陳 琪，卜 剛

(蘇州市職業(yè)大學 電子信息工程學院，江蘇 蘇州 215104)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化

陳 琪，卜 剛

(蘇州市職業(yè)大學 電子信息工程學院，江蘇 蘇州 215104)

為滿足橫梁系統(tǒng)高速運動要求，需提高其動態(tài)性能。分別采用有限元分析和動力學實驗對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁系統(tǒng)進行動力學分析與研究，根據(jù)動力學分析結果提出優(yōu)化方案，并驗證優(yōu)化方案的可行性，從而達到提高橫梁系統(tǒng)剛性和動力學響應性能的目的。

橫梁系統(tǒng)；位移；加速度；優(yōu)化

橫梁是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床送料系統(tǒng)，其動力學性能好壞直接影響板材加工精度[1]，因此，研究橫梁動力學性能具有非常重要的意義。動力學分析主要有兩種方法：一種是動態(tài)測試，主要測試系統(tǒng)的動態(tài)位移、動力加速度、固有頻率等；另一種是利用動力學模型進行理論分析[2]。本研究采用動態(tài)測試與動力學模型分析相結合的方法對橫梁系統(tǒng)進行動力學分析，利用分析數(shù)據(jù)找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而對系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，并驗證優(yōu)化結果。

1 橫梁結構

1.1 橫梁模型

橫梁主要由電機、絲桿、導軌、夾鉗、橫梁方管以及加強筋組成，其中橫梁方管是橫梁的支撐部件，厚10 mm；加強筋用于增加橫梁的剛度，豎直方向加強筋Z1厚8 mm，水平方向加強筋X1厚10 mm。橫梁結構如圖1所示。

圖1 橫梁結構圖

1.2 橫梁有限元模型

對橫梁進行有限元分析，需先建立有限元模型。①為減少計算量和防止計算不收斂，對橫梁模型進行簡化處理，如去倒角、小孔[3]；②設定橫梁材料，橫梁由3種材料組成：Q235A、Q235B及45鋼；③劃分橫梁網(wǎng)格，橫梁主體采用四面體和六面體實體單元，絲桿采用橫梁單元劃分網(wǎng)格[4]；④設定橫梁各部件約束，橫梁主體采用Tie約束，導軌和絲桿采用Connector約束[5]，如圖2所示。

圖2 橫梁網(wǎng)格劃分模型

2 優(yōu)化前橫梁動態(tài)性能及優(yōu)化方案

2.1 動力學模型分析

模態(tài)分析是研究結構動力特性的一種方法，其分析機械結構的固有振動特性，每一個模態(tài)分析具有特定的固有頻率、阻尼比和振型[6]。

本研究采用有限元分析方法對橫梁系統(tǒng)進行動力學分析，通過有限元分析，得到橫梁系統(tǒng)結構模態(tài)[7]。模態(tài)低階頻率對橫梁系統(tǒng)影響較大[8]，因此，經(jīng)模擬分析選取橫梁系統(tǒng)前六階固有頻率和振型，如表1和圖3所示。

表1 橫梁系統(tǒng)固有頻率和振型

圖3 優(yōu)化前橫梁系統(tǒng)振型圖

2.2 動態(tài)測試分析

動態(tài)測試主要研究橫梁系統(tǒng)在動態(tài)載荷激勵下的動態(tài)位移和加速度。測試電測法在橫梁上布置測點，并獲得測點的動態(tài)位移和加速度。不同工況下橫梁系統(tǒng)所獲得的動態(tài)位移和加速度各不相同，本研究選取橫梁夾持板材位于中間和空載兩種工況，橫梁以100%(即60 m/min)速度，做1 mm，10 mm，25 mm和600 mm往復運動進行研究。測試所得優(yōu)化前橫梁動態(tài)位移如表2所示，優(yōu)化前橫梁加速度如表3所示。

表2 優(yōu)化前橫梁動態(tài)位移

表3 優(yōu)化前橫梁加速度

由測試結果可知：①在相同工況下，橫梁夾持板材比空載時動態(tài)位移要大，如橫梁做10 mm運動時測點動態(tài)位移如圖4所示；同一測點，橫梁做25 mm反復運動時的動態(tài)位移最大；②在相同速度下，橫梁夾持板材和空載時加速度基本相同。

圖4 橫梁做10 mm運動時測點動態(tài)位移

2.3 優(yōu)化方案

經(jīng)上述動力學分析可知，橫梁系統(tǒng)動力學性能基本能滿足現(xiàn)階段加工需求，但是當橫梁高速運動時，會出現(xiàn)高頻振動，而高速運動又是沖床今后發(fā)展的趨勢，因此需優(yōu)化橫梁系統(tǒng)動力學性能。主要從提高橫梁剛性、提高加速度兩個方面優(yōu)化橫梁動力學性能。

橫梁筋板用于提高橫梁主體方管的剛度，故增加筋板尺寸可達到提高剛度、減小動態(tài)位移的目的。將縱向筋板厚度X1增加為12 mm，橫向筋板厚度X2增加為12 mm。

對橫梁主體方管進行輕量化處理，可以減小慣性力，以提高橫梁系統(tǒng)的加速度響應。為不影響橫梁整體作用，僅對橫梁主體方管兩側(cè)板材進行處理，將其厚度變?yōu)?6 mm，優(yōu)化后橫梁由原來的588.57 kg減至553.61 kg。

3 優(yōu)化后橫梁動態(tài)性能

3.1 動力學模型分析

橫梁系統(tǒng)優(yōu)化后固有頻率如表4和圖5所示。

表4 優(yōu)化后固有頻率和振型

圖5 優(yōu)化后橫梁系統(tǒng)振型圖

3.2 動態(tài)測試分析

橫梁系統(tǒng)優(yōu)化后動態(tài)位移和加速度如表5和表6所示。

表5 優(yōu)化后橫梁動態(tài)位移

表6 優(yōu)化后橫梁加速度

4 結論

對比改進前后動力學模型分析和動態(tài)測試實驗可知：

1) 優(yōu)化后橫梁系統(tǒng)除二階、三階外，其他固有頻率都有所下降，達到了輕量化的目的。

2) 在相同工況下，橫梁系統(tǒng)改進后動態(tài)位移明顯減小，說明改進后橫梁系統(tǒng)剛性得以提高。3) 在相同工況下，橫梁系統(tǒng)改進后加速度變大，響應速度變快。

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(責任編輯：李 華)

Dynamic Optimization of the Beam of CNC Turret Punch Press

CHEN Qi，BU Gang
(School of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

To meet the requirement of high speed movement of the beam system， its dynamic performance needs improving. This paper adopts finite element analysis and dynamic experiment to carry out dynamic researches into CNC turret punch press beam system. According to the results of dynamic analysis， an optimized approach is proposed and its feasibility is verifed， which can improve the rigid beam system and the dynamic response.

beam system；displacement；acceleration；optimization

TH164

A

1008-5475(2017)02-0032-05

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.02.006

2017-02-11；

2017-02-28

陳 琪(1987-)，女，江蘇南通人，助理實驗師，碩士，主要從事機械設計研究。

陳琪，卜剛.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化[J].蘇州市職業(yè)大學學報，2017，28(2)：32-36.