1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 精密机床实体建模与动力学分析 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 精密和超精密加工技术的发展 ， 直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展。近 20 年来，机床不断向高速和精密方向发展。机床动力 学特性是影响高速高精度机床性能的重要因素，并直接影响机床的最后加工性能，是高性能机床评定的重要指标。本课题利用三维建模软件 UG 对机床的主轴和床身进行实体建模，并通过 ANSYS 有限元分析软件对主轴和床身进行动力学分析。在利用ANSYS 对主轴有限元分析时，采用 Combin14 单
2、元（刚度 -阻尼弹簧）来模拟主轴轴承，比直接约束主轴边界更接近主轴实际工作情况。通过主轴和机床床身模态分析得到的固有频率和振型。在模态分析的基础上对主轴进行了谐响应分析，计算出主轴在激振力作用下的响应位移，得到主轴的动力响应与振动频率的曲线 ，即幅频曲线，验证了该主轴结构能经受住不同频率的各种正弦载荷。经过以上动态特性的研究，获得了机床主轴和床身的动态参数，为精密机床的结构设计及优化设计奠定理论基础。 关键词 ： ANSYS，模态分析，实体建模，精密机床 II Solid Modeling And Dynamic Analysis For Precision Machine Tool Abst
3、ract The development of precision and super precision processing technology,direct impact the development of a country edge technology and defense industry.The past 20 years,machine developments towards accuracy and high speed constantly.The dynamic characteristic of machine tool is one of the impor
4、tant factors that affect the performance of high speed and high precision machine tool,and it will affect the manufacturing final performance of the machine tool,and it is also an important standard to evaluate the performances machine tool. This issue do Machine tool spindle and bed for solid model
5、ing by the three-dimensional modeling software UG,and analysis on the spindle and machine tool bed by finite element software ANSYS.In the use of ANSYS for analysising the spindle, it is closer to the fact working situation by using Combin14 element (stiffness-damping spring) to simulate the spindle
6、 bearings than directly binding the actual boundary .Through the spindle and machine tool bed modal analysis are the natural frequencies and mode shapes.The spindle was harmonic analysis on the basis of modal analysis,calculated the responese displacement of the spindle under the exciting force,get
7、the spindle of the dynamic response and the vibration frequency curve,the amplitude-frequency curves,and verify that the spindle structure can withstand a variety of different frequency sine load.After the above the dynamic characteristics,access to the machine tool spindle and the bed of the dynami
8、c parameters,the theoretical basis for structural design and optimization of precision machine tool. Keywords: ANSYS , modal analysis , solid modeling , precision machine tools III 目录 摘 要 . 1-I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的背景 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 超精密机床与动力学分析的国内外研究现状 . 2 1.3.1 国外超精密机床的研 究现状 . 2 1.3
9、.2 我国超精密机床的研究现状 . 2 1.3.3 动力学分析技术国内外研究进展 . 2 1.4 课题研究的主要内容 . 4 2 机床和主轴的实体建模 . 5 2.1 建模技术的发展 . 5 2.2 建模基础（ UG 介绍） . 6 2.3 机床的实体建模 . 6 2.4 主轴的实体建模 . 7 2.5 小结 . 7 3 机床和主轴的动力学分析 . 8 3.1 结构动力学简介 . 8 3.2 结构动力 学通用运动方程 . 8 3.3 结构动力学方程求解方法 . 9 3.4 有限元分析软件介绍 . 10 3.5 主轴的模态分析 . 11 3.5.1 轴承一主轴系统有限元模型的建立 . 11 3.
10、5.2 将 UG 模型导入 ANSYS . 12 3.5.3 定义单元类型 . 13 3.5.4 定义材料属性 . 14 3.5.5 创建硬点和关键点 . 14 3.5.6 网格划分 . 15 3.5.7 创建 COMBIN 14 单元 . 16 3.5.8 加载与求解 . 16 3.5.9 计算结果及分析 . 17 3.6 主轴谐响应分析 . 20 3.6.1 结果分析 . 22 3.7 床身模态分析 . 23 IV 3.7.1 机床床身的有限元模型 . 23 3.7.2 加载及求解 . 24 3.7.3 计算结果及分析 . 24 3.7.4 结果分析 . 27 4 结论 . 28 5 参考
11、文献 . 29 6 致谢 . 错误 !未定义书签。 精密机床实体建模与动力学 分析 1 1 绪论 1.1 课题的背景 近 20 年来，机床不断向高速和精密方向发展。基于材料去除的冷加工技术，从本世纪 60 年代初美国用单点金刚石刀具对电解铜进行加工，并成功地切削出镜面以来，在加工精度方面发生了 质的变化，促使了超精密加工技术的产生和发展。一般认为，被加工零件的尺寸和形位误差小于零点几微米，表面粗糙度介于几纳米到十几纳米之间的加工技术，是超精密加工技术。精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，
12、控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前国外已开发了 多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术 1。机床工业是装备制造业和国防工业的基础。机床切削时的振动和变形不仅直接影响机床的动态精度和工件的加工质量，而且会导致生产效率下降、刀具磨损加剧，甚至直接导致机床故障和使用寿命缩短。提高精密机床的加工精度迫在眉睫。精密、超精密机床振源主要来源于机内振源和机外振源。其中，机内振源主要来源于机床各主轴伺服驱动系统与
13、传动系统的振动，包括转子旋转不平衡及电磁力不平衡引起的振动；机床回转零件的不平衡引起的振动；运动传递过程中引起的振动；往 复部件运动的惯性力引起的惯性力振动；切削时的冲击振动等。超精密机床机外振源主要来源于其它机床、锻压设备、火车、汽车等通过地基传给机床的振动等。因此，对机床动力学特性进行深入研究十分必要。 1.2 课题的意义 精密机床的高要求设计理念要求设计人员在设计过程中，对机床的动态特性进行研究。对于高速精密机床而言，进行机床动态特性分析和优化设计更为重要。高速精密机床系统动力学是以精密机床为对象，以结构动力学、加工系统动力学及传动系统动力学等为主要研究内容，以三维建模、数值计算、动态特
14、性分析和动态性能测试等为手段，为机床设计、 制造提供基本理论及设计依据的学科 2。 精密机床实体建模与动力学 分析 2 1.3 超精密机床与动力学分析的国内外 研究现状 1.3.1 国外超精密机床的研究现状 研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件 3。近年来发达国家已成功开发了多种先进的超精密加工机床。超精密机床的发展方向是：进一步提高超精密机床的精度，发展大型超精密机床，发展多功能和高效专用超精密机床。美、英、德等国在上世纪七十年代（日本在八十年代）即开始生产超精密机床产品，并可批量供货。在大型超精密机床方面，美国的 LLL 国家实验室于1986 年研制成功两台大型超精金刚石车床：一台
15、为加工直径 2.1m 的卧式DTM-3 金刚石车床，另一台为加工直径 1.65m 的 LODTM 立式大型光学金刚石车床 4。其中， LODTM 立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型 6 轴数控精密研磨机，用于大型光学反射镜的精密研磨加工。英国的 Cranfield 精密加工中心于 1991 年研制成功OAGM-2500 多功能三坐标联动数控磨床（工作台面积 2500mm 2500mm），可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面 5。该机床采用加工件拼合方法 ,还可加工出天文望远镜中直径 7.5m 的大型反射镜。日本的 多功能和高效专用超精密机床发展较快
16、，对日本微电子和家电工业的发展起到了很好的促进作用。 1.3.2 我国超精密机床的研究现状 在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。但当 1998 年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床。哈尔滨工业大学研制的加工 KDP 晶体大平面的超精密铣床。 KDP 晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件 。必须承认，在超精密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距 ,国产超精密机床的质量
17、水平尚待进一步提高。 1.3.3 动力学分析 技术 国内外研究进展 动力学建模是机床动力学分析和动态设计过程中的关键。其建模过程需根据机床的设计图纸或实际结构作适当简化。常见的整机动力学模型有集中参数模型、分布质量模型和有限元模型。 在集中参数模型中 6，结构的质量用分散在有限个点上的集中质量来替换，精密机床实体建模与动力学 分析 3 结构的弹性用没有质量的当量弹性梁来替换，结构的阻尼假设为迟滞型的结构阻尼，结合部简化为集中的等效弹性元件和阻尼元件。 1964 年 taylor 曾在摇臂钻床刚度计算中采用集中质量思想，得到了与实测值较一致的固有频率和振型。该方法的不足之处在于工程上往往难以用简
18、单合理的力学模型来模拟复杂的机床结构进行动力学分析，且精度较低。分布质量模型由于将较大的质量块分成小块，将子结构简化为质量均匀的等截面梁，比集中质量法更接近实际，计算也较简单。张广鹏等 7 在机床整机动态建模中采用了分布质量梁模型，得到加工中心的固有频率和动柔度频响。该方法编程工作量大，但可快速且较为准确地预测机床整机动态特性，其计算精度比集中质量法高。 有限单元法比前述两种方法更进 一步，先对求解区域划分单元，再选定逼近模式分片插值，分析得到单元特征矩阵，最后把各单元特征矩阵组装成总特征矩阵，得到整个机构的方程组进行求解。 Jiang 等 8 建立了机床整机的有限元动力学模型，对机床结合面联
19、接件的位置与数量进行了拓扑优化设计。赵宏林等 9开发了基于有限元法的机床整机特性分析软件，实现了在图纸设计阶段预测其整机静动态及热态综合特性的目的，缩短了产品开发周期。相比于分布质量梁模型及集中参数模型，有限元模型模拟实际结构精度高，但其计算效率与单元的大小和逼近模式的复杂程度直接相关。现阶段高频率 和大容量存储计算机技术使得有限元建模和分析的效率进一步提高，同时使其可视性和直观性得到充分体现。 Zatarain 等 10建立的基于 Nastran 和 Ideas 的立柱移动式铣床动态有限元分析模型，周德廉等 11建立的基于 Ansys 的高精度内圆磨床 M2120A 整机结构动力学模型充分体
20、现了商业有限元软件在结构系统整机建模分析的高效率和高精度。 近年来，国内外学者在有限元法基础上发展了虚拟现实技术 12、模态力法13和理论与实测结合法等。综合运用模态力法与有限元法对机床进行固有频率及其振型分析时，可直接计算 出刀具和工件间在各阶固有频率下的相对动位移量及相应模态。该方法与单一有限元分析相比，精度相当，但计算速度更快。由于机床动力分析中许多参数依赖于测试，单靠理论计算往往得不到符合工程实际的解析，因此将动态测试技术和有限元技术结合很有必要。 Elbestawi 等 14针对高速铣削和磨削相结合的加工装备进行动力学分析时，先在样机的动态测试中获得结合面参数，再进行各构件模态振型和
21、固有频率的有限元求解，最后用样机动态测试对动力学整机模型进行修正和验证。该方法使得整机的动力学理论模型较精确地模拟了实际结构。 精密机床实体建模与动力学 分析 4 1.4 课题 研究的主要内容 1) 本课题利用三维建模软件 UG 对机床的主轴和床身进行实体建模 。 2) 利用有限元分析软件 ANSYS 对机床的主轴和床身进行模态分析。获取机床重要部件的固有频率和振型图等动力学参数。 3) 在主轴模态分析的基础上，对主轴进行谐响应分析，获得主轴在激振力的作用下的动力学特性。 4) 根据机床动力学原理，提出提高主轴和床身动刚度措施，实现机床主轴动态性能改善。 精密机床实体建模与动力学 分析 5 2
22、 机床和主轴的实体建模 2.1 建模技术的发展 随着计算机的迅猛发展，工程界的迫切需要，计算机辅助绘图应运而生。早期的计 算机辅助设计系统是在大型机、超级小型机上开发的，一般需要几十万甚至上百万美元，往往只有在规模很大的汽车、航空、化工、石油，电力、轮船等行业部门中应用，工程建设设计领域各单位。进入 80 年代，微型计算机的迅速发展，使 计算机辅助工程 设计逐渐成为现实。 计算机绘图 是通过编制计算机辅助绘图软件，将图形显示在屏幕上，用户可以用光标对图形直接进行编辑和修改。由微机配上图形输入和输出设备 (如键盘、鼠标、绘图仪 )以及计算机绘图软件，就组成一套计算机辅助绘图系统。 由于高性能的微
23、型计算机和各种外部设备的支持，计算机辅助绘图软件的开发也得到长足的发展。 在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。 cad 能够减轻设计人员的计算画图等重复性劳动，专注于设计本身，缩短设计周期 和提高设计质量。 经过将近 50 发展， CAD 软件的功能不断的完善和强化，特别是三维 CAD软件，它建立的模型可转换为支持 CAE 和 CAM 的应用的数据形式。三维设计的这些特点可满足企业的工程需要 ,极大地提高企业产品开发质量和效率 ,大大缩短产品设计和开发周期。目前，实体建模技术已经成为工程设计开发的主流技术，三维模型设计中，包括了产品完整的几何结构，还可以从三维模型中产生各种视图，除基本的三视图外，还可生成轴测图、向视图、剖视图、局部视图等等。现在工程应用上的主流的三维软件有 UG、 Pro/E、 Solidworks。
