一种新型测头结构的有限元分析

　　测头是坐标测量机(简称CMM)最关键的硬件之一.它随CMM同时产生,同步发展,又相对独立.它的发展水平直接制约着坐标测量机的测量精度、使用性能、操作的自由化程度和测量效率.以往的测头多采用折叠套装双片簧结构[1],即测头在x、y、z3个方向的位移变化都是用双片簧来感知的.由于双片簧在装配时难以保持平行,影响了测头的重复性能和响应性能;而且这种双片簧结构的测头零部件多,势必带来制造误差和装配误差多、体积大等缺点.因此,笔者设计了一种新型结构的测头.该测头的三维运动弹片导轨采用整体切割方法加工的结构,使测头用于三维测量部分的零部件的个数,由原来的9个减少为2个,测头的体积大大减小.但测头的结构改进以后,能不能满足设计要求?固有频率和抗振性能是否得到提高?为此,笔者利用Ansys有限元分析软件来寻找答案.

　　1　实体建模

　　有限元分析的最终目的是要再现实际工程系统的数学行为特征.因此,要进行有限元分析首当其冲的就是实体建模.广义上讲,有限元模型包括所有的节点、单元、材料属性、实常数、边界条件,以及其他用于表现这个物理系统的特征[2].在Ansys术语中,建模一般狭义地指生成几何模型并得到节点和单元的过程.

　　在Ansys中有3种实体建模的方法:

　　1)利用Ansys的几何建模功能,采用自上而下(直接生成体或面)或者自下而上(依次生成点、线、面、体),然后再对该实体模型划分网格,得到有限元模型.

　　2)利用直接生成方法,在Ansys中直接创建节点单元,构建有限元模型.

　　3)导入在专业CAD中建立的模型.专业的CAD软件有:UG,Pro/E,Catia,SolidEdge,Solid2Works,MDT,CADDNS等等.

　　笔者采用第一种方法建立实体模型,所建用于测量x方向的骨架模型如图1所示.

　　2　有限元分析

　　2.1　结构静力学分析

　　静力分析用于求解静力载荷下结构的位移和应力等,包括线性和非线性分析.线性分析是指在分析过程中结构的几何参数和载荷参数只发生微小的变化,以致可以把这种变化忽略,而把分析中的所有非线性项去掉;而非线性分析涉及塑性、应力钢化、大变形、大应变、超弹性、接触面和蠕变.从结构的几何特点上讲,无论是线性的还是非线性的,静力分析都可以分成平面问题、轴对称问题和周期对称问题以及任意三维结构.

　　测头测量骨架的静力分析应属于线性的任意三维结构的静力分析.图2是利用Ansys有限元分析软件,对3D2MS01进行静力分析时所得到的测量x方向的骨架的变形图.

　　表1是分别施加一系列的各种力以后,得到的力与位移(即变形量)的变化表.