ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺部分的動力學(xué)仿真與分析
2019-3-5 來源：安徽機電職業(yè)技術(shù) 南京林業(yè)大學(xué) 作者：劉順 張冬冬 韓雪
摘要：以六鉆頭龍門式 ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺部分為研究對象，應(yīng)用 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件建立其三維模型，通過 ＡＤＡＭＳ軟件建立工作臺部分的剛?cè)峄旌夏Ｐ筒⑦M行仿真分析，發(fā)現(xiàn)了工作臺支撐板對系統(tǒng)的動態(tài)特性影響較大．因此，要提高工作臺部分運動過程中的定位精度，有效的方法是對支撐板進行拓撲優(yōu)化，利用 ＡＮＳＹＳ軟件的拓撲優(yōu)化模塊，在保證剛度的基礎(chǔ)上，盡可能減少其質(zhì)量，改進原有的支撐板結(jié)構(gòu)，提高工作臺進給系統(tǒng)的動態(tài)特性．
關(guān)鍵詞：動態(tài)特性；動力學(xué)；拓撲優(yōu)化
０ 引言
ＰＣＢ（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）數(shù)控鉆床是加Ｂ板的專用設(shè)備，鉆孔是印制電路板加工非常重要的一道工序，在印制電路板加工領(lǐng)域占有重要的地位，而鉆孔的效率和精度是檢驗 ＰＣＢ 數(shù)控鉆床鉆孔性能優(yōu)劣的重要標準．ＰＣＢ數(shù)控鉆床分 Ｘ、Ｙ 和Ｚ 三個運動方向，Ｚ方向是鉆孔的下鉆運動，而 Ｘ、Ｙ 向?qū)崿F(xiàn)定位運動．在鉆孔過程中電機的頻繁啟動，同時啟動和停止的高加速度，對工作臺運動方向上的定位精度提出高要求。工作臺部分零件的裝配精度和運動過程中的動特性對工作臺運動方向上的精度有重要的影響．
１、ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺部分的結(jié)構(gòu)組成
本文以典型的六鉆頭龍門式 ＰＣＢ 數(shù)控鉆床為例，研究工作臺部分進給系統(tǒng)，以典型的旋轉(zhuǎn)電機加滾珠絲杠作為驅(qū)動，應(yīng)用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件建立三維幾何模型，結(jié)構(gòu)組成如圖１所示．
工作臺部分主要包括傳動部分，導(dǎo)向部分和夾緊系統(tǒng)三大部分．傳動部分由聯(lián)軸器、滾珠絲杠和絲杠螺母組成的絲杠副、工作臺支撐板組成，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動，通過支撐板將運動和動力傳遞給工作臺．導(dǎo)向部分由高精度的滾動導(dǎo)軌和滑塊組成，實現(xiàn)工作臺部分的支撐和精密導(dǎo)向．而夾緊系統(tǒng)由氣動裝置、夾緊氣缸和氣缸座組成，實現(xiàn)工作臺上 ＰＣＢ板的固定和夾緊．另外，在工作臺前端邊緣，還安裝有刀具檢測裝置和機械手換刀裝置．
圖１ 六鉆頭 ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺部分裝配圖
２ 、ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺部分虛擬樣機模型建立與分析
在工作臺部分三大組成系統(tǒng)中，夾緊氣缸主要實現(xiàn)工作臺 ＰＣＢ板的夾緊，在工作臺運動過程中對系統(tǒng)的動靜態(tài)特性影響較小，分析時可以忽略，而進給系統(tǒng)是工作臺部分傳遞運動與動力，其受力變形和振動對工作臺定位精度有重要影響．在進給系統(tǒng)中聯(lián)軸器和滾珠絲杠對工作臺部分系統(tǒng)的動態(tài)特性影響不大，視為剛體．滾動導(dǎo)軌系統(tǒng)在工作臺沿Ｙ方向進給運動中起到導(dǎo)向與支撐作用，由于安裝穩(wěn)固，本身結(jié)構(gòu)變形小，對整個工作臺部分系統(tǒng)的影響不大，視為剛體．對于目前六鉆頭的數(shù)控鉆床為減小工作過程中的振動，工作臺普遍采用花崗石材料，所以其振動、結(jié)構(gòu)變形小，也視為剛體．
２．１ ＡＤＡＭＳ
軟件系統(tǒng)動力學(xué)分析ＡＤＡＭＳ軟件 廣 泛 用 于 機 械 系 統(tǒng) 的 動 力 學(xué) 分析，可以建立包括剛體和柔性體的復(fù)雜動力學(xué)模型，通過軟件分析可以避免復(fù)雜的理論動力學(xué)模型，直觀的了解機械系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)部件的運動與受力情況．ＡＤＡＭＳ軟件 動力學(xué)分析是運用其 內(nèi) 部 的 Ｓｏｌｖｅｒ求解器完成，求解器的理論基礎(chǔ)是運用 Ｅｕｌｅｒ－Ｌａ－ｇｒａｎｇｅ 方法得到動力學(xué)方程，再運 用 Ｎｅｗ －Ｒａｐｈｓｏｎ方法求解．對于簡單的多剛體動力學(xué)模型，忽略了機械系統(tǒng)各構(gòu)件的受力變形．簡單的受力變形較小的機械零部件，仿真結(jié)果與實際誤差較小，但受力復(fù)雜的機械系統(tǒng)中，重要零部件的彈性振動和變形不可忽略，不能將其看為簡單的剛體，而將其視為柔性體，建立剛?cè)峄旌蟿恿W(xué)模型．于剛體運動的位移和柔性體內(nèi)部的彈性位移相互耦合，所以剛?cè)峄旌蟿恿W(xué)模型的分析也比較復(fù)雜．
２．２ 工作臺部分剛?cè)峄旌夏Ｐ偷慕?/font>
ＡＤＡＭＳ軟件進行動力學(xué)仿真建立柔性體的三種方法，前兩種是利用 ＡＤＡＭＳ軟件建立柔性 體適用于幾何形狀規(guī)則簡單的柔性體，對于幾何形狀復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)零件，建立柔性體比較困難，所以應(yīng)用 ＡＮＳＹＳ軟件對三維零件的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型
，導(dǎo)入到 ＡＤＡＭＳ 軟件中進行動力學(xué)仿真分析．
（１）簡化模型
根據(jù)工作臺部分運動過程中的受力情況以及各個部件之間的裝配關(guān)系和作用，不考慮機械手換刀裝置、刀具檢測裝置、以及氣動夾緊裝置等零部件對運動 動力分析的影響，簡化三維模型．
（２）將工作臺支撐板、絲杠螺母座等零件的三維
幾何模型依次導(dǎo)入到 ＡＮＳＹＳ軟件中，選擇合適的單元類型 ｍａｓｓ２１和ｓｏｌｉｄ９２，確定常實數(shù)，添加材料屬性，進行網(wǎng)格劃分，建立支撐板、絲杠螺母座等零件的 ＡＮＳＹＳ有限元模型，如圖２所示
．
圖２ 支撐板和絲杠螺母座有限元模型
（３）建立 ＡＮＳＹＳ有限元模型的外連接點和剛性區(qū)域，并生成
ＡＤＡＭＳ軟件能夠識別的中性模態(tài)（ＭＮＦ）文件．
（４）將ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件建立的簡化虛擬裝配模型導(dǎo)入到 ＡＤＡＭＳ軟件，添加材料屬性，添加構(gòu)件之間的約束，在工作臺上施加載荷，建立工作臺部分多剛體系統(tǒng)動力學(xué)模型．構(gòu)件之間的運動副約束之間關(guān)系如表１所示．
（５）將支撐板、絲 杠螺母座 等幾何模型 生成的ＭＮＦ文件導(dǎo)入到 ＡＤＡＭＳ軟件中，通過外連接點和剛性區(qū)域銜接，代替工作臺部分多剛體動力學(xué)模型中的支撐板、絲杠螺母座等重要零件模型，完成工作臺部分剛?cè)峄旌蟿恿W(xué)模型的建立．
表１ 構(gòu)件之間的約束關(guān)系
（６）建立好剛?cè)峄旌夏Ｐ秃螅O(shè)置仿真終止時間為１ｓ，仿真步數(shù)為１０００步．理想情況下工作臺部分系統(tǒng)的輸入為:
按照上述建模方式，分別建立以支撐板和絲杠螺母座為柔性體的剛?cè)峄旌夏Ｐ停瑘?zhí)行仿真，并選擇工作臺上坐標點為測量點，得到分別以支撐板和絲杠螺母座為柔性體的加速度運動曲線，如圖４所示．
通過圖４的仿真結(jié)果可以看出，高速高精度的工作臺進給系統(tǒng)中，支撐板和螺母座的彈性變形會影響工作臺部分的瞬態(tài)定位誤差，從而影響工作臺的定位精度．但絲杠螺母座的彈性變形對工作臺部分的定位誤差影響并不明顯，而以支撐板為柔性體的加速度曲線對工作臺的動態(tài)特性影響較大．
工作臺支撐板是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，所以要提高工作臺的動態(tài)特性，需要針對支撐板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，在保證剛性的基礎(chǔ)上，合理減少支撐板材料，改進結(jié)構(gòu)，提高工作臺部分系統(tǒng)的動態(tài)特性．
３ 、工作臺支撐板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進
ＰＣＢ數(shù)控鉆床工作臺支撐 板 是工作臺部分進給系統(tǒng)中非常重要的零件．起到連接絲杠螺母座和鉆床工作臺，傳遞運動和動力的作用．在工作臺頻繁高速的啟動與停止過程中，產(chǎn)生較大慣性力，工作臺支撐板受力變形，導(dǎo)致鉆孔過程中的定位誤差．拓撲優(yōu)化是尋求最優(yōu)的拓撲結(jié)構(gòu)，利用 ＡＮＳＹＳ軟件的拓撲優(yōu)化功能，以支撐板的柔順度為目標函數(shù)，體積為約束函數(shù)，尋求最優(yōu)的材料分布，通過減少支撐板結(jié)構(gòu)的材料，使工作臺運動系統(tǒng)中的慣性力減小，提高工作臺運動過程中的結(jié)構(gòu)剛度．
３．１ 支撐板結(jié)構(gòu)平面拓撲優(yōu)化過程
根據(jù)支撐板在進給系統(tǒng)中和工作臺、絲杠螺母座的裝配關(guān)系和受力情況，在支撐板連接點處添加固定約束和載荷力．根據(jù)支撐板的材料，確定彈性模量為１．２２×１０５ ＭＰａ、泊 松 比 為 ０．２５ 和 材 料 密 度７８００ｋｇ／ｍ３，選擇迭代次數(shù)為１２次，材料減少的優(yōu)化目標，執(zhí)行優(yōu)化．查看減少 ５０％和 ７０％ 材料時的節(jié)點偽密度分布，優(yōu)化結(jié)果如圖５所示．
３．２ 優(yōu)化結(jié)果分析和結(jié)構(gòu)改進
利用 ＡＮＳＹＳ軟件的后處理模塊功能，分別查看減少５０％和７０％材料時的目標函數(shù)的優(yōu)化迭代曲線，如圖６所示．
通過圖６可以看出，減少５０％材料時的最小柔度為１６９．４７１ｍ／Ｎ，而減少７０％
材料時的最小柔順度為３２１．０９９ｍ／Ｎ，所以減少５０％材料時的柔順度最小，材料的結(jié)構(gòu)剛度最大．通過拓撲優(yōu)化給支撐板的結(jié)構(gòu)改進提供了參考，根據(jù)支撐板結(jié)構(gòu)的節(jié)點偽密度分布情況，合理減少材料結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)剛度．
改進后的支撐板結(jié)構(gòu)如圖７所示
４ 、結(jié)論
通過 ＡＤＡＭＳ軟件的動力學(xué)仿真分析，工作臺支撐板的彈性變形對系統(tǒng)產(chǎn)生瞬態(tài)的定位誤差，其剛性對工作臺的加速度影響較大，而其他零部件的彈性變形對工作臺的加速度影響較小，通過拓撲優(yōu)化改進原有支撐板結(jié)構(gòu)．結(jié)果表明，改進后的支撐板結(jié)構(gòu)對工作臺部分的動態(tài)特性有了一定的改善．在實際的生產(chǎn)應(yīng)用過程中提高了該型號的數(shù)控鉆床工作臺的定位精度。
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