基于Pro/Mechanica的电动刀架上刀体的模态分析

曾齐高，罗 飞，杨世龙，黄灯生，邓进华

（1.深圳市龙岗职业技术学校，广东深圳 518172；2.深圳技师学院，广东深圳 518040；3.深圳市华领精密机电有限公司，广东深圳 518108）

0 引言

从有限元方法（Finite Element Methods）这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了四十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。

Pro/Mechanica是Pro/Engineer的一个模块，主要包含结构分析和热力分析两个次模块。其中，结构分析模块进行零件和装配体的结构分析，包含静态分析、模态分析、屈曲分析、接触分析、预应力分析及振动分析等；热力分析模块进行稳态和温度分布分析，并可根据其热力状态进行灵敏度分析和优化设计[1-2]。

电动刀架是数控车床进行自动换刀的实现机构，实现刀架上上刀体的转动和刀体的开定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换。电动刀架采用了由销盘、内端齿、外端齿盘组合成的三端齿定位机构，上刀体转位时无需抬起，从而排除了冷却液及切削对刀架转位时的侵扰。

本文采用Pro/Engineer对数控车床电动刀架上刀体进行三维建模，利用Pro/Mechanica进行模态分析，获得上刀体的固有频率，从而验证了上刀体在数控加工过程中的安全性。

1 电动刀架上刀体的三维建模

本文选用的刀架为LDB4系列电动刀架，由驱动电动机、三端齿定位机构、蜗轮蜗杆传动装置以及上下刀体组成。本文选用该电动刀架的上刀体进行分析，利用Pro/Engineer Wildfire 5.0对其进行三维建模，如图1所示。

图1 电动刀架上刀体

2 电动刀架上刀体的模态分析

文中首先运用Pro/Engineer Wildfire5.0建立3D模型，再用Pro/Mechanica软件进行FEM分析，求解出固有频率，具体步骤如图2所示。

图2 车刀的有限元分析步骤

2.1 设置材料并指定材料

文中所用的数控车刀由多个部分组成，每一部分的材料是不一样的，其中刀粒采用的是WC硬质合金材料[5]，其他部分采用钢材料，其特性参数如表1所示。

表1 材料特性参数表

2.2 网格划分

利用Pro/Mechanica的AutoGEM功能对模型进行网格划分，得到边数5 204，面数7 139，四面体数3 043，最小边角5.03°，最大边角168.91°，如图3所示。

图3 网格划分

2.3 设置约束

根据电动刀架在加工过程中的实际情况，刀架底面需固定，所以设置平面约束，刀架在换刀时需要转动，换完刀之后刀架需要销钉固定，所以设置销钉约束，所以具体如图4所示。

2.4 模态分析计算

由于模态分析无需加载荷，完成上述步骤即可进行模态分析，设置模态分析模式数为8，分析其不同模式的应力、位移、应变等，具体分析结果如图5所示。

如图6所示，数控车床电动刀架上刀体的前8种模式的频率随着模式的增加频率依次递增，频率数值在4 471.21～8 586.02 Hz范围之间，根据数控加工的运行情况下，电源的频率为50 Hz，低速车床主轴转速的频率在100 Hz（相当于6 000 r/min）以下，电动刀架刀位转换时的电动机转速为1 400 r/min（频率相当于23.3 Hz），为而该上刀体的固有频率远离上述两个频率，所以在数控加工过程中，发生共振的几率较低，所以电动刀架的上刀体在加工过程中的动态分析运行安全、可靠。

图4 设置约束

3 结论

电动刀架作为数控车床实现刀位转换的重要组成部分，其动态性能的优劣对加工精度的影响至关重要。本文运用Pro/E软件进行电动刀架上刀体的3D建模，进而利用Pro/Mechanica进行车刀的有限元分析，根据分析结果，得出以下结论：

图5 模态分析结果

（1）数控车床电动刀架上刀体的前8种模式的频率随着模式的增加频率依次递增，频率数值在4 471.21～8 586.02 Hz范围之间，而上刀体的固有频率远离数控加工过程中产生的工作频率，所以在数控加工过程中，发生共振的几率较低，所以电动刀架的上刀体在加工过程中的动态分析运行安全、可靠。

图6 不同模式频率变化图

（2）在数控机床的安装阶段，应尽量避免在数控机床的安装车间附近出现本文中所分析出来的上刀体的固有频率，尽量避免引起共振，引发安全事故。

［1］罗飞，曾齐高，陈恒亮，等.基于Pro/Mechanica的电梯曳引机承重梁的模态分析［J］.机电工程技术，2014（02）：57-60，101.

［2］二代龙震工作室.Pro/MECHANICA Wildfire 5.0结构/热力分析［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［3］喻步贤.数控车床的电动刀架故障诊断与维修［J］.机床与液压，2013（22）：160-162.

［4］曾齐高，罗飞，李积彬.基于MSC.Patran的路灯杆的模态分析［J］.机电工程技术，2014（05）：106-108.

［5］周兰，陈少艾.数控机床故障诊断与维修［M］.北京：人民邮电出版社，2007.