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木材加工中心水平刨(刀轴)系统动静态特性研究∗ 赵莉莉, 齐博

发布者: 顺畅 | 发布时间: 2020-1-8 10:14| 查看数: 50| 评论数: 0|帖子模式

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木材加工中心水平刨(刀轴)系统动静态特性研究[size=0.6em]∗
赵莉莉1 齐 博2
(1.南兴装备股份有限公司,东莞 523990 2.华南理工大学,广州 510641)
摘要: 水平刨 (刀轴) 系统是木材加工中心的重要部件,其动态特性对加工工件的表面质量和加工误差影响很大。为获得水平刨(刀轴)系统的静动态特性指标,建立水平刨 (刀轴) 系统动力学数学模型,对其振动原理进行阐述;通过三维建模,借助于ANSYS软件对水平刨 (刀轴) 系统进行静力学分析、约束模态分析和谐响应分析,依据仿真结果对水平 (刀轴) 刨(刀轴) 系统设计的合理性进行验证。所得研究成果可为类似问题的分析提供参考,故本研究具有一定的工程应用价值。
关键词: 木材加工中心; 水平刨 (刀轴) 系统; 静态特性; 动态特性

[size=1em]木材加工中心是由金属加工中心演变而来的功能全面的数控加工机床[1-3],代表着木材加工设备发展的最高水平[4,5]。近年来,随着家具、装饰行业的快速发展和特殊定制的兴起,多功能木材加工中心不断涌现[6]。木材加工中心水平刨(刀轴)系统,依据市场需求应运而生。此系统具有铣削、钻孔功能,其静动态特性对工件的表面质量和加工误差有重要影响,故有必要对其静动态特性进行研究。

[size=1em]水平刨(刀轴)系统作为木材加工中心的主要部件,其结构模态直接决定了加工中心精度和使用寿命。当外部激励与水平刨(刀轴)系统固有频率重合或接近时,水平刨(刀轴)系统产生共振,致使工件的形位误差增大,报废率升高。对水平刨(刀轴)系统的静动态特性进行研究,可为类似系统设计提供依据,为其优化和故障排查提供参考。

1 水平刨(刀轴)系统及数学模型

[size=1em]以某装备股份有限公司的NCT3016-3S木材加工中心水平刨(刀轴)系统为研究对象,其全尺寸模型如图1所示。该系统具有三个刀具安装工位,除水平刨刀工位外,其他两个工位可根据实际情况安装不同刀具。驱动电机通过皮带向水平刨(刀轴)系统输入动力,即驱动电机通过皮带将外部激励作用于水平刨(刀轴)系统。当外部激励频率与水平刨(刀轴)系统的固有频率重合或接近时,水平刨(刀轴)系统的振动位移加大,加工精度将会受到严重影响。

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[size=0.8em]图1 水平刨(刀轴)系统模型
Fig.1 The horizontal planing (cutter shaft) system model

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[size=0.8em]图2 水平刨(刀轴)系统主轴等效力学模型
Fig.2 Equivalent mechanical model of the horizontal planing(cutter shaft) system spindle

[size=1em]水平刨主轴是一具有多点支承的阶梯轴,其等效数学模型如图2所示,将轴承支承单元抽象成由弹簧和阻尼构成的动态系统。该系统的运动微分方程可表示为:

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[size=1em]上式中,[M]、[C]、[K]分别为水平刨主轴质量、阻尼和刚度;、为水平刨主轴各点的位移向量和激振力向量。

[size=1em]对上式进行拉氏变换可得:

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[size=1em]式中,X(s)和F(s)为水平刨主轴各点位移向量和激振力的拉氏变化表达式。

[size=1em]令{X}=[φ]{q},[φ]为水平刨主轴振型矩阵,{q}为水平刨主轴模态坐标。于是上式可转化为:

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[size=1em]正交变换解耦后的任一方程可表示为:

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[size=1em]水平刨主轴坐标系下的响应表达式为:

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[size=1em]由上式可知,水平刨主轴的系统响应为坐标系下各响应之和。

2 水平刨(刀轴)系统静动态特性分析

[size=1em]运用三维软件建立水平刨主轴模型,将三维模型导入ANSYS软件,采用四面体网格对水平刨主轴进行网格化处理[7-10],网格节点数及单元数为14 637和8 267。水平刨主轴网格化模型,如图3所示。水平刨主轴采用45#钢加工而成,其弹性模量、泊松比、材料密度分别为210 GPa、0.31、7 850 kg/m3。

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[size=0.8em]图3 水平刨(刀轴)系统主轴网格化模型
Fig.3 Grid model of the horizontal planing (cutter shaft) system spindle

2.1 水平刨主轴静力特性计算

[size=1em]水平刨(刀轴)系统工作时,受到来自电机的驱动力矩和加工阻力矩的双重作用[11-13]。摩擦力矩的大小与工件材料属性、转速、吃刀量有密切关系,电机驱动力矩由摩擦力矩确定。由于摩擦力矩很难确定,故研究时以驱动电机所能提供的最大力矩作为水平刨(刀轴)系统的驱动力矩。

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[size=0.8em]图4 水平刨(刀轴)系统主轴静态变形云图
Fig.4 Static deformation cloud of the horizontal planing(cutter shaft) system spindle

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[size=0.8em]图5 水平刨(刀轴)系统主轴静态应力云图
Fig.5 Static stress cloud of the horizontal planing (cutter shaft)system spindle

[size=1em]水平刨(刀轴)系统驱动电机功率为7.5 kW,电机转速2 900 r/min,故作用在水平刨主轴上的转动力矩为24.7 N·m[14-15]。在外部载荷作用下,水平刨主轴的静态变形云图和应力分布云图,如图4和图5所示。

[size=1em]外力作用下,水平刨主轴的最大变形位于驱动带轮安装端,变形量为0.024 mm;刨刀安装部位,由于两边轴承的支承作用变形量可以忽略。水平刨主轴的最大应力为37 MPa,位于带轮安装位置附近,此应力远远小于轴的许用应力。仿真结果表明,水平刨主轴的最大应力和最大变形完全满足设计要求[16]。

2.2 水平刨主轴动态特性计算

[size=1em]水平刨主轴通过轴承与机座相连,故对主轴系统进行模态分析时采用约束模态模型,即在轴承安装位置设置相应约束。不同模态情况下,水平刨主轴的各阶模态及振型如图6所示。

[size=1em]不同模态情况下,水平刨主轴的变形方向及大小各不相同,其一阶固有频率为3 258 Hz。按此频率推算,发生共振时的最小临界转速为60×3 258=195 480 r/min。此速度远远大于木工机械所需转速,故水平刨主轴的设计可有效避开共振区间。

2.3 水平刨主轴谐响应分析

[size=1em]水平刨主轴谐响应分析可有效预测水平刨主轴系统的持续动力学特性,可对主轴系统是否能克服共振、疲劳及其他伤害进行验证。在水平刨主轴系统模态分析的基础上,频率范围0~4 800 Hz时,刨刀安装面的振幅-频率关系进行研究,其计算结果如图7所示。

[size=1em]仿真结果显示,在计算频率范围内,刨刀安装面的振幅在0~3 485 Hz范围内逐渐增大,在3 485~4 800 Hz范围内逐渐减小。刨刀安装面的最小谐响应频率为481 Hz,对应振幅0.12 μm。设计时,刨刀主轴的实际工况转速为3 000 r/min,对应频率为50 Hz。由此可以判定,水平刨主轴在此工况转速下可安全可靠运行,即水平刨(刀轴)系统设计合理。

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[size=0.8em]图6 水平刨(刀轴)系统主轴约束模态振型
Fig.6 Constrained mode shape of the horizontal planing(cutter shaft) system spindle

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[size=0.8em]图7 刨刀安装面谐响应曲线
Fig.7 Harmonic response curve of the planer mounting surface

3 结论

[size=1em]笔者采用理论分析和数值计算相结合的方法,对水平刨(刀轴)系统的静动态特性进行研究。通过理论分析建立水平刨(刀轴)系统等效力学模型,对水平刨系统的模态响应进行分析;通过数值计算,对水平刨(刀轴)系统的静态受力、约束模态和谐响应进行计算,通过计算对水平刨(刀轴)系统的设计进行验证。研究表明,水平刨主轴的系统响应为坐标系下各节固有频率之和。水平刨(刀轴)系统的固有频率远大于外界激振频率,所设计的主轴系统不存在刚度和共振问题;各频率下的谐响应振幅,随频率的增大先增大后减小,外界激励频率小于振幅最小时的谐响应频率,故水平刨(刀轴)系统设计合理不存在谐响应问题。

[size=1em]参考文献

[size=1em][1]何小东, 程良.木材加工行发展前景分析[J].科技纵横, 2012(6):248.

[size=1em][2]张伟.木材数控加工中心研究进展[J].木材加工机械, 2007(3):36-38, 33.

[size=1em][3]齐英杰, 马岩, 胡万义, 等.我木工机械行业技术人员教台与培养概况及分析[J].林业机械与木工设备, 2004, 32(5):23-27.

[size=1em][4]张伟.木材数控加工中心研究进展[J].木材加工机械, 2007(3):36-39.

[size=1em][5]刘久庆, 汤晓华, 王伟, 等.经济型数控镂铣机的开发及应用前景分析[J].林业机械与木工设备, 1999, 3(27):15-16.

[size=1em][6]黎贤釗.数控木材加工中心设计研究及其参数化设计系统开发与应用[D].广州: 广东工业大学, 2013.

[size=1em][7]毕庆, 侯志松, 袁清珂, 等.基于 ANSYS 的裁板机主轴系统静动态特性研究[J].组合机床与自动化加工技术, 2014, 1(1):17-19.

[size=1em][8]卞兆娟.木工数控镂铣机悬臂梁动态特性的研究与结构优化[D].南京: 南京林业大学, 2009.

[size=1em][9]刑静忠.ANSYS应用实例与分析[M].北京: 科学出版社, 2006.

[size=1em][10]尚晓江, 邱峰, 赵海峰, 等.ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京: 中国水利水电出版社, 2006.

[size=1em][11]杨为艳, 熊先青, 黄琼涛, 等.基于视图表达的木家具异形零件分类加工方法[J].林产工业, 2017, 44(4):35-39.

[size=1em][12]徐立城, 徐伟, 黄琼涛.基于人-机作业分析的梳齿榫开榫工序优化研究[J].家具, 2018, 39(6):6-10.

[size=1em][13]王昱璎, 陶毓博, 李鹏.传统骨木镶嵌装饰工艺的应用探析[J].家具与室内装饰, 2018(10):9-11.

[size=1em][14]范钦珊, 蔡新.工程力学[M].北京: 机械工业出版社, 2012.

[size=1em][15]东方.工匠精神与人文情怀兼具的枝道木工[J].家具与室内装饰,2018(7):34-41.

[size=1em][16]徐文俊, 郑丽文, 申文权, 等.一种基于MasterCAM X5和数控加工中心的零件表面雕刻技术 [J].林产工业, 2018, 45(5):54-58.


[size=1.8em]Static and Dynamic Characteristics Analysis of Horizontal Planing (Cutter Shaft) System of Wood Machining Center
[size=1em]ZHAO Li-li1 QI Bo2
(1.Nanxing Equipment Company Limited, Dongguan 523990, China 2.South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

[size=1em]Abstract: The horizontal planing (cutter shaft) system is an important part of the wood machining center.The dynamic characteristics of the horizontal planing (cutter shaft) system have a great influence on the surface quality and machining error of the machined workpiece.In order to obtain the static and dynamic characteristics of the horizontal planing (cutter shaft) system, a mathematical model of the horizontal planing (cutter shaft) system dynamics is established to explain the vibration principle of the horizontal planing (cutter shaft) system.Through the threedimensional modeling, the static analysis of the horizontal planing (cutter shaft) system and the harmonious response analysis of the constrained modal analysis are carried out by means of ANSYS software.The rationality of the horizontal planing (cutter shaft) system design is verified according to the simulation results.The obtained research results can provide reference for the analysis of similar problems, so this research has certain engineering application value.

[size=1em]Key words: Wood machining center; Horizontal planing (cutter shaft) system; Static characteristic; Dynamic characteristic


[size=1em]中图分类号:TS642

[size=1em]文献标识码:A

[size=1em]文章编号:1001-5299(2019)04-0039-04

[size=1em]DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201904008

[size=1em]*基金项目:东莞市科技局(2013B011302002,2015222115)

[size=1em]赵莉莉,工程师,南兴装备股份有限公司

[size=1em]齐 博(通讯作者),博士,华南理工大学,E-mail:qiboscut@126.com

[size=1em]收稿日期:2018-11-20



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