隨著現代設計技術的快速發展，計算機仿真與分析技術在新產品開發中的應用愈加廣泛。使用計算機進行產品的預裝配、靜或動態干涉檢查以及運動學、動力學分析，可以在設計階段通過虛擬環境描繪產品三維外觀、內部結構和裝配關系，模擬產品制造、裝配過程;可以通過CAE軟件檢驗運動部件的運動關系，分析產品的靜態和動態力學性能;使產品設計、裝配、性能檢測的各個過程并行地進行。

　　V400型柔性制造模塊為帶有回轉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床的生產效能和加工工件的質量，本文利用Pro/E、ANSYS軟件完成了主軸單元的結構仿真、主軸的靜態及動態特性分析，從而提高了該柔性制造模塊主傳動系統的設計質量和產品開發的可靠性。

　　1 主軸單元方案設計

　　v400型柔性制造模塊的加工對象為中等精度零件，要求主軸轉速較高(8000r/min)、調速范圍較寬，能承受中等載荷，振動及噪聲小，結構簡單、造價低。為此，主傳動系統采用交流主軸伺服電機驅動，變頻調速，電機與主軸間通過同步齒形帶傳動;主軸采用兩支承形式，前后支承均采用7014CD型角接觸球軸承;刀柄自動夾緊機構采用碟形彈簧-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現刀具的自動夾緊，依靠氣缸推動拉桿頂出刀柄實現松刀。主軸的結構及驅動方式如圖1所示。

　　圖1 主軸結構及驅動方式

　　2 裝配與運動仿真

　　2.1裝配仿真

　　2.1.1 零件建模

　　V400柔性制造模塊的主傳動系統主要有軸系、主軸箱、刀具(柄)自動夾緊機構以及主軸伺服電機等構成，共包括非標件48個，標準件120多個。

　　建模時，利用Pro/E軟件、采用“自底向頂”方式，同時結合零件制造、使用的實際狀態進行構建。為減少模型的內存占用量，避免裝配和分析時出錯，應盡可能減少設計特征的數量，合理設置零件在坐標系中的位置，對重要的裝配或加工件建立合理的參考基準特征(如DATUM PLANE、CURVE、AXIS等)，否則，會影響裝配模型的清晰顯示;對非重要的裝配或加工件(如螺釘等標準件)可以直接插入本體特征而不建立參考基準特征、并適當簡化，如螺釘的螺紋處用圓柱特征代替，省略占用很大內存的螺旋特征。

　　零件三維模型創建的基礎是零件截面草圖。將二維截面草圖進行拉伸、旋轉、放樣、倒角、布爾運算等操作，即可形成所需零件的三維實體模型。

　　2.1.2 裝配仿真

　　把構成主軸單元的三維實體零部件按一定的裝配關系組裝起來，即可在計算機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量等。注意在裝配建模的過程中要按照實際裝配關系進行，即按照由小組件到大部件逐級進行裝配，要結合零件間的聯接關系(如固定聯接、鉸鏈聯接、滑動聯接等)進行裝配設定，按照先基礎件、后運動件，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

　　裝配模型經渲染，其視覺效果與真實產品相仿。通過裝配仿真，可以直觀地發現零件間是否存在干涉情況，能夠方便地測量出零件間的距離，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，因此易于對結構設計的合理性作出判斷，若存在問題，可進一步對結構進行修改，避免將結構缺陷帶人產品試制階段。

　　2.2 運動仿真

　　進行裝配設計時，確定零件問的運動關系并給定主動件的運動形式后，可模擬顯示整個機構的運動情況，借助動態仿真檢查機器零部件間的位置約束和運動關系的正確性。主軸單元的運動形式包括主軸的正反轉及準停、刀具(刀柄)自動夾緊機構的拉刀和松刀動作。主軸單元的主動件為松刀氣缸和主軸電機，伺服電機經同步帶傳動驅動主軸旋轉，運動簡單，裝配建模時設置主軸支撐處為軸承聯接即可，而拉刀、松刀動作則較為復雜，主要由松刀氣缸、碟形彈簧、拉桿、套筒、鋼球、拉釘等零件之間的相對運動完成。在裝配建模時，需設置相應的聯結方式和運動特性j從而模擬拉刀、松刀動作過程，通過修改零件的大小和裝配位置關系尺寸使運動達到設計要求，這里主要是調整松刀氣缸的行程，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。運動仿真表明所設計的拉刀機構能夠可靠地實現拉刀、松刀動作。

　　3 主軸的靜、動態特性分析

　　3.1靜態分析

　　靜態分析的主要任務是校核應力、應變及總變形是否符合要求，以保證主軸的變形精度和不發生破壞。

　　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。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刀柄傳遞的切削力、彎矩及后端帶傳動張力。以端銑刀粗銑平面為典型工況，由銑削力計算公式可得Ft=1040N、Fr=884N、彎矩M=195N·m，帶傳動張力F=955N。

　　主軸的力學模型為空間彈性梁，為便于進行有限元分析，提高網格劃分質量和分析速度，需對主軸進行簡化處理，即將鍵槽、螺紋孔等均按實體處理，將各處倒角簡化成直角，忽略退刀槽。將角接觸球軸承簡化為彈性支承，忽略其角剛度，只考慮其徑向剛度，忽略軸承負荷及轉速對軸承剛度的影響，每個軸承處用一組壓縮彈簧來模擬，每組4根。采用10節點等參元四面體Solid92單元對主軸實體進行智能網格劃分，軸承處采用Combinl4單元模擬彈簧。單個軸承的徑向剛度可按下式計算，每組彈簧的剛度按并聯計算。

　　式中：Z為滾動體數量，Db為滾動體直徑，α為角接觸球軸承的接觸角，Fa0為軸向預緊力，中度預緊。

　　主軸前端施加x、y、z方向銑削力，后端施加y方向的帶傳動張力，經ANSYS軟件運算處理，可得到主軸應力及應變云圖，其應力分布如圖3所示。主軸前端最大變形為0.022mm，最大應力在前端軸承處，最大應力為0.0617×109Pa，遠小于軸的屈服強度。

　　圖3 應力分布圖

　　3.2動態分析

　　動態分析是指對被分析部件在自由狀態下或在一定的約束下的模態分析，以確定部件的多個低階固有頻率及相關振型。主軸的振動可表達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，低階振型對主軸的動態特性起決定作用，故進行主軸的振動特性分析時通常取前五階即可。在ANSYS模態分析中進行計算，采用精度較高的子空間模態提取法，提取了前五階模態數據(固有頻率和振型)　

　　圖4 主軸第二階模態

　　圖5 主軸第三階模態

　　圖6 主軸第四階模態

　　圖7 主軸第五階模態

　　4 結束語

　　結果和運動仿真結果表明V400型柔性制造模塊的主軸單元結構設計合理,拉/松刀機構的運動能可靠地實現拉刀及松刀動作。靜態分析和動態分析數據顯示最大應力位于前軸承支承處，其數值遠小于軸的屈服強度;主軸前端最大變形量(粗銑平面)為0.022mm，能夠滿足加工要求;主軸的臨界轉速遠高于其最大工作轉速8000r/min，工作時不會產生共振，可有效保證加工精度。