ＰＣＢ數控鉆床工作臺部分的動力學仿真與分析
2019-3-5 來源：安徽機電職業技術 南京林業大學 作者：劉順 張冬冬 韓雪
摘要：以六鉆頭龍門式 ＰＣＢ數控鉆床工作臺部分為研究對象，應用 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件建立其三維模型，通過 ＡＤＡＭＳ軟件建立工作臺部分的剛柔混合模型并進行仿真分析，發現了工作臺支撐板對系統的動態特性影響較大．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化，利用 ＡＮＳＹＳ軟件的拓撲優化模塊，在保證剛度的基礎上，盡可能減少其質量，改進原有的支撐板結構，提高工作臺進給系統的動態特性．
關鍵詞：動態特性；動力學；拓撲優化
０ 引言
ＰＣＢ（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）數控鉆床是加Ｂ板的專用設備，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域占有重要的地位，而鉆孔的效率和精度是檢驗 ＰＣＢ 數控鉆床鉆孔性能優劣的重要標準．ＰＣＢ數控鉆床分 Ｘ、Ｙ 和Ｚ 三個運動方向，Ｚ方向是鉆孔的下鉆運動，而 Ｘ、Ｙ 向實現定位運動．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數控鉆床工作臺部分的結構組成
本文以典型的六鉆頭龍門式 ＰＣＢ 數控鉆床為例，研究工作臺部分進給系統，以典型的旋轉電機加滾珠絲杠作為驅動，應用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件建立三維幾何模型，結構組成如圖１所示．
工作臺部分主要包括傳動部分，導向部分和夾緊系統三大部分．傳動部分由聯軸器、滾珠絲杠和絲杠螺母組成的絲杠副、工作臺支撐板組成，將電機的旋轉運動轉變為工作臺的直線運動，通過支撐板將運動和動力傳遞給工作臺．導向部分由高精度的滾動導軌和滑塊組成，實現工作臺部分的支撐和精密導向．而夾緊系統由氣動裝置、夾緊氣缸和氣缸座組成，實現工作臺上 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數控鉆床工作臺部分裝配圖
２ 、ＰＣＢ數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中，夾緊氣缸主要實現工作臺 ＰＣＢ板的夾緊，在工作臺運動過程中對系統的動靜態特性影響較小，分析時可以忽略，而進給系統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．在進給系統中聯軸器和滾珠絲杠對工作臺部分系統的動態特性影響不大，視為剛體．滾動導軌系統在工作臺沿Ｙ方向進給運動中起到導向與支撐作用，由于安裝穩固，本身結構變形小，對整個工作臺部分系統的影響不大，視為剛體．對于目前六鉆頭的數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、結構變形小，也視為剛體．
２．１ ＡＤＡＭＳ
軟件系統動力學分析ＡＤＡＭＳ軟件 廣 泛 用 于 機 械 系 統 的 動 力 學 分析，可以建立包括剛體和柔性體的復雜動力學模型，通過軟件分析可以避免復雜的理論動力學模型，直觀的了解機械系統中結構部件的運動與受力情況．ＡＤＡＭＳ軟件 動力學分析是運用其 內 部 的 Ｓｏｌｖｅｒ求解器完成，求解器的理論基礎是運用 Ｅｕｌｅｒ－Ｌａ－ｇｒａｎｇｅ 方法得到動力學方程，再運 用 Ｎｅｗ －Ｒａｐｈｓｏｎ方法求解．對于簡單的多剛體動力學模型，忽略了機械系統各構件的受力變形．簡單的受力變形較小的機械零部件，仿真結果與實際誤差較小，但受力復雜的機械系統中，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，建立剛柔混合動力學模型．于剛體運動的位移和柔性體內部的彈性位移相互耦合，所以剛柔混合動力學模型的分析也比較復雜．
２．２ 工作臺部分剛柔混合模型的建立
ＡＤＡＭＳ軟件進行動力學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則簡單的柔性體，對于幾何形狀復雜的機械結構零件，建立柔性體比較困難，所以應用 ＡＮＳＹＳ軟件對三維零件的幾何模型進行網格劃分，建立有限元模型
，導入到 ＡＤＡＭＳ 軟件中進行動力學仿真分析．
（１）簡化模型
根據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
幾何模型依次導入到 ＡＮＳＹＳ軟件中，選擇合適的單元類型 ｍａｓｓ２１和ｓｏｌｉｄ９２，確定常實數，添加材料屬性，進行網格劃分，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域，并生成
ＡＤＡＭＳ軟件能夠識別的中性模態（ＭＮＦ）文件．
（４）將ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件建立的簡化虛擬裝配模型導入到 ＡＤＡＭＳ軟件，添加材料屬性，添加構件之間的約束，在工作臺上施加載荷，建立工作臺部分多剛體系統動力學模型．構件之間的運動副約束之間關系如表１所示．
（５）將支撐板、絲 杠螺母座 等幾何模型 生成的ＭＮＦ文件導入到 ＡＤＡＭＳ軟件中，通過外連接點和剛性區域銜接，代替工作臺部分多剛體動力學模型中的支撐板、絲杠螺母座等重要零件模型，完成工作臺部分剛柔混合動力學模型的建立．
表１ 構件之間的約束關系
（６）建立好剛柔混合模型后，設置仿真終止時間為１ｓ，仿真步數為１０００步．理想情況下工作臺部分系統的輸入為:
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柔混合模型，執行仿真，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的仿真結果可以看出，高速高精度的工作臺進給系統中，支撐板和螺母座的彈性變形會影響工作臺部分的瞬態定位誤差，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特性影響較大．
工作臺支撐板是系統的薄弱環節，所以要提高工作臺的動態特性，需要針對支撐板結構進行優化設計，在保證剛性的基礎上，合理減少支撐板材料，改進結構，提高工作臺部分系統的動態特性．
３ 、工作臺支撐板的結構優化和改進
ＰＣＢ數控鉆床工作臺支撐 板 是工作臺部分進給系統中非常重要的零件．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，產生較大慣性力，工作臺支撐板受力變形，導致鉆孔過程中的定位誤差．拓撲優化是尋求最優的拓撲結構，利用 ＡＮＳＹＳ軟件的拓撲優化功能，以支撐板的柔順度為目標函數，體積為約束函數，尋求最優的材料分布，通過減少支撐板結構的材料，使工作臺運動系統中的慣性力減小，提高工作臺運動過程中的結構剛度．
３．１ 支撐板結構平面拓撲優化過程
根據支撐板在進給系統中和工作臺、絲杠螺母座的裝配關系和受力情況，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，選擇迭代次數為１２次，材料減少的優化目標，執行優化．查看減少 ５０％和 ７０％ 材料時的節點偽密度分布，優化結果如圖５所示．
３．２ 優化結果分析和結構改進
利用 ＡＮＳＹＳ軟件的后處理模塊功能，分別查看減少５０％和７０％材料時的目標函數的優化迭代曲線，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，材料的結構剛度最大．通過拓撲優化給支撐板的結構改進提供了參考，根據支撐板結構的節點偽密度分布情況，合理減少材料結構，保證結構剛度．
改進后的支撐板結構如圖７所示
４ 、結論
通過 ＡＤＡＭＳ軟件的動力學仿真分析，工作臺支撐板的彈性變形對系統產生瞬態的定位誤差，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，通過拓撲優化改進原有支撐板結構．結果表明，改進后的支撐板結構對工作臺部分的動態特性有了一定的改善．在實際的生產應用過程中提高了該型號的數控鉆床工作臺的定位精度。
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