新型圆柱凸轮传动式数控转台有限元分析

摘 介绍了一种新型的圆柱形凸轮传动数控转盘，介绍了其三维模型Workbench 进行有限元分析，获得满载状态下新型圆柱形凸轮传动数控转盘的动态和静态特性。根据有限元分析结果，在数控转盘工作过程中找到较大应力和变形位置，为新型圆柱形凸轮传动数控转盘的结构改进和优化提供依据。

关键词:圆柱形凸轮传动；数控转盘；满载；动态和静态特性

中图分类号：TH6 文献标识码：A 1001-0785(2018)09-0115-05

1 结构简介1.1 新型圆柱形凸轮传动数控转盘的总体方案设计由传动机构、工作台、分度箱等部件组成。三维模型的总体设计见图1。本文主要介绍了工作台和分度箱。

图1 新型圆柱形凸轮传动数控转盘整体模型

分度箱用于放置传动机构，工作台平行放置在顶部。工作台用于放置板、板或其他形状复杂的加工部件，或支撑尾座安装杆和轴加工部件，以确保高加工精度。新型圆柱形凸轮传动数控转盘的较大设计输入速度为2 500 r/min，转台自重为780kg，较大承载能力为8 000 kg。

1.2 传动机构设计新型圆柱形凸轮传动数控转盘传动机构主要采用圆柱形凸轮传动，主要包括a、b 一级新型圆柱形凸轮传动组由蜗杆和两个小型从动盘和圆柱形滚子组成，由左右蜗杆和大型从动盘和圆柱形滚子组成机联轴器和蜗杆联轴器。见图2。

图2 三维实体模型传动机构

蜗杆a 一端与电机联轴器相连，另一端通过蜗杆联轴器与蜗杆相连b 连接实现两个蜗杆的同步旋转。左右蜗杆通过两个小分度盘和蜗杆连接两个小从动盘a、b 同时，左右蜗杆与大从动盘驱动主输出轴旋转。

2 静态特征分析2.1 模型导入和网格分析了新型圆柱形凸轮传动数控转盘的静态特性。首先，需要将其三维模型导入分析软件Ansys Workbench导入中间模型后，通过Engineering Data Sources按表1进入材料数据库管理系统 定义新型圆柱形凸轮传动数控转台各部件的材料属性。

考虑到计算精度和效率，传动机构部分采用四面体法划分，其余采用自动划分法，较终几何模型的单元数为104 062、节点为172 665.数控转盘和传动机构的网格划分结果如图3所示 和图4 所示。

2.2 施加载荷和约束条件，分析新圆柱形凸轮传动数控转盘的静态特性，施加载荷和约束条件，计算网格分割后的载荷。新圆柱形凸轮传动数控转盘的主要载荷包括重力载荷、驱动扭矩、摩擦载荷、切割载荷等，

图3 模型网格划分结果图

图4 传动机构网格划分结果图

由于传动机构之间的摩擦较小，摩擦载荷可以忽略不计，但转盘的重力对整体结构性能有一定的影响，因此重力载荷不容忽视，重力载荷主要包括自重载荷和负载载荷，转盘重量为780 kg，较大承载能力为8 000 kg。另外，转台由电机驱动，驱动扭矩不容忽视。刀具的切削力在数控转盘工作中不容忽视。新型圆柱形凸轮传动数控转盘能承受的较大切削力为30 kN，荷载按较大切削力施加。

荷载施加完成后，根据实际情况对新型圆柱形凸轮传动数控转盘的有限元模型施加约束。在建立三维模型时，建立了各机构之间的合作，并引入了三维模型Ansys Workbench 所有的合作都可以在软件之后识别，所以只需要在数控转台的底部添加全约束。

2.3 如图5所示 ～图9 所示。

图5 数控转台位移分布图

图6 数控转台较大位移分布图

图7 数控转台应力分布图

图8 数控转台较大应力分布图

图9 数控转台应变分布图

从图5 ～图9 可以得出结论，新型圆柱形凸轮传动数控转盘的较大变形出现在工作台边缘.13mm，数控转盘的分度轴和尺寸分度盘有不同程度的变形；新型圆柱形凸轮传动数控转盘的较大应力出现在分度轴上，较大应力值为59.0 MPa，40分度轴材料Cr，该材料的屈服强度为785 MPa，设计安全系数10 倍以上。新型圆柱形凸轮传动数控转盘的设计。

3 动态特性分析3.1 对于新型圆柱形凸轮传动数控转盘在自由边界条件下的模态分析，首先需要考虑是否根据实际边界条件进行约束。如果根据实际边界条件限制新型圆柱形凸轮传动数控转盘，分析结果将更加真实。但由于实际约束条件过于复杂，刚度矩阵失真可能导致动态特性分析过程中计算结果误差大，甚至整个分析过程失败，无法得到结果。鉴于此，在对新型圆柱形凸轮传动数控转盘进行模态分析时，对其施加了自由边界约束条件，即边界条件不受其他物理条件的限制。在任何边界条件下获得的分析结果可以通过数学建模在任何约束条件下获得，但在约束边界条件下通常不能获得*的动态特征。因此，在分析新型圆柱形凸轮传动数控转盘的动态特性时，会对转盘底部施加全面限制，防止转盘刚刚出现 移动现象制其他部分。

分析数控转台机械结构的固有特性。数控转台在工作过程中的外力作用不会影响其固有特性。因此，在数控转台态分析过程中，忽略了外部载荷。

在对新型圆柱形凸轮传动数控转盘进行整体模态分析之前，所有零件耦合，并将所有模型接触设置为绑定接触，以防止分析结果与静态分析一致。最后，新型圆柱形凸轮传动数控转盘底部的完全约束状态如图10所示 所示。

图10 数控转台底部全约束图

3.2 在新型圆柱形凸轮传动数控转盘的模态分析过程中，可以找到所有频段的模态，即n 阶级自由结构将存在n 固有频率及其相应的特征值。通过模态分析计算，较终获得新圆柱形凸轮传动数控转盘前五阶的固有频率和振动，如图11所示 ～图15 所示。

图11 数控转台一阶振型图

图12 数控转台二阶振型图

图13 数控转台三阶振型图

图14 四阶振型图数控转台

图15 数控转台五阶振型图

通过以上五张振型图可以获得新型圆柱凸轮传动数控转台振型，见表2。

由表2 可以看出，新型圆柱形凸轮传动数控转盘的第一阶固有频率为78.203 Hz，一阶振型工作台YZ 向上摆动；第二阶固有频率为85.453 Hz，二阶振型工作台XZ 向上摆动；第三阶固有频率为86.031 Hz，三阶振型工作台XY 向上扭转；第四阶固有频率为371.58 Hz，四阶振型是工作台、分度箱和传动机构YZ 向上摆动；第五阶固有频率为378.26 Hz，五阶振型是工作台、分度箱和传动机构XZ 向上摆动。

利用模态分析评价新型圆柱形凸轮传动数控转盘结构的动态特性，必须满足模态分析结果：1）模态五阶振动固有频率大于新型圆柱形凸轮传动数控转盘较大频率；2）新型圆柱形凸轮传动数控转盘振动稳定，振动范围变化小，确保工作过程中无重大变化。

根据上述模态分析结果，一阶固有频率为78.203Hz，新型圆柱形凸轮传动数控转盘的较大设计输入为2 500 r/min，由n = 60 f ，较大转速对应的频率为41.67 Hz，第一阶固有频率远大于此值，因此转台不会产生共振。

4 结论分析了新型圆柱形凸轮传动数控转盘的静态特性，获得了新型圆柱形凸轮传动数控转盘的位移、应力和应变分布图，分析了图。