隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真與分析技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用愈加廣泛。使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的預(yù)裝配、靜或動(dòng)態(tài)干涉檢查以及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，可以在設(shè)計(jì)階段通過虛擬環(huán)境描繪產(chǎn)品三維外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系，模擬產(chǎn)品制造、裝配過程;可以通過CAE軟件檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，分析產(chǎn)品的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能;使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配、性能檢測(cè)的各個(gè)過程并行地進(jìn)行。

　　V400型柔性制造模塊為帶有回轉(zhuǎn)式工件交換裝置的立式加工中心，其主軸單元的工作性能直接影響機(jī)床的生產(chǎn)效能和加工工件的質(zhì)量，本文利用Pro/E、ANSYS軟件完成了主軸單元的結(jié)構(gòu)仿真、主軸的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性分析，從而提高了該柔性制造模塊主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和產(chǎn)品開發(fā)的可靠性。

　　1 主軸單元方案設(shè)計(jì)

　　v400型柔性制造模塊的加工對(duì)象為中等精度零件，要求主軸轉(zhuǎn)速較高(8000r/min)、調(diào)速范圍較寬，能承受中等載荷，振動(dòng)及噪聲小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低。為此，主傳動(dòng)系統(tǒng)采用交流主軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻調(diào)速，電機(jī)與主軸間通過同步齒形帶傳動(dòng);主軸采用兩支承形式，前后支承均采用7014CD型角接觸球軸承;刀柄自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)采用碟形彈簧-拉桿-喇叭口套筒及鋼球組成的拉緊裝置，依靠碟形彈簧的力量拉緊刀柄后部的拉釘實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)夾緊，依靠氣缸推動(dòng)拉桿頂出刀柄實(shí)現(xiàn)松刀。主軸的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式如圖1所示。

　　圖1 主軸結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式

　　2 裝配與運(yùn)動(dòng)仿真

　　2.1裝配仿真

　　2.1.1 零件建模

　　V400柔性制造模塊的主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有軸系、主軸箱、刀具(柄)自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)以及主軸伺服電機(jī)等構(gòu)成，共包括非標(biāo)件48個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)件120多個(gè)。

　　建模時(shí)，利用Pro/E軟件、采用“自底向頂”方式，同時(shí)結(jié)合零件制造、使用的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行構(gòu)建。為減少模型的內(nèi)存占用量，避免裝配和分析時(shí)出錯(cuò)，應(yīng)盡可能減少設(shè)計(jì)特征的數(shù)量，合理設(shè)置零件在坐標(biāo)系中的位置，對(duì)重要的裝配或加工件建立合理的參考基準(zhǔn)特征(如DATUM PLANE、CURVE、AXIS等)，否則，會(huì)影響裝配模型的清晰顯示;對(duì)非重要的裝配或加工件(如螺釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件)可以直接插入本體特征而不建立參考基準(zhǔn)特征、并適當(dāng)簡(jiǎn)化，如螺釘?shù)穆菁y處用圓柱特征代替，省略占用很大內(nèi)存的螺旋特征。

　　零件三維模型創(chuàng)建的基礎(chǔ)是零件截面草圖。將二維截面草圖進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、倒角、布爾運(yùn)算等操作，即可形成所需零件的三維實(shí)體模型。

　　2.1.2 裝配仿真

　　把構(gòu)成主軸單元的三維實(shí)體零部件按一定的裝配關(guān)系組裝起來，即可在計(jì)算機(jī)上生成主軸單元的裝配模型。圖2為主軸單元部件裝配后的剖切圖，其裝配過程包括兩個(gè)方面：一是添加裝配約束，即按照共面反向、孔柱配合等裝配特征在零部件間添加裝配約束關(guān)系，限制零部件的自由度。二是裝配分析，即顯示自由度、干涉檢查和最小三維距離測(cè)量等。注意在裝配建模的過程中要按照實(shí)際裝配關(guān)系進(jìn)行，即按照由小組件到大部件逐級(jí)進(jìn)行裝配，要結(jié)合零件間的聯(lián)接關(guān)系(如固定聯(lián)接、鉸鏈聯(lián)接、滑動(dòng)聯(lián)接等)進(jìn)行裝配設(shè)定，按照先基礎(chǔ)件、后運(yùn)動(dòng)件，先主要件、后次要件的原則，逐一裝配。

　　圖2 主軸單元裝配模型

　　裝配模型經(jīng)渲染，其視覺效果與真實(shí)產(chǎn)品相仿。通過裝配仿真，可以直觀地發(fā)現(xiàn)零件間是否存在干涉情況，能夠方便地測(cè)量出零件間的距離，如拉桿下端至拉釘上端面的距離、鋼球分布圓的直徑、拉桿的行程等，因此易于對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性作出判斷，若存在問題，可進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，避免將結(jié)構(gòu)缺陷帶人產(chǎn)品試制階段。

　　2.2 運(yùn)動(dòng)仿真

　　進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)時(shí)，確定零件問的運(yùn)動(dòng)關(guān)系并給定主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式后，可模擬顯示整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，借助動(dòng)態(tài)仿真檢查機(jī)器零部件間的位置約束和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的正確性。主軸單元的運(yùn)動(dòng)形式包括主軸的正反轉(zhuǎn)及準(zhǔn)停、刀具(刀柄)自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)的拉刀和松刀動(dòng)作。主軸單元的主動(dòng)件為松刀氣缸和主軸電機(jī)，伺服電機(jī)經(jīng)同步帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，裝配建模時(shí)設(shè)置主軸支撐處為軸承聯(lián)接即可，而拉刀、松刀動(dòng)作則較為復(fù)雜，主要由松刀氣缸、碟形彈簧、拉桿、套筒、鋼球、拉釘?shù)攘慵g的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成。在裝配建模時(shí)，需設(shè)置相應(yīng)的聯(lián)結(jié)方式和運(yùn)動(dòng)特性j從而模擬拉刀、松刀動(dòng)作過程，通過修改零件的大小和裝配位置關(guān)系尺寸使運(yùn)動(dòng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這里主要是調(diào)整松刀氣缸的行程，以保證主軸前端刀柄(拉釘)定位夾緊裝置中鋼球的分布直徑變大/小，從而松開/拉緊刀柄后部的拉釘。運(yùn)動(dòng)仿真表明所設(shè)計(jì)的拉刀機(jī)構(gòu)能夠可靠地實(shí)現(xiàn)拉刀、松刀動(dòng)作。

　　3 主軸的靜、動(dòng)態(tài)特性分析

　　3.1靜態(tài)分析

　　靜態(tài)分析的主要任務(wù)是校核應(yīng)力、應(yīng)變及總變形是否符合要求，以保證主軸的變形精度和不發(fā)生破壞。

　　v400柔性制造模塊的主軸采用前后各一套角接觸球軸承支承，前端固定、后端游動(dòng)。主軸為中空的階梯軸，軸長425mm、支撐跨距236mm、主軸前端至前支承的距離47.9mm、軸承支承處直徑70mm，主軸材料為20CrMnTi、彈性模量E=210GPa、密度ρ=7.8×103kg/m3、泊松比μ=0.3。主軸所受載荷主要是加工時(shí)刀柄傳遞的切削力、彎矩及后端帶傳動(dòng)張力。以端銑刀粗銑平面為典型工況，由銑削力計(jì)算公式可得Ft=1040N、Fr=884N、彎矩M=195N·m，帶傳動(dòng)張力F=955N。

　　主軸的力學(xué)模型為空間彈性梁，為便于進(jìn)行有限元分析，提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量和分析速度，需對(duì)主軸進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，即將鍵槽、螺紋孔等均按實(shí)體處理，將各處倒角簡(jiǎn)化成直角，忽略退刀槽。將角接觸球軸承簡(jiǎn)化為彈性支承，忽略其角剛度，只考慮其徑向剛度，忽略軸承負(fù)荷及轉(zhuǎn)速對(duì)軸承剛度的影響，每個(gè)軸承處用一組壓縮彈簧來模擬，每組4根。采用10節(jié)點(diǎn)等參元四面體Solid92單元對(duì)主軸實(shí)體進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，軸承處采用Combinl4單元模擬彈簧。單個(gè)軸承的徑向剛度可按下式計(jì)算，每組彈簧的剛度按并聯(lián)計(jì)算。

　　式中：Z為滾動(dòng)體數(shù)量，Db為滾動(dòng)體直徑，α為角接觸球軸承的接觸角，F(xiàn)a0為軸向預(yù)緊力，中度預(yù)緊。

　　主軸前端施加x、y、z方向銑削力，后端施加y方向的帶傳動(dòng)張力，經(jīng)ANSYS軟件運(yùn)算處理，可得到主軸應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍D，其應(yīng)力分布如圖3所示。主軸前端最大變形為0.022mm，最大應(yīng)力在前端軸承處，最大應(yīng)力為0.0617×109Pa，遠(yuǎn)小于軸的屈服強(qiáng)度。

　　圖3 應(yīng)力分布圖

　　3.2動(dòng)態(tài)分析

　　動(dòng)態(tài)分析是指對(duì)被分析部件在自由狀態(tài)下或在一定的約束下的模態(tài)分析，以確定部件的多個(gè)低階固有頻率及相關(guān)振型。主軸的振動(dòng)可表達(dá)為各階振型的線性疊加，其中低階振型比高階振型影響大，越是低階影響越大，低階振型對(duì)主軸的動(dòng)態(tài)特性起決定作用，故進(jìn)行主軸的振動(dòng)特性分析時(shí)通常取前五階即可。在ANSYS模態(tài)分析中進(jìn)行計(jì)算，采用精度較高的子空間模態(tài)提取法，提取了前五階模態(tài)數(shù)據(jù)(固有頻率和振型)　

　　圖4 主軸第二階模態(tài)

　　圖5 主軸第三階模態(tài)

　　圖6 主軸第四階模態(tài)

　　圖7 主軸第五階模態(tài)

　　4 結(jié)束語

　　結(jié)果和運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明V400型柔性制造模塊的主軸單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,拉/松刀機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能可靠地實(shí)現(xiàn)拉刀及松刀動(dòng)作。靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析數(shù)據(jù)顯示最大應(yīng)力位于前軸承支承處，其數(shù)值遠(yuǎn)小于軸的屈服強(qiáng)度;主軸前端最大變形量(粗銑平面)為0.022mm，能夠滿足加工要求;主軸的臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于其最大工作轉(zhuǎn)速8000r/min，工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振，可有效保證加工精度。