[發(fā)明專利]一種高速臥式加工中心主軸箱的有限元分析方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010509770.0
• 申請(qǐng)日: 2010-10-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101968824A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-02-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 叢明;韓滔;趙強(qiáng);杜宇;劉冬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種高速臥式加工中心主軸箱的有限元分析，主要針對(duì)如何處理有限元分析中關(guān)鍵部件的簡(jiǎn)化和邊界條件設(shè)置等問(wèn)題，此方法有利于有限元分析和支反力的求解，并得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

技術(shù)背景

高檔數(shù)控機(jī)床是機(jī)床制造業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，是國(guó)家制造業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)力、服務(wù)于國(guó)家安全與利益的關(guān)鍵技術(shù)裝備，是高精度、大批量、多品種機(jī)械生產(chǎn)的基礎(chǔ)裝備，關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位和國(guó)家綜合國(guó)力水平的提高。高檔數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)力是衡量一個(gè)國(guó)家綜合能力的重要指標(biāo)，是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，其產(chǎn)量、性能和技術(shù)水平是衡量一個(gè)國(guó)家綜合制造實(shí)力的重要標(biāo)志，代表了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)現(xiàn)代化水平。

高速臥式加工中心是高檔數(shù)控機(jī)床設(shè)備中加工效率最高、加工批量化程度最大，在有色金屬和難加工材料零件的生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的高檔數(shù)控機(jī)床之一。其最大優(yōu)點(diǎn)是主軸轉(zhuǎn)速高、進(jìn)給速度快和加速度大。高速臥式加工中心可以組成敏捷柔性生產(chǎn)線，用珩架機(jī)器手或機(jī)器人等其它方式輸送工件。這樣組成的全自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性高、柔性好，真正實(shí)現(xiàn)了高性能的全自動(dòng)化生產(chǎn)，并且投資少、宜采用分步投入方式，是數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展的一大主流，是數(shù)控機(jī)床行業(yè)技術(shù)水平提升的重要標(biāo)志之一。

高速臥式加工中心是航空航天、軍工、汽車、能源等國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，是國(guó)防安全的戰(zhàn)略物資，也是“十一五”期間國(guó)家重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)發(fā)展的設(shè)備類別。我國(guó)的航空航天、軍工和汽車等關(guān)鍵行業(yè)正值設(shè)備的更新?lián)Q代期，高速立、臥式加工中心恰是這些行業(yè)所急需的、高效的、關(guān)鍵性的加工設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何合理的處理高速臥式加工中心主軸有限元分析中關(guān)鍵部件有限元模型的建立和簡(jiǎn)化，各部件之間連接問(wèn)題；另一方面針對(duì)主軸箱有限元分析中復(fù)雜的邊界條件進(jìn)行處理，以模擬真實(shí)的約束。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

1、建立主軸箱有限元模型

該主軸箱的有限元模型包括主軸、刀具、主軸套筒、絲杠、絲杠螺母、滑塊和主軸箱；

建立主軸和刀具的簡(jiǎn)化三維模型，并將主軸和刀具的有限元模型的材料屬性設(shè)置為剛性體，去除所有的螺栓孔后將主軸、刀具和主軸套筒一起裝配到主軸箱上，采用“連接”模式模擬螺栓作用；

建立絲杠、絲杠螺母、滑塊簡(jiǎn)化的三維模型，去掉所有螺栓孔，并對(duì)接觸面采用“連接”模式模擬螺栓的連接作用將絲杠螺母與主軸箱，滑塊與主軸箱進(jìn)行連接；

由于主軸與主軸套筒，主軸套筒與主軸箱的接觸面積較大，無(wú)法直接準(zhǔn)確計(jì)算出作用于主軸箱的力，另一方面考慮到在主軸箱有限元分析中，主軸、刀具和主軸套筒起到傳遞力和力矩的作用，因此建立主軸、刀具和主軸套筒的有限元模型，并將主軸和刀具的有限元模型材料屬性設(shè)置為剛性。主軸與主軸套筒，主軸套筒與主軸箱之間均采用螺栓連接，過(guò)多的螺栓孔可能導(dǎo)致網(wǎng)格劃分失敗和加大分析工作量，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析結(jié)果，因此在保證分析精度的前提下去除所有的螺栓孔，并采用“連接”模式進(jìn)行模擬螺栓的作用，將主軸、刀具和主軸套筒一起裝配到主軸箱上。

在主軸箱的有限元分析中，絲杠、絲杠螺母和滑塊主要起到支撐作用。利用絲杠可以非常便利的進(jìn)行約束條件的設(shè)置和約束部位支反力的求解，因此建立絲杠、絲杠螺母、滑塊的簡(jiǎn)化三維模型，并賦予相應(yīng)的材料屬性。絲杠螺母與主軸箱，滑塊與主軸箱均通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，過(guò)多的螺栓孔可能導(dǎo)致網(wǎng)格劃分失敗和加大分析工作量，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析結(jié)果，因此在保證分析精度的前提下去除所有的螺栓孔，并采用“連接”模式進(jìn)行模擬螺栓的作用。絲杠與絲杠螺母之間通過(guò)滾珠進(jìn)行接觸傳動(dòng)的，如果按照實(shí)際情況進(jìn)行建模，必然導(dǎo)致模型過(guò)于復(fù)雜，以致出現(xiàn)無(wú)法進(jìn)行有限元分析，因此需要對(duì)接觸面進(jìn)行“連接”模式進(jìn)行處理以滿足有限元分析的需要。

2、主軸箱約束

主軸箱只能在豎直方向移動(dòng)，因此對(duì)與主軸箱相連的滑塊進(jìn)行位移約束，模擬主軸箱只能沿著豎直方向移動(dòng)的特性；

針對(duì)上端固定、下端懸浮的絲杠約束，利用“固定”約束對(duì)上端實(shí)現(xiàn)完全約束；利用“圓柱”約束和“單向”約束的組合實(shí)現(xiàn)下端懸浮約束，使下端只能沿著軸向方向向下運(yùn)動(dòng)。