基于商用有限元软件的机床动力学建模系统的开发及其应用

摘要

高速高加速度数控装备是近年来机床发展的热点之一。随着切削加工向着高切削速度、高进给速度和高加工精度的方向发展，对机床工作性能的要求越来越高，不仅要求加工装备具有良好的静态特性，而且要具有良好的动态特性。为此，对其进行整机静动态特性分析已成为设计的必要环节。
　　 为了研究数控机床的动态特性，首先要建立其动力学模型。由于数控机床是由若干功能部件通过若干结合部组合起来的大型复杂结构，直接建立整机的有限元模型比较困难。本文将数控机床结构划分为功能部件和结合部两部分，对功能部件建立理论模型，对结合部划分为结合部单元，并建立其实验模型，发展了理论模型和实验模型相结合的机床动力学混合建模方法。
　　 对机床固定结合部进行了研究，并将机床固定结合部分为“线形式”和“阵列式”两种形式。根据有限元理论，建立了8节点24自由度的固定结合部单元。
　　 基于MSC.Patran二次开发了机床结构快速动力学建模系统。利用PCL语言，实现了固定结合部单元的属性及单元节点的输入。开发了固定结合部单元实验模型数据库。利用Nastran提供的DMIG卡片，将结合部单元实验数据输入到Patran中，实现了理论模型与实验模型的结合，提高了机床有限元建模的精度和效率。
　　 本文以Linear MC 6000机床的龙门横梁为研究对象，运用机床结构快速动力学建模系统建立了其有限元模型，并进行了静力学分析和模态分析，找出了龙门横梁的薄弱环节，为机床的优化设计提供了理论依据。