【正文】 感謝 106 教研室的師兄師姐們特別是 楊 國維師兄，他們給予我很大的幫助，在ANSYS 操作中遇到問題時，他們熱情的伸出了援助之手，幫我解決了作為新手對一個軟件的困惑和無法入門的迷茫。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 37 頁 共 39 頁 致謝 值此論文定稿之際，深深感謝汪振華老師半年來在學(xué)習(xí)中給予我的諄諄教誨和悉心指導(dǎo)。 展望 通過本文的研究，深刻體會到設(shè)計(jì)計(jì)算建立加工中心的雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的模型，并對其進(jìn)行動靜態(tài)力學(xué)分析是一個復(fù)雜的過程。 (3) 基于有限元的分析方法，利用 ANSYS 軟件對進(jìn)給系統(tǒng)的重要部 件如工作臺、底座和滾珠絲杠進(jìn)行了模態(tài)分析，并對滾珠絲杠做了靜力分析，并進(jìn)行了壓桿 穩(wěn)定的校核。 (2) 利用三維造型軟件 Pro/e，對雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的組成部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)及裝配 。在借鑒單絲杠驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算分析基礎(chǔ)上，對目前理論還不 是很成熟的雙 絲杠 驅(qū)動 直線 進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和一些 基本部件的靜動態(tài)特性分析。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 36 頁 共 39 頁 結(jié) 論 本論文的主要工作 加工中心已經(jīng)成為了近幾年來發(fā)展的熱點(diǎn)內(nèi)容，加工中心目前正朝著高速、高精度、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展，對進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的靜動態(tài)性能的要求也是越來越高。 減少壁厚會降低固 有頻率，并且會降低零部件剛度；但減少壁厚可以節(jié)省材料，節(jié)省成本，而且可以使零部件輕便。 在這里 以底座為例，重點(diǎn)對比支撐架壁厚對于部件模態(tài)頻率的影響的大小，為以后對模態(tài)頻率的改進(jìn)工作提供依據(jù)。 約束設(shè)置如圖所示（約束部分用紫色標(biāo)出）： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 32 頁 共 39 頁 圖 315 底座約束設(shè)置 （ 5）模態(tài)分析求解 設(shè)定 analysis type 為 modal分析，進(jìn)行求解運(yùn)算。 采用智能尺寸進(jìn)行網(wǎng)格分割 ，選取的劃分 單元的 精度為 4 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 31 頁 共 39 頁 劃分網(wǎng)格后的 底座 模型如圖 314 所示： 圖 314 底座網(wǎng)格劃分模型 （ 4）定義邊界條件 底座是安置在加工中心箱體上的，在模態(tài)分析中， 認(rèn)為底座底面是和箱體連接固定不動的。 簡化后的底座模型如圖 313 所示： 圖 313 底座簡化模型 （ 2）定義材料屬性 同樣，在底座 的 模態(tài) 分析中 也 必須定義彈性模量和密度。 (a)一階振型 (b)二階振型 (c)三階振型 (d)四階振型 (e)五階振型 (f)六階振型 圖 312 工作臺各階振型圖 各階模態(tài)振動頻率如下表所示： 表 34 滾珠絲杠各階模態(tài)振動頻率 階數(shù) 1 2 3 4 5 6 頻率（ Hz） 1189 1262 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 30 頁 共 39 頁 底座的模態(tài)分析 （ 1）模型簡化 在用 ANSYS 對底座進(jìn)行動靜態(tài)分析的過程中，大量的螺紋孔以及各種 倒角會造成分析模型過于龐大并且出現(xiàn)畸形單元。故設(shè)置 4 個接觸為全約束，限制 3 個自由度。 工作臺 的材料屬性如下： 表 33 工作臺材料屬 性 彈性模量 /GPa 泊松比 密度 /Kgm3 135 7300 （ 3）單元的選擇和網(wǎng)格的劃分 在工作臺的 建模過程中 依然 采用 Solid 92 實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。所以， 同樣對工作臺進(jìn)行模型簡化，將影響較小的螺紋孔， T 型槽，倒角等結(jié)構(gòu)去除，主要考慮工作臺下部的支承部分對模態(tài)振型的影響。 則絲杠的橫截面的慣性矩為： () 則計(jì)算出絲杠的臨界壓力為： () 得到安全系數(shù)為： () 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 安全系數(shù) 5，滿足要求。 滾珠絲杠桿長 1800mm，彈性模量為 200GPa，最大壓力為 9441N。失穩(wěn) 所 造成的 直桿喪失軸向支撐能力 ， 很可能會造成零部件或者整個系統(tǒng)的破壞，造成生產(chǎn)安全等問題。壓桿喪失直線形狀而過渡為曲線平衡，稱之為失穩(wěn) [21]。m，略小于理論計(jì)算時的剛度。 得到的應(yīng)力云圖如圖 37 所示： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 25 頁 共 39 頁 圖 37 滾珠絲杠應(yīng)力云圖 得到的應(yīng)變云圖如 圖 38 所示： 圖 38 滾珠絲杠應(yīng)變云圖 從應(yīng)變云圖中看到，在外界載荷的作用下應(yīng)變量最大為 106 mm。故載荷僅為摩擦力。再進(jìn)行計(jì)算分析便可以得到絲杠在軸向力作用下整體的屈曲變形情況和應(yīng)力分布情況。 整理后的各階模態(tài)振型圖 如下 圖 35 所示 ： (a)一階振型 (b)二階振型 (c)三階振型 (d)四階振型 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 23 頁 共 39 頁 (e)五階振型（ 1） (f)五階振型（ 2） (g)六階振型 圖 35 滾珠絲杠各階振型圖 各階模態(tài)振動頻率如下表所示： 表 32 滾珠絲杠各階模態(tài)振動頻率 階數(shù) 1 2 3 4 5 6 頻率（ Hz） 1168 （ 6）滾珠絲杠的靜力分析 靜力分析時，由于受力部分為絲杠中段，如果繼續(xù)使用直桿模型則不便于施加外界載荷，故增加絲杠螺母模型，方便在絲杠中 段施加外界載荷，并且也不會影響計(jì)算分析的可靠性。 設(shè)定 analysis type 為 modal分析，進(jìn)行求解運(yùn)算。物體理論上有無窮階模態(tài)，振動是 這無窮階模態(tài)的疊加。在模態(tài)分析中不需要對模型進(jìn)行施加載荷約束。 采用智能尺寸進(jìn)行網(wǎng)格分割 ，選取的劃分 單元的 精度為 4。本單元由 10 個節(jié)點(diǎn)定義，每個節(jié)點(diǎn)有 3 個自由度：節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的 x， y ， z 方向的平動。 滾珠絲杠簡化后的模型如圖 31 所示： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 20 頁 共 39 頁 圖 31 滾珠絲杠簡化模型 （ 2）定義材料屬性 根據(jù) ANSYS 模態(tài)分析需要， 定義彈性模量和 材料的 密度。為此， 需要對模型 進(jìn)行簡化，由于絲杠螺紋對絲杠模態(tài)振型及靜力分析影響不 大，因此 將絲杠簡化為無螺紋的光桿。 本 文中， 主要 是 進(jìn)行了對主要零部件的前六階模態(tài)振型的分析以及對絲杠在軸向力作用下的靜力學(xué)分析及壓桿穩(wěn)定的分析。 因?yàn)?加工中心的激振力的頻率一般都不會太高，所以只有前幾階模態(tài)的固有頻率才會與振源的激振頻率重合或著接近 ； 高階模態(tài)的固有頻率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的振源的激振頻率，一 般不會發(fā)生共振，對加工質(zhì)量精度的影響也不大 [20]。 ANSYS 基本功能包括：結(jié)構(gòu)分析（靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析、特征屈曲分析、專項(xiàng)分析等）、熱分析、電磁分析、流體分析、耦合場分析等 [22]。 ANSYS 簡介 ANSYS 軟件是美國 ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（ FEA）軟件，他是世界范圍內(nèi)增長最快的 CAE 軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體及電磁場等學(xué)科的研究，在航空航天、機(jī)械制造、土木工程、船舶工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用 [22]。所以，用有限元分析的方法進(jìn)行計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似解。然后根據(jù)問題的具體 情況，設(shè)置劃分出的單元的形式（如梁單元、桿單元等）和數(shù)目（一般單元數(shù)量越多則最后得到計(jì)算結(jié)果精度也會越高，但會增大工作量），最后用被離散化的物體來代替原始的研究對象 體進(jìn)行求解，用得到的解來近似表示真實(shí)的變形情況。最終雙驅(qū)動直線進(jìn)給系統(tǒng)的總體裝配圖如下所示： 圖 211 整體裝配效果圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 18 頁 共 39 頁 3 雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的有限元建模與靜動態(tài)分析 有限元及 ANSYS 簡介 有限元方法簡介 有限元法是是近似求解一般連續(xù)域問題的一種數(shù)值方法，最初是用于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，后來很快就廣泛應(yīng)用于如電磁場、流體力學(xué)等各種連續(xù)域問題 ； 有限元法適應(yīng)于任意復(fù)雜的 幾何區(qū)域，可以處理不同的邊界條件，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在 20 世紀(jì)中葉以來，有限元法以其獨(dú)有的計(jì)算優(yōu)勢得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用 [22]。 本章小結(jié) 根據(jù)工作條件、壽命、 精度等要求，對標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型工作，并對其他部件進(jìn)行形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后綜合校核整體精度。m 。故載荷僅為摩擦力。綜合剛度記為 K () 故 K=1/= N/181。m。代入公式 () 式中 di—絲杠底徑，等于公稱直徑減球徑。當(dāng)螺母移到距定位點(diǎn)最近處時，還應(yīng)保留一定的距離，設(shè)為 150mm。 則： () 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 16 頁 共 39 頁 折合到執(zhí)行部件的直線剛度為 () （ 2）滾珠絲杠的拉壓剛度 Ktmin 本例 中 絲杠 采用的是“ 兩端固定 “ 的 軸承 支承方法 ， 絲杠的 拉壓剛度 固定， 不 受螺母 在絲杠中的位置變化 的影響 。 s/rad ,轉(zhuǎn)矩系數(shù) Kt = N?m/A， RM =。 伺服電動機(jī)的反電動勢系數(shù) KM 指的是 ： 伺服電動機(jī)的 反電動勢與角速度之比。輸入電壓， 大部分被反電動勢所平衡， 少量 的 消耗于電樞回路的阻抗 [5]。其余誤差為在載荷作用下，各個環(huán)節(jié)的位移。 圖 28 導(dǎo)軌安裝位置 圖 29 軸承座安裝位置 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 15 頁 共 39 頁 圖 210 底部支撐架結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)剛度的驗(yàn)算 進(jìn)給 驅(qū)動 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的定位精度為 ?？紤]到要方便排放碎屑， 在底座上面凹槽部分上下打通，方便碎屑排放。 為了滿足高速、高精度的測試要求，底座必須具有良好的剛度，并且有很好動態(tài)特性。 圖 27 工作臺底部結(jié)構(gòu) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 14 頁 共 39 頁 底座設(shè)計(jì) 底座是整個進(jìn)給系統(tǒng)的總體支撐部分，用來放置導(dǎo)軌、工作臺、軸承座等部件。同時地面還要保留安裝絲杠螺母的位 置。故需要設(shè)置成筋板結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如圖 26 所示。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 13 頁 共 39 頁