对高精度磨床在不同材质床身下进行模态分析，并用实验模态分析方法对有限元模型进行验证。

2　高精度磨床模型及灰口铸铁床身模态分析

由于高精度磨床的复杂性，在三维实体建模软件Pro/ENGINEER，SolidWorks，UG中建模比在ANSYS Workbench中建模更方便、快捷，特别是建立高精度磨床这样复杂的三维实体模型。本文通过三维建模软件SolidWorks建立磨床各功能部件CAD模型，并通过软件的装配设计功能实现磨床整机各功能部件的组装，整机三维模型与各部件名称如图1所示。

图1　磨床实体模型

在数控机床结构中，床身是重要的功能部件，它起着支撑工作台、立柱等关键零部件的作用。

机床床身结构的布局对整个机床的静、动刚度有较大的影响，所以应对高精度磨床床身进行合理布局。

床身材质为灰口铸铁，考虑铸铁床身制造工艺，床身四周可看作为由筋板外形框架构成，内部采用合理的筋板结构构成出砂孔，既可以减轻床身的重量也可以保证必要的动、静刚度。如图2所示。

图2　高精度磨床床身（床身材质为灰口铸铁）

利用有限元软件提供的数据转换接口，将模型保存为中性格式文件x-t，再把模型输入到ANSYS Workbench系统中进行预处理，采用Automatic进行网格划分，接触区域对网格进行细化，建立有限元模型，如图3所示。为了避免在导入Ansys Workbench时出错，在建模时对不影响床身结构设计的细小部位进行简化。如模型中的倒角、退刀槽、螺纹等。

图3　高精度磨床模型

对于导入ANSYS Workbench系统中的高精度磨床模型中结合面均采用弹簧阻尼单元法［4］处理，对床身与地面接触处施加固定约束。利用ANSYS Workbench软件的Frequency Finder模态求解器对高精度磨床有限元模型进行求解。

床身材质为灰口铸铁，其材料特性：弹性模量取为110GPa，密度为7200kg/m3，泊松比为0.28。计算得到的前4阶固有频率，如表1所示。

表1　高精度磨床的固有频率（床身材质为灰口铸铁）

3　高精度磨床灰口铸铁床身实验模态分析

为了验证有限元模型建立得是否准确，采用锤击脉冲激励法对床身材质为灰口铸铁的高精度磨床进行实验模态分析，实验测试框图如图4所示。

图4　实验模态测试框图

3.1响应测点和激励点的布置

根据高精度磨床结构尺寸，以即不丢失模态又要反映机床结构特点为原则进行响应测点布置，本实验共有768个测点，如图5所示。激励点应避开系统任一阶振型的节点，应选择在便于激励能量传递的位置，一般该位置的刚度应尽量大，即振幅比较大的点［2］。经有限元和预实验指导，本实验选定立柱靠近右上角一点为激励点，即图5中第254点。

图5　响应测点分布图

3.2采样频率

在实验模态分析中，机床的动力学态性主要由低阶模态决定，因此在模态实验中主要考虑对低阶的模态结果。本实验中，采样频率是分析频率的2.56倍，通过预实验可知六个加速度传感器的采样频率应设为320Hz，变时基倍数采用4，其锤击频率设为1280Hz，此时传递函数较好，相干性较高［3］。

3.3实验数据处理

试验模态分析中常用相干系数来判断测试的可靠性，当相干系数γ2不小于0.8时，即认为传递函数估计是可信的［3］。在本次模态实验中，大部分测点的相干函数是可信的。图6为336测点处的相干函数曲线。

图6　第336测点幅频、相频、相干曲线图

3.4模态试验分析结果

实验数据采集完成后，用DASP测试分析软件系统对数据进行变时基传递函数分析，并对所得的传递函数进行集总平均，质量归一方式识别高精度磨床模态试验频率，如表2所示。

表2　高精度磨床模态试验固有频率（床身材质为灰口铸铁）

将仿真结果与模态试验分析结果对比，如表3所示。

仿真结果与实验测试结果在误差范围内［5］，说明有限元模型建立是正确的。

表3　仿真结果与模态试验分析结果对比

4　高精度磨床树脂混凝土床身模态分析

树脂混凝土以E51环氧树脂为基料，邻苯二甲酸二丁酯DBP为增韧剂，以AGE为活性稀释剂，乙二胺为固化剂，粉煤灰为填料，选用青石为粗骨料，细骨料为河砂的混合材质［9］。考虑到高精度磨床机床关于床身的要求以及树脂混凝土床身的制造工艺设计出树脂混凝土床身，并用SolidWorks建立模型，其结构如图7所示。

图7　高精度磨床床身（床身材质为树脂混凝土）

树脂混凝土作为床身材质，其材料特性：弹性模量取为36800MPa，密度为2500kg/m3，泊松比为0.27。通过ANSYS Workbench计算床身为树脂混凝土的高精度磨床得到前4阶固有频率，如表4所示。

表4　高精度磨床的固有频率（床身材质为树脂混凝土）

5　高精度磨床铸石床身模型及模态分析

铸石是一种硅酸盐结晶材料，采用天然岩石或工业废渣为主要原料。铸石具有硬度高、耐磨性强，抗腐蚀性能强等优点。根据高精度磨床关于床身的要求以及铸石床身的制造工艺设计出铸石床身并建造出了比例为1：3的小比例床身模型，如图8所示。

图8　高精度磨床床身（床身材质为铸石）

床身材质为铸石，其材料特性：弹性模量取为300GPa，密度为2200kg/m3，泊松比为0.2。经ANSYS Workbench计算床身为铸石的高精度磨床得到前4阶固有频率，如表5所示。

表5　高精度磨床的固有频率（床身材质为铸石）

6　床身材质对高精度磨床动力学特性对比分析

对比上述床身材料分别为灰口铸铁、树脂混凝土及铸石的固有频率的结果，如表6所示。可知当床身材质为铸石时大大提高了高精度磨床的动力学特性。其主要原因是对床身结构的薄弱环节进行了加强，同时铸石床身的支撑方式不同于铸铁床身，其支撑点和面积均大于铸铁床身，使结构受力均匀平稳。

表6　高精度磨床在不同床身材质下的固有频率

7　结束语

通过运用ANSYS Workbench软件对影响高精度磨床动力学特性的床身材质进行了分析，得到了用铸石制造机床床身能大幅度提升高精度磨床的动态特性的结论，进而满足现代制造业对机床加工的需求。

［1］杨橚，唐恒龄.机床动力学（Ⅱ）［M］.北京：机械工业出版社，1983.

［2］孙金虎，杨庆东，米洁.基于模态试验的高精度磨床动态特性研究［J］.机械设计与制造，2013（6）：128-130.

［3］蔡川，杨庆东，刘国庆，等.高精立式磨床立柱的动态特性分析与实验［J］.机械工程师，2012（1）：19-21.

［4］廖伯瑜，周新民.现代机械动力学及其工程应用［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［5］郑孝.高精度磨床动态特性分析与结构优化研究［D］.北京：北京信息科技大学，2013.

［6］张学玲，徐燕申，钟伟泓.基于有限元分析的数控机床床身结构动态优化设计方法研究［J］.机械强度，2005，27（3）：353-357.

［7］杨明亚，杨颖洁.一种数控机床床身的动力学分析与优化设计［J］.现代机械，2010（2）：14-15.

［8］张波，陈天宁，虎恩典，等.数控车床分体式床身结合面参数优化识别及其动特性分析［J］.现代制造工程，2004（6）：91-93.

［9］徐平，盖巍巍，于英华.钢纤维树脂混凝土填充结构机床构件静动态性能研究［J］.制造技术与机床，2011（4）：66-71.

［10］郭俊康，方荣，洪军，等.基于有限元分析的拉刀磨床床身结构优化设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2011（1）：9-12.

（编辑 赵蓉）

Analysis of the Effect of Bed Materials on Machine Tool's Dynamic Characteristics Based on ANSYS Workbench

CAO Li，ZHONG Jian-lin
（School of Mechanical&Electrical Engineering，Beijing Information Science&Technology University，Beijing 100192，China）

High precision grinding machine is a new-style precision grinding NC machine tools，the reasonable selection of bed material of high precision grinding machine has a great influence on its dynamic characteristics，which affects the machining quality and machining precision.ANSYS Workbench software is used for the mode analysis of different bed materials of high precision grinding machine such as grey cast iron，resin concrete and cast stone.The results showed that dynamic characteristics of the high precision grinding machine with resin concrete bed are higher than that with cast iron bed；and dynamic characteristics of the high precision grinding machine with cast stone bed are higher than that with resin concrete bed.

bed material；dynamic characteristic；modal analysis

TH166；TG547

A

1001-2265（2015）02-0061-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.017

2014-05-16；

2014-06-24

国家科技重大专项资助项目（2013ZX0400-1061）

曹力（1989—），男，沈阳人，北京信息科技大学硕士研究生，研究方向为数控技术与装备，（E-mail）497402701@qq.com。