【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 車床，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀架的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工作主軸、工具主軸都采用伺服主驅(qū)動(dòng)，可任意改變工作轉(zhuǎn)速。CK21206 六主軸數(shù)控車床的控制系統(tǒng)為多座標(biāo)、多過程并行控制，是目前數(shù)控車床具有高科枝含量的產(chǎn)品。 多主軸數(shù)控車床解決了機(jī)械多軸柔性差的問題，適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)品更新?lián)Q代快的形勢(shì)，作為過去大量使用老機(jī)械多軸企業(yè)的替代產(chǎn)品具有很大市場(chǎng)潛力。近十幾年很多國(guó)外的汽車行業(yè)打入中國(guó)市場(chǎng)，在國(guó)內(nèi)投資建廠的企業(yè)往往要求按國(guó)外的工藝選配加工設(shè)備，多主軸數(shù)控車床由于它的高效自動(dòng)和保證了零件加工質(zhì)量，是很多汽車零件加工設(shè)備的首選。上海寶鋼與加拿大合資的科寶汽車傳動(dòng)軸廠就是一個(gè)典型，加拿大投資方要求按加拿大的生產(chǎn)工藝配備多主軸數(shù)控車床，目前歐洲生產(chǎn)的此類機(jī)床售價(jià)在 60 萬歐元以上，科寶購進(jìn)的 INDEX 的數(shù)控多軸車床合人民幣近 1500 萬元，由于價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，他們?cè)硎緦⒉捎梦覀兊臄?shù)控多軸車床，類似寶鋼的情況在國(guó)內(nèi)還有很多。 目前，用于機(jī)加設(shè)備的數(shù)控技術(shù)日趨成熟，中國(guó)購買國(guó)外的一些高檔數(shù)控系統(tǒng)也不再受限制，這是開發(fā)多主軸數(shù)控車床的一個(gè)有利條件。 CK2120X6 六主軸數(shù)控車床不僅代表了國(guó)家制造業(yè)的水平，也是市場(chǎng)潛力大的一個(gè)適銷對(duì)路產(chǎn)品。目前歐洲的同類產(chǎn)品售價(jià)在 600 到 700 萬人民幣左右，而我們自主開發(fā)售價(jià)可只在 200 到 300 萬之間，這個(gè)價(jià)格國(guó)內(nèi)一些企業(yè)可以接受，在國(guó)際市場(chǎng)也具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。過去沈陽第三機(jī)床廠就是靠多軸車床成為創(chuàng)匯大戶，數(shù)控多主軸車床的開發(fā)會(huì)給企業(yè)創(chuàng)匯帶來很好的機(jī)遇。 多主軸數(shù)控車床是一種高效自動(dòng)化的設(shè)備，對(duì)提高人力和物資資源的利用，提高我國(guó)機(jī)加行業(yè)的水平都是一個(gè)必不可少的產(chǎn)品，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益是顯著的。在我國(guó)汽車零件等機(jī)加行業(yè)與世界接軌、引進(jìn)外資和打入世界市場(chǎng)的過程中，多主軸數(shù)控車床將發(fā)揮其積極作用。 有限元方法簡(jiǎn)介 有限元法概述 有限元法是一種數(shù)值模擬技術(shù)，即將要分析的結(jié)構(gòu)離散化為有限個(gè)自身具有一定的質(zhì)量、彈性特性的單元，在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上把它們互相連結(jié)起來，承受等效的節(jié)點(diǎn)載荷，并根據(jù)平衡條件來進(jìn)行分析；然后借助計(jì)算機(jī)根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，再把這些單元重新組合起來，成為一個(gè)整體進(jìn)行求解[26]。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域[27]。 有限元的基本思想早在 20 世紀(jì) 40 年代就出現(xiàn)了。1943 年 Courant 首先提出將一個(gè)連續(xù)求解域剖分為有限個(gè)分片連續(xù)的小區(qū)域組合，即離散化概念第一次嘗試了用定義在三角形區(qū)域上的片連續(xù)函數(shù)與最小勢(shì)能原理相結(jié)合，求解扭轉(zhuǎn)問題近似數(shù)值解，并把這種方法稱為變分問題的瑞利—里茲解法[28]。近四十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元方法也得到了不斷的發(fā)展，除了協(xié)調(diào)單元法外，又發(fā)展了非協(xié)調(diào)單元法及雜交單元法等，應(yīng)用領(lǐng)域也得到了迅速發(fā)展。就固體力學(xué)來講，有限元方法的應(yīng)用己由平面問題擴(kuò)展到板殼問題和空間問題。有限元方法是數(shù)值計(jì)算的一種離散化方法，從數(shù)學(xué)角度說，就是從變分原理出發(fā)，通過分期插值，把二次泛函的極值問題轉(zhuǎn)化為一組多元線性代數(shù)方程來求解。從物理和幾何角度來講，有限元方法就是結(jié)構(gòu)分析的一種計(jì)算方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。其思想就是將連續(xù)體劃分為有限個(gè)規(guī)則形狀的單元體，相鄰單元之間通過若干個(gè)結(jié)點(diǎn)相連接。作用在單元上的外載荷轉(zhuǎn)化為結(jié)點(diǎn)載荷。用劃分的有限個(gè)小單元的集合體，代替原來的連續(xù)體，從而建立起連續(xù)體的力平衡關(guān)系。這種方法常用于復(fù)雜的連續(xù)彈性振動(dòng)系統(tǒng)的建模和求解。結(jié)構(gòu)有限元涉及到力學(xué)原理、數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)程序系設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面，諸方面互相結(jié)合才能形成完整的有限元分析方法。目前，一些常用的通用有限元分析軟件，如 NASTRAN，ANSYS，ADINA，SAP 等等，都具有很強(qiáng)的靜、動(dòng)力計(jì)算能力。 隨著計(jì)算機(jī)處理能力的極大增強(qiáng)、數(shù)值求解方法的改進(jìn)及力學(xué)知識(shí)的不斷完善，有限元法得到了極大的發(fā)展和應(yīng)用。有限元的發(fā)展經(jīng)歷了以下四個(gè)階段： (1) 40—50 年代中期在結(jié)構(gòu)矩陣分析方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起步階段[2930]；(2) 70 年代在理論研究上不斷深入階段[31]； (3) 80 年代取得全面發(fā)展并在實(shí)際中廣泛應(yīng)用[32]； (4) 在實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)有限元模型進(jìn)一步修正，使之與實(shí)際情況更加 符合[3334]。 有限元方法的研究現(xiàn)狀 隨著 FEM 研究的深入，過去不能解決或能解決但求解精度不高的問題，都得到了新的解決方案。傳統(tǒng)的 FEM 假設(shè)：分析域是無限的，材料是同質(zhì)的，甚至在大部分的分析中認(rèn)為材料是各向同性的，對(duì)邊界條件簡(jiǎn)化處理。但實(shí)際問題往往是分析域有限、材料各向異性或邊界條件難以確定等。為解決這類問題，美國(guó)的 heofanis Strouboulis amp。 LinZhang 等人提出用 GFEM ( Generalized Finite Element Method)解決分析域內(nèi)含有大量孔洞特征的問題[35]；比利時(shí)的 Nguyen Dang Hung 和越南的 Tran Thanh Ngoc 提出用 HSM(the Hybrid metis Singular element of Membrane plate)解決實(shí)際開裂問題（結(jié)構(gòu)尺寸有限，形狀任意，邊界條件復(fù)雜，材料特性任意）[36]。傳統(tǒng)的有限元斷裂力學(xué)技術(shù) (the finite element fracture mechanics techniques)在解決零件中出現(xiàn)裂縫這類問題時(shí)，需要在曲線型裂紋前緣附近的區(qū)域細(xì)分網(wǎng)格。這樣無論是從網(wǎng)格生成的角度看還是從求解的角度看，都需要花費(fèi)大量的時(shí)間。而且在循環(huán)加載的情況下產(chǎn)生的次裂紋將會(huì)使分析變得更加復(fù)雜。為此，美國(guó)的 Daniel SPipkinsay amp。 Satya N Atlurib 提出了 FEAM (Finite Element Alternating Method) 。該方法在求解應(yīng)力集中因子時(shí)，可在不犧牲精度的情況下節(jié)省時(shí)間，用它分析具有橢圓裂紋或部分橢圓裂紋的結(jié)構(gòu)是很有用的[37]。此外，西班牙的 Onate E 和波蘭的 Rojek J 將 DEM (Discrete Element Method)和 FEM 結(jié)合解決地質(zhì)力學(xué)中的動(dòng)態(tài)分析問題[38]；瑞典的 Birgersson F 和英國(guó)的 Finnveden S 針對(duì) FEM 在頻域中的應(yīng)用提出了 SFEM (Spectral Finite Element Method)[39]。在 FEM 應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展、求解精度不斷提高的同時(shí)，F(xiàn)EM 也從分析比較向優(yōu)化設(shè)計(jì)方向發(fā)展[40]。印度 Mahanty 博士用 ANSYS 對(duì)拖拉機(jī)前橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果不但降低了約 40%的前橋自重，還避免了在制造過程中的大量焊接工藝，降低了生產(chǎn)成本[41]。 FEM 在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也十分廣泛。20 世紀(jì) 80 年代我國(guó)大連理工大學(xué)工程力學(xué)研究所開發(fā)成功了國(guó)內(nèi)第一個(gè)通用有限元程序系統(tǒng) JIGFEX，并在 1983 年開發(fā)出了它的微機(jī)版 JIGFEXW[42]。目前，F(xiàn)EM 已滲透到工程分析的各個(gè)領(lǐng)域，從大型的三峽工程[43]到微米級(jí)器件[44]都采用 FEM 進(jìn)行分析。它在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中擁有廣闊的發(fā)展前景。 有限元方法的發(fā)展趨勢(shì) 當(dāng)今國(guó)際上 FEA 方法和軟件開發(fā)呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)特征[45]： (1) 從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解多物理場(chǎng)問題。有限元分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來，逐步推廣到板、殼和實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析。近年來有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等“耦合場(chǎng)”問題的求解計(jì)算。 (2) 由求解線性工程問題進(jìn)展到分析非線性問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些公司開發(fā)了專長(zhǎng)于求解非線性問題的有限元分析軟件，如 MARC、ABAQUS 和 ADINA等，這些軟件的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器以及豐富和實(shí)用的非線性材料庫。 (3) 增強(qiáng)可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能。目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都建立了對(duì)用戶非常友好的 GUI（Graphics User Interface），使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，生成有限元分析所需資料，并按要求將大量的計(jì)算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖，便于極值搜索和所需資料的列表輸出。 (4) 與 CAD 軟件的無縫集成。當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開發(fā)了和著名的 CAD 軟件（例如 Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley 和 AutoCAD 等）的接口。 (5) 在 Windows 平臺(tái)上的發(fā)展。早期的有限元分析軟件基本上都是在大中型計(jì)算機(jī)（主要是 Mainframe）上開發(fā)和運(yùn)行的，后來又發(fā)展到以工程工作站（EWS，Engineering WorkStation）為平臺(tái)，當(dāng)前國(guó)際上著名的有限元程序研究和發(fā)展機(jī)構(gòu)都紛紛將他們的軟件移值到 Windows 平臺(tái)上。 本課題研究的主要內(nèi)容 課題采用美國(guó) ANSYS 公司的大型通用有限元分析軟件 版本作為分析工具，對(duì) CK21206 六主軸數(shù)控車床的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了研究，主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容： (1) 采用美國(guó) Solidworks 公司的三維設(shè)計(jì)軟件 Solidworks 對(duì) CK21206 六主軸數(shù)控車床的主軸鼓、前箱、刀架等主要零部件進(jìn)行三維造型和參數(shù)化。 (2) 研究了有限元法的基礎(chǔ)理論及軟件基礎(chǔ)。 (3) 利用大型通用有限元軟件 ANSYS 對(duì)主軸鼓進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力下的變形分析，得出主軸鼓在切削力下的應(yīng)力分布和變形云圖。 (4) 對(duì)主軸鼓進(jìn)行熱—應(yīng)力耦合分析，得出主軸鼓在熱、機(jī)械應(yīng)力共同作用下的變形，為后續(xù)機(jī)床的誤差補(bǔ)償提供依據(jù)。 (5) 對(duì)前箱及其刀架進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，得出其前幾階固有頻率和振型，找出其薄弱環(huán)節(jié)，從而避免結(jié)構(gòu)的共振。 第2章 有限元法基本理論與軟件基礎(chǔ) 有限元分析的基本步驟對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。 (1) 物體離散化 將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計(jì)算模型，即單元剖分。離散后的單元和單元之間利用節(jié)點(diǎn)相互連接起來。單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定（一般情況，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述變形的情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量也越大）。所以有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同樣材料的由眾多單元以一定方式聯(lián)接成的離散物體。這樣，用有限元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目足夠多而且又很合理，則所獲得的結(jié)果就與實(shí)際情況十分相符。 (2) 單元特性分析 1) 位移模式。在有限元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法，選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí)稱為力法，取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化，所以在有限元法中應(yīng)用范圍最廣。 當(dāng)采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)物離散化后，就可以把一些物理量如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點(diǎn)位移來表示。這時(shí)可以對(duì)單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法中我們將位移表示為坐標(biāo)變量的簡(jiǎn)單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。 2) 分析單元的力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析的關(guān)鍵一步。此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?，這是有限元法的基本步驟之一。 3) 計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力。物體離散化后，假定力是通過節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元。但是，對(duì)于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而，這種作用在邊界上的表面力、體積力或集中力都需要等效地移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來替代所有作用在單元上的力。 (3) 單元組集 利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)接起來，形成整體的有限元方