六轴印制电路板数控钻床模态分析及结构优化

六轴印制电路板数控钻床模态分析及结构优化李丽，肖世德，孟祥印，赵欣茹，张扬西南交通大学机械工程学院智能机电技术研究所，四川，成都，610031；摘要:利用Pro/Engineer软件建立了某型号印制电路板数控钻床的三维实体模型，然后利用ANSYS软件对数控钻床模型进行有限元模态分析，分析出影响数控钻床模态的关键结构和参数，并对其进行设计改进，提出了两种优化结构设计方案，对数控钻床床身原结构及两个优化结构进行分析比较，优选出最后设计方案结果表明优化后印刷电路板数控钻床的动态性能指标和加工精度有了明显提高关键词印刷电路板数控钻床；有限元分析；结构优化；PRO/ENGINEER；ANSYS中图分类号TH113文献标识码AFiniteElementAnalysisandStructureOptimizationofasixaxisPrintedCircuitBoardNCDrillingMachineLiLiShideXiaoXiangyinMengXinruZhaoYangZhangSchoolofMechanicalEngineeringSouthwestJiaotongUniversityChengDuSiChuan610031；Abstract ThesolidmodelingofonetypeofprintedcircuitboardNCdrillingmachineisbuiltbyPro/EngineerandANSYSisappliedformodalanalysis.Thekeyinfluencefactorofthestructureofthedrillingmachineisfoundoutandthestructureisimprovedtwoprioritizationschemesareproposed.Theprimarystructureandthetwooptimizedstructuresofthemachinetoolbedareanalysedtheanalysisresultsarecomparedandtheoptimalschemeisselected.Theresultsshowthattheoptimizationimprovesthedynamicpropertyandthemachiningprecisionofthedrillingmachine.Keywords:NCDrillingMachine;FiniteElementAnalysis;StructureOptimization;Pro/Engineer;ANSYS0引言印制电路板数控钻床，是一种高速、高精度、短行程、微小孔加工专用数控钻床近几年，以电脑、家电及通讯设备等为主的电子信息产品的快速发展，极大地推动了PCB产业的发展印制电路板数控钻床作为PCB加工的关键工艺装备，发展势头良好，拥有较为广阔的市场空间随着电子产品“轻、薄、小”的发展要求，给印制电路板数控钻床加工精度提出了更严格的要求印制电路板数控钻床的加工精度影响因素主要有

（1）数控钻床方面，如动态特性、定位精度、主轴动态精度与刚性；

（2）实际加工方面，如工艺参数、刀具、工装的选择等⑴其中，印制电路板数控钻床的动态特性是主要影响因素，对最终加工精度起到了决定性作用数控钻床在高速钻孔加工时产生的振动不仅影响钻孔精度，降低数控钻床和刀具的使用寿命严重时使钻孔加工无法进行因此，需要对印制板数控钻床进行动态特性分析，然后根据分析结果进行结构优化1模态分析理论基础由弹性力学有限元法，PCB数控钻床系统的动力学微分方程为W］｛如）｝+［C］｛如）｝+［K］｛如）｝=（F（t）｝

（1）式中［A/］、［C］、［K］分别表示结构系统的质量、阻尼、刚度矩阵，｛咨（｝、｛$（况、0（，）｝分别表示系统的加速度向量、速度向量、位移向量，｛FQ）｝表示系统的激励力向量对数控钻床进行模态分析，得到系统的固有频率和振型参数系统的固有频率和振型参数与外荷载无关，再者阻尼对其影响也很小所以，在无外荷载作用并不考虑阻尼时，其动力学微分方程式

（1）可简化为W〕｛宛）｝+［幻0（，）｝=｛0｝

（2）假设系统作简谐振动，则有（J（r））=｛0｝sin（仞+a）

（3）式中，｛©｝表示振幅向量；刃表示角频率；a表示初相角将式

（3）代入式

（2）可得-co2［M｝｛（p］s\ncot+［K｝｛（p｝sincot=｛0｝

（4）式

（4）在任意时刻，均成立，因此式

（4）可简化为（［们一妒［M］）｛0｝=｛O｝

（5）式

（5）有非零解的条件是（［K］w］）是奇异的，即系数矩阵的行列式为零，则有det（［K］一折［M］）=0

（6）由式6可得到〃个特征值外.，=12•••〃，即为系统的〃个固有频率将饱代人式5即可求得饥即为振动频率吃下的振型a第1阶振型b第2阶振型2数控钻床的模态分析PCB数控钻床主要由床身、横梁、工作台、头架、各向电机、各向传动丝杆、钻头主轴电机等组成根据数控钻床的二维图纸，采用Pro/Engineer软件绘制数控钻床三维模型步骤如下首先，根据现有技术图纸和测绘尺寸对钻床零部件进行三维建模，如图1a所示然后对三维模型进行合理的简化，主要简化螺纹孔、圆角等，简化后的模型如图1b所示然后可以将简化后的三维模型通过Pro/Engineer和ANSYS的连接接口，导入到ANSYS中用Booleans运算中的Glue命令，将不同材料的零件粘接在一起，并保留其各自的边界，保证导入后模型为一个整体，以保证分析时的准确性选用三维实体单元S0L1D45此单元具有弹性、塑性、膨胀和大变形等功能，能够真实表达模型结构的实际变形设置各个零件的材料属性，用到的材料有HT

200、QT450-

10.花岗石、GCN5对模型进行网格划分，最终划分结果是该模型的节点数为164456单元数为703481其有限元计算模型如图1c所示

1.床身

2.工作台

3.x向伺服电机

4.x向传动丝杆

5.横梁

6.z向伺服电机

7.主轴电机

8.头架

9.J]库c第3阶振型d第4阶振型e第5阶振型图2PCB数控钻床振型分析钻床整机振型可知，钻床横梁的动态摆动和扭转振动是影响钻床动态性能的重要因素，这对钻孔精度有很大的影响所以，钻床的横梁是影响钻床动态性能的薄弱环节下面单对原有床身结构进行分析作为检验后面横梁优化结构优劣的参照分析步骤跟前面一样，得到其前5阶的模态分析结果，如表1所示，其前5阶振型如图3所示a三维模型a第1阶振型b第2阶振型c第3阶振型d第4阶振型e第5阶振型C有限元模型b三维筒化模型图1PCB数控钻床模型为了能够准确的反应数控钻床的实际工作状态本文研究了数控钻床的约束模态，即数控钻床的边界条件为床身脚底面为全约束用BlockLanczos方法对其进行求解，得到了钻床模态分析结果由于高阶固有频率对数控钻床的振动影响不大，而低阶模态对钻床的动态特性起到决定图3床身原结构振型3数控钻床结构优化及模态分析对比由上一小节的振型分析可以得到，钻床的横梁以及与床身连接的横梁支座的刚度较小，振动幅度较大为了改善这种局部振动，可以通过两种方式，一种就是增大横梁和横梁支座的截尺寸；另一种就是减小横梁的跨度，由于横梁的长度是不能够改变的，所以只能通过增加中间支撑的方式来等效的减小横梁跨度床身优化结构1主要是增大横梁和横梁支的座截面尺寸，由于截面尺寸的增加会大大增加横梁的重量所以本文中对其挖去一部分材料增大床身脚之间的距离其结构如图4a所示性的作用所以只提取数控钻床前5阶模态分析结果图4床身优化结构床身优化结构2是在优化结构1的基础上在横梁中间增加一个支座其结构如图4bo支座结构的设计主要考虑到不影响Y向电机的安装，其结构如图5所图5横梁支座下面对床身优化结构进行模态分析，分析步骤跟上一小节一样，得到它们前5阶的模态分析结果，如表1所示，优化结构1的前5阶振型如图5所示，优化结构2的前5阶振型如图6所示表1优化前后床身前5阶模态分析结果图6床身优化结构2振型由表1可知，将原结构到优化结构1第1阶频率从

56.079Hz增加到

86.200Hz提高了

53.7%最大振型幅度也从原来的

1.418inm减小到

1.319mm优化结构1较原结构振动有减小，床身整体刚度也提高较多优化结构1到优化结构2第1阶频率从

86.200Hz增加到

95.764Hz只有提高了

11.1%最大振型幅度反而从原来的

1.319mm增大到

1.35mm而且优化结构2是在横梁中间增加支座，这会影响到Y向电机和丝杆的安装设计，需要增加很多的工作量所以综合考虑，选用优化结构1进行样机制造4结论本文采用Pro/Engineer和ANSYS在虚拟环境下分别建立印刷电路板数控钻床的三维实体模型和有限元模型，完成了数控钻床模态的数值分析计算，找出原有印刷电路板数控钻床存在的结构刚度薄弱环节，对数控钻床结构进行改进设计和优选，得到了比较满意的设计结果工厂进行样机制造后发现结构优化后的钻床的加工精确和工作稳定性较原有印制板数控钻床得到了一定提高参考文献王忠林，王英章，高中涛.印制电路板孔加工精度因素分析[J].上海印制电路信息，20041020-24韩清凯于涛，孙伟.机械振动系统的现代动态设计与分析[M].北京:科学出版社，

2010.曹学军，刘艳涛等.印制电路板设计、制造、装配与测试[M].北京:机械工业出版社，

2008.崔志琴，杨瑞峰.复杂机械结构的参数化建模及模态分析[J].机械工程学报，2008442234-

237.15]吴晓根，王禹林，冯虎田.大型数控螺纹磨床床身的模态分析与优化[J].机械设计与研究，2010266114-

117.

[6]林雪妹，童水光，童小红等.大型船用齿轮箱的模态分析及结构优化[J].机械设计与制造201111175-

177.[71弋江淼，高东强，张菲等.基于ANSYSWorkbench的DVG850工作台系统的模态分析及优化【J].制造业自动化2012341255-

56.作者简介李丽女，汉族，四川成都人，1988年生，西南交通大学在读硕士，主要研究方向机械电子工程；邮箱通讯地址1号西南交通大学智能机电技术研究所联系电话阶数原结构优化结构1优化结构

2.一一最大频率/Ilz最大位移/mm频率/Ilz最大位移/mm频率/Ilz位移/mm

156.

0791.

41886.

2001.

31995.

7641.

352107.

261.

398124.

621.

288171.

610.

8923151.

481.

433171.

180.

933178.

361.

2624167.

751.

948213.

671.

284191.

511.

1815171.

011.

056241.

171.

764270.

861.592。