机床主轴箱的固定联接及其结构方案设计

发布时间：2017-10-31 17:40

  本文关键词：机床主轴箱的固定联接及其结构方案设计

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【摘要】：机床产业是制造业的基础,机床固定联接及其支承件结构设计是机床设计过程中的重要环节。随着制造业的发展,传统的经验类比法和评价指标已经不能完全满足机床固定联接及其支承件设计的需求。本文针对机床固定联接结构和支承件的结构设计问题,完成固定联接结构形式的分类,分析了固定联接结构形式和结构参数对联接结构性能的影响；基于拓扑优化思想,提出固定联接螺栓布置区域设计方法；以主轴箱为研究对象,建立联接结构参数多目标优化模型,并基于响应面法确定螺栓布置参数和联接结构尺寸；基于固定联接结构,结合支承件结构优化设计方法,完成了主轴箱结构方案设计。具体工作如下：(1)对常见机床的固定联接结构形式进行分类,确定内嵌式和凸缘式结构形式。分析了不同固定联接结构形式和结构参数对联接结构性能的影响。通过对内嵌式和凸缘式两种形式的结构进行静态性能分析,发现内嵌式联接结构的法向(Z向)刚质比和侧向(Y向)刚质比均大于凸缘式结构；通过对比螺栓布置间距和螺栓直径对联接结构刚度的影响,发现螺栓布置间距是影响联接结构刚度的主要因素。(2)考虑固定联接及其支承件的静、动态特性,采用拓扑优化技术开展载荷形式、大小对螺栓布置区域影响的研究。提出了固定联接螺栓布置区域优化设计方法,并完成主轴箱固定联接的螺栓布置区域优化设计。(3)以主轴箱固定联接为对象,建立固定联接结构参数的多目标优化模型,并给出基于响应面法的联接结构参数优化设计流程。基于主轴箱的螺栓布置区域,提出三种螺栓布置形式,并采用WB平台的响应面法完成螺栓布置参数和联接结构尺寸的优化,获得固定联接新结构方案。通过对比分析发现固定联接新结构方案的主轴前、后端位移量分别减少了11%和32%,动态基频提高3%。(4)以刚质比CQ、CH和基频作为主轴箱结构方案设计的静、动态性能评价指标,基于主轴箱新固定联接结构,结合支承件结构优化设计方法完成主轴箱结构方案设计。通过主轴箱新旧方案的性能对比分析,得到新方案相比旧方案减重2.4%,主轴箱前端刚质比提高10%左右,主轴箱后端刚质比提高2.3%以上。此外,主轴箱的基频也提高了3.5%。
【关键词】：机床固定联接 螺栓布置 结构参数优化 性能分析
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG502
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 课题来源与研究背景9
• 1.2 国内外研究综述9-16
• 1.2.1 螺栓联接性能与结构优化设计研究现状9-11
• 1.2.2 机床支承件结构设计概述11-13
• 1.2.3 本课题组研究基础与成果概述13-16
• 1.3 论文研究的主要内容16-18
• 2 机床固定联接的结构形式分类与性能分析18-28
• 2.1 机床固定联接的结构形式分类18-21
• 2.1.1 内嵌式结构形式20
• 2.1.2 凸缘式结构形式20-21
• 2.2 机床固定联接结构形式的静态性能分析21-25
• 2.2.1 有限元法基础21
• 2.2.2 内嵌式和凸缘式结构简化模型21-22
• 2.2.3 固定联接结构等效物理模型22-23
• 2.2.4 内嵌式和凸缘式结构形式的性能分析23-25
• 2.3 机床固定联接结构参数对其静态性能的影响25-27
• 2.3.1 固定联接结构参数分析模型26
• 2.3.2 螺栓布置间距与直径对固定联接结构刚度的影响26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 机床固定联接的螺栓布置区域优化设计28-45
• 3.1 拓扑优化理论基础28-29
• 3.2 机床固定联接的螺栓布置区域分析29-34
• 3.2.1 固定联接的螺栓布置区域与布置形式29-30
• 3.2.2 固定联接及其支承件的简化物理模型30-32
• 3.2.3 固定联接的螺栓布置区域分析32-34
• 3.3 机床主轴箱固定联接的螺栓布置区域优化设计34-44
• 3.3.1 固定联接螺栓布置区域优化设计流程35-36
• 3.3.2 主轴箱工况分析与载荷求解36-40
• 3.3.3 主轴箱固定联接的物理模型40-42
• 3.3.4 主轴箱固定联接的螺栓布置区域优化结果42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 4 机床主轴箱固定联接的结构方案设计45-60
• 4.1 主轴箱固定联接结构参数多目标优化模型45-48
• 4.1.1 优化数学模型45-47
• 4.1.2 基于响应面法的固定联接结构参数优化流程47-48
• 4.2 主轴箱固定联接的螺栓布置参数优化48-54
• 4.2.1 螺栓布置形式的参数化有限元模型50-51
• 4.2.2 螺栓布置参数优化与结果51-54
• 4.3 主轴箱固定联接结构尺寸优化54-57
• 4.3.1 内嵌式结构的参数化有限元模型54-56
• 4.3.2 内嵌式结构尺寸优化与结果56-57
• 4.4 主轴箱固定联接结构静动态性能分析57-58
• 4.5 本章小结58-60
• 5 机床主轴箱的结构方案设计与性能分析60-71
• 5.1 基于固定联接结构的主轴箱结构方案设计60-67
• 5.1.1 静动态性能评价指标参数60-61
• 5.1.2 主轴箱物理模型分析61-63
• 5.1.3 主轴箱概念模型63-64
• 5.1.4 主轴箱结构方案设计64-67
• 5.2 机床主轴箱结构方案静动态性能分析67-70
• 5.2.1 主轴箱原始结构方案的静动态性能分析67-69
• 5.2.2 主轴箱新结构方案的静动态性能分析69-70
• 5.2.3 主轴箱结构方案性能对比70
• 5.3 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-76
• 附录A 试验点数据76-79
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况79-80
• 致谢80-81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 杨永彬;陈五一;赵大海;;机床立柱高比刚度结构仿生设计[J];北京航空航天大学学报;2008年09期

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本文编号：1123059