隨著現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的快速發(fā)展，計算機仿真與分析技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應用愈加廣泛。使用計算機進行產(chǎn)品的預裝配、靜或動態(tài)干涉檢查以及運動學、動力學分析，可以在設(shè)計階段通過虛擬環(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軟件檢驗運動部件的運動關(guān)系，分析產(chǎn)品的靜態(tài)和動態(tài)力學性能;使產(chǎn)品設(shè)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(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)及動態(tài)特性分析，從而提高了該柔性制造模塊主傳動系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量和產(chǎn)品開發(fā)的可靠性。

　　1 主軸單元方案設(shè)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(zhuǎn)速較高(8000r/min)、調(diào)速范圍較寬，能承受中等載荷，振動及噪聲小，結(jié)構(gòu)簡單、造價低。為此，主傳動系統(tǒng)采用交流主軸伺服電機驅(qū)動，變頻調(diào)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(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現(xiàn)刀具的自動夾緊，依靠氣缸推動拉桿頂出刀柄實現(xiàn)松刀。主軸的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動方式如圖1所示。

　　圖1 主軸結(jié)構(gòu)及驅(qū)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(tǒng)主要有軸系、主軸箱、刀具(柄)自動夾緊機構(gòu)以及主軸伺服電機等構(gòu)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(jié)合零件制造、使用的實際狀態(tài)進行構(gòu)建。為減少模型的內(nèi)存占用量，避免裝配和分析時出錯，應盡可能減少設(shè)計特征的數(shù)量，合理設(shè)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?shù)葮藴始?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?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。將二維截面草圖進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、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(gòu)成主軸單元的三維實體零部件按一定的裝配關(guān)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(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量等。注意在裝配建模的過程中要按照實際裝配關(guān)系進行，即按照由小組件到大部件逐級進行裝配，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、滑動聯(lián)接等)進行裝配設(shè)定，按照先基礎(chǔ)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(jīng)渲染，其視覺效果與真實產(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(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性作出判斷，若存在問題，可進一步對結(jié)構(gòu)進行修改，避免將結(jié)構(gòu)缺陷帶人產(chǎn)品試制階段。

　　2.2 運動仿真

　　進行裝配設(shè)計時，確定零件問的運動關(guān)系并給定主動件的運動形式后，可模擬顯示整個機構(gòu)的運動情況，借助動態(tài)仿真檢查機器零部件間的位置約束和運動關(guān)系的正確性。主軸單元的運動形式包括主軸的正反轉(zhuǎn)及準停、刀具(刀柄)自動夾緊機構(gòu)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(jīng)同步帶傳動驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，運動簡單，裝配建模時設(shè)置主軸支撐處為軸承聯(lián)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?shù)攘慵g的相對運動完成。在裝配建模時，需設(shè)置相應的聯(lián)結(jié)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(guān)系尺寸使運動達到設(shè)計要求，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。運動仿真表明所設(shè)計的拉刀機構(gòu)能夠可靠地實現(xiàn)拉刀、松刀動作。

　　3 主軸的靜、動態(tài)特性分析

　　3.1靜態(tài)分析

　　靜態(tài)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(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。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(wǎng)格劃分質(zhì)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(zhuǎn)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(jié)點等參元四面體Solid92單元對主軸實體進行智能網(wǎng)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(lián)計算。

　　式中：Z為滾動體數(shù)量，Db為滾動體直徑，α為角接觸球軸承的接觸角，F(xiàn)a0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(jīng)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(tài)分析

　　動態(tài)分析是指對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，以確定部件的多個低階固有頻率及相關(guān)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(tài)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(tài)分析中進行計算，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)果和運動仿真結(jié)果表明V400型柔性制造模塊的主軸單元結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,拉/松刀機構(gòu)的運動能可靠地實現(xiàn)拉刀及松刀動作。靜態(tài)分析和動態(tài)分析數(shù)據(jù)顯示最大應力位于前軸承支承處，其數(shù)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(zhuǎn)速遠高于其最大工作轉(zhuǎn)速8000r/min，工作時不會產(chǎn)生共振，可有效保證加工精度。