基于机床的复杂机械设备可靠性分析

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  [摘 要]机床是机械设备的一种,本论文以机床为例从机床结构动态性能要求、整机有限元建模、机床结构固有特性计算分析、整机的结构动刚度与机床结构刚度计算分析几方面进行阐述,提出了复杂机械设备系统设计功能实现的可能,进行系统可靠性的分析。
  [关键词]机床 机械设备 可靠性分析
  中图分类号:TB114.3 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)07-0329-01
  机床具有复杂的机械设备系统,它零部件数目众多、配合衔接紧密、零部件自重较大,因此在机床的服役阶段长期处于工作状态的机床会受到工作环境的影响、机床自重的影响、加工过程的各种持久或瞬间的力的作用,在这些力的作用下,机床零件以及床身整体会产生形变,这些形变必然导致零部件对原有位置的偏移,最终导致的结果就是机床的加工精度逐渐降低,无法正常加工。
  由于在机床的工作过程中,其工作状态是一个连贯的变化的过程,并不是单一的或是简单几个固定的工作状态,所以我们不可能实现针对整个机床的整体刚度进行精确的仿真计算。在本文中只能对简单的零部件本身采用理论方法计算其刚度,而对于机床整体结构中存在的复杂零部件或者复杂结合面,文中采用的方法是根据工程经验将复杂情况进行相似的简化并进行计算,其计算结果与实际刚度必然存在误差,一般只将其计算结果用来作为定性分析的参考而不做定量的计算。
  近年来,有限元法在机械设备的设计领域得到了较为广泛的应用,为缩短设计周期,提高设计效率做出了较大的贡献,但是数字化的仿真分析在新情况面前总会与实际有些误差的存在,因此需要同步进行相关的物理实验与数字仿真分析相互结合,以下陈述的各个原则措施就可以为提高机床的整体结构刚度等提供有利参考。
  一、机床结构动态性能要求
  1.对支承件的动态性能要求
  支承件是组成机床整体的重要基本构件,它起到了两方面的重要作用。首先,支承件链接了组成机床整体的各个主要零部件以及其它装置,将它们按照设计要求进行排列,组成了机床整体;其次支承件在机床整体中起到了基准的作用。
  常见的支承件包括机身、底座、立柱、横梁、箱体、工作台等,支承件的质量约为机床总质量的 80%以上,机床整机的动态特性取决于支承件的特性及其连接情况。支承件的强度、刚度、质量分布、阻尼比、动态性能和热性能等,都对加工中心的整体性能和功能的可靠性产生重要影响。
  2.对整机的动态性能要求
  对机床整机的动态特性要求主要是指機床的结构静刚度、动刚度和热刚度,以及结构轻量化等方面。
  二、整机有限元建模
  1.机床模型的简化处理
  由于有限元分析中几何模型直接决定网格剖分过程和网格结构,所以在几何建模时需要机床本身具体的空间结构以及力线传递轨迹等要素对机床整体结构进行简化处理,通过相应的简化达到提高求解效率的目的。简化方法选取的正确与否直接决定了可靠性分析的效用。
  (1)细节简化。在进行机床几何构建时,结构中经常存在一些如倒角、倒圆等相对尺寸很小的细节。细节的存在将影响网格的大小、数量和分布。局部特征与整体的尺寸差距越大,有限元网格剖分的结果就在这些地方出现较大的畸变,所以我们要针对这样的细节进行简化。
  (2)形式变换。机床整体结构复杂,零部件空间特征多样,在这些不同的空间结构中,进行有限元单元网格剖分时可以采用有针对性的等效处理,以达到便捷划分网格提高求解效率的目的。
  2.机床的载荷和边界条件处理
  机床工作时,其结构必然和其它结构或外界发生相互作用,这些性质不同、大小各异的力的相互作用是影响机床可用性的重要因素。进行有限元分析时,往往是将所关心的结构单独抽象出来进行分析,而分析结构与其它结构或外界的关系则用载荷、位移约束和热交换条件来考虑。有时为了建模或计算需要,也可能对模型进行某些人为规定或限制,如为消除刚体位移补充的位移约束,异类单元连接的多点约束等式,子结构的连接自由度,静力缩聚的主从自由度等。
  (1)载荷处理
  为了分析支承件和机床整机的结构刚度,必须分析机床工作时的载荷分布情况。机床工作时,支承件上承受切削力、重力和运动部件的惯性力等。对这些力的性质、大小、作用位置和对加工精度的影响,是采用有限元法对支承件及机床整机进行正确分析的前提,也是设计合理的支承件结构的依据。
  (2)边界条件处理
  当在模型上施加了载荷之后,就要对模型施加约束或边界条件,否则,模型在外载作用下会被无限加速,产生刚体运动。例如,在进行结构静力学和动力学分析时,首先要消除结构的刚体运动。结构的边界条件通常以零位移的形式构成,热的边界条件通常是明确温度,流体的边界条件通常是明确压强。
  三、机床结构固有特性计算分析
  1.HMC80 卧式加工中心的部件模态分析
  对机床主要构件进行模态分析,并与试验相结合,对比分析,得出不同构件的自由模态的共振频率,并验证了仿真的准确性。床身是其他部件安装的载体,其刚度必须要高,同时其成本也有要求,故对床身的自由模态研究很有必要。床身的振动对机床的工作精度有直接的和间接的影响。
  2.HMC80 卧式加工中心整机结构模态分析
  综合考虑各影响因素对结构进行简化,建立能准确反映加工中心动力学特性的模型。导入简化的三维实体模型后,定义分析为模态分析,选取实体单元,定义材料的弹性模量、泊松比和密度等参数,然后进行网格划分和模态计算。
  四、机床结构刚度计算分析
  机床的刚度是指在切削力和其他力作用下,抵抗变形能力。数控机床比普通机床要求具有更高的静刚度和动刚度,有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高 50%。
  1.支承件和整机结构静刚度的有限元分析结果
  机床在实际的工作中有 6 种不同的加工工况,在不同工况下机床的受力有很大差别,故刚度也有所不同,必须要一一分析才能保证机床在各状况下都能高精度的安全工作,下面将从不同工况条件下分析整机及支撑件的刚度。
  2.支承件和整机结构静刚度
  (1)自身刚度
  支承件的刚度是指其抵抗变形的能力。支承件所承受的载荷主要有拉伸、压缩、弯曲和扭转几种。其中,拉伸和压缩引起支承件的变形很小,可以忽略;而弯曲和扭转对上层结构引起的变形较大,因此,支承件主要考虑其弯曲刚度和扭转刚度。
  (2)局部刚度
  支承件的局部刚度是指支承件抵抗载荷集中部位局部变形的能力。局部变形主要发生在载荷作用集中的部位或刚度急剧下降的局部。如导轨局部变形等。支承件的局部刚度不足,会使其局部位置发生较大的变形,影响机床的工作性能。局部刚度主要取决于支承件受载部位的结构和尺寸,以及加强肋的布置等。
  五、整机的结构动刚度
  在高速机床中的激振力可以分解为一个恒力以及一个余弦力,因此,考虑在简谐激振力作用下高速加工中心的响应,是高速加工中心动态分析的重要内容。所以整机谐响应分析主要分析线性结构承受随时间按三角函数规律变化的载荷时稳定响应。在动态性能计算中阻尼会对计算结果有着较大的影响。在复杂结构中,振动阻尼的确定较为困难,目前只能通过实验测得,然后在分析模型中进行相关设置。
  参考文献
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