滚动导轨联接及床身结构方案设计

发布时间：2017-07-26 09:11

  本文关键词：滚动导轨联接及床身结构方案设计

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【摘要】：随着综合国力和企业间竞争力的提高,市场对机床装备制造业提出了更高的要求。高速、高效和高精已经成为现代机床行业的必然发展趋势。由于滚动导轨联接结构和支承件结构对机器性能有很大的影响,因此,如何在绿色制造的前提下实现产品结构和性能的设计是当今需要解决的问题。目前机床导轨联接结构和支承件结构大多是依据经验和机床手册进行的保守设计,并且机床支承件结构设计还是沿用前人经验进行局部的改进。本文针对滚动导轨联接和支承件的结构设计问题做了研究。在国家科技重大专项“高档数控机床数字化设计关键技术与工具集研发及典型产品应用”(NO.2012ZX04010011)的子课题“数控机床支承零件设计优化工具与规范”的支持下,在机床滚动导轨联接设计方面,研究了机床导轨联接的结构布局,提出了一套直线导轨联接特征参数优化设计方法；在机床支承件结构设计方面,基于拓扑优化理论,对床身支承件进行结构方案设计和性能分析与评价,推广了支承件结构设计方法的应用范围。主要工作内容有如下几个方面：(1)针对课题来源和研究背景,阐述了课题的研究目的和意义；综述了机床导轨联接和支承件结构方案设计方法；概括了本课题组在滚动导轨和机床支承件设计方面的研究基础。同时对本文研究过程中采用包括有限元理论,结构优化理论以及函数拟合的响应曲面法等理论基础进行了介绍。(2)调研并归纳了机床联接的基本结构形式；依据滚动直线导轨联接的空间位置关系,建立了滚动导轨联接布局方案原则；针对不同的布局方案,分析了特定载荷条件下滚动导轨联接三种不同结构形式静态性能,同时分析了复杂工况下导轨联接位置布局对整机性能的影响规律。(3)基于响应曲面法对滚动导轨联接特征参数进行优化设计。首先,以有限元方法理论为指导,建立滚动导轨联接特征参数模型,通过静动态性能分析,形成了导轨联接特征参数性能数据库。其次,依据正交试验法建立了典型工况条件下直线导轨副的特征参数数学优化模型；并通过优化指标灵敏度分析,得到导轨联接特征参数(导轨跨距和滑块间距)对优化指标的影响规律,最后,采用多目标遗传算法确定了特征参数的最优解集。(4)以某立式加工中心为例,对床身支承件进行了结构方案设计和性能分析。首先,通过等效实际工况载荷和边界约束,建立支承件有限元物理模型；其次,基于拓扑优化理论借助Workbench平台,获取支承件的最佳材料分布,建立支承件的概念模型,并通过壁板和筋板的选型,得到床身结构构型。然后,针对床身支承件的结构构型方案,选取支承件特征尺寸,采用ANSYS Workbench对其进行尺寸优化,确定床身的最佳结构尺寸；最后,对优化前后床身支承件的静、动态性能进行对比分析,验证新方案的可行性与合理性。结果表明：床身新方案与床身原方案静态性能相差不大,在不低于原方案静态性能的前提下,减重6.9%；床身新方案与原方案前三阶模态振型基本一致,而新方案前三固有频率比原方案分别提高18.3%、7.0%和2.7%,满足了动态性能指标的要求。
【关键词】：滚动直线导轨 特征参数 响应曲面法 拓扑优化 静动态性能
【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】：TG659
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题来源10
• 1.2 课题研究背景和研究目的10-11
• 1.3 机床滚动导轨和支承件研究综述11-18
• 1.3.1 滚动导轨联接面研究现状11-12
• 1.3.2 支承件结构设计研究现状12-15
• 1.3.3 课题组滚动导轨联接与支承件结构设计基础15-18
• 1.4 本文的研究工作18-20
• 2 理论基础20-26
• 2.1 有限单元法理论20-21
• 2.1.1 有限单元法的基本思想20
• 2.1.2 有限单元法的求解步骤20-21
• 2.2 结构拓扑优化理论21-22
• 2.2.1 拓扑优化方法基本原理21-22
• 2.2.2 结构尺寸参数优化设计方法22
• 2.3 函数拟合的响应曲面法22-25
• 2.3.1 函数响应曲面法基本思想22-23
• 2.3.2 函数响应曲面法求解步骤23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 3 滚动导轨联接结构布局性能分析26-42
• 3.1 滚动导轨联接面的基本形式26-27
• 3.2 滚动导轨联接结构布局形式27-32
• 3.2.1 加工中心总体布局形式27-30
• 3.2.2 滚动导轨联接移动副结构形式30-31
• 3.2.3 滚动导轨联接特征参数31-32
• 3.3 滚动导轨联接结构布局性能分析32-41
• 3.3.1 滚动直线导轨副载荷分配32-34
• 3.3.2 滚动直线导轨副等效方式34-36
• 3.3.3 滚动导轨联接结构布局静态性能对比分析36-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 基于响应曲面法导轨联接特征参数优化设计42-53
• 4.1 基于响应曲面法特征参数优化设计流程42-44
• 4.2 滚动导轨联接组件静动态性能分析44-46
• 4.2.1 滚动导轨联接特征参数44
• 4.2.2 滚动导轨联接组件物理模型44-45
• 4.2.3 滚动导轨联接组件静动态性能分析45-46
• 4.3 基于响应曲面法导轨联接特征参数优化46-52
• 4.3.1 滚动导轨联接特征参数单因子研究46-47
• 4.3.2 滚动导轨联接特征参数多因子研究47-51
• 4.3.3 滚动直线导轨联接特征参数优化结果51-52
• 4.4 本章小结52-53
• 5 立式加工中心床身结构方案设计和性能分析53-75
• 5.1 立式加工中心床身结构设计优化指标53-54
• 5.2 基于拓扑优化的床身结构构型54-69
• 5.2.1 床身物理模型建立54-63
• 5.2.2 床身概念模型设计63-65
• 5.2.3 床身结构方案设计65-69
• 5.3 床身静、动态性能分析与对比69-74
• 5.3.1 网格灵敏度分析69-70
• 5.3.2 床身原方案静动态性能分析70-71
• 5.3.3 床身新方案静动态性能分析71-73
• 5.3.4 床身方案性能对比73-74
• 5.4 本章小结74-75
• 结论75-76
• 参考文献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4条

1 倪国林;孙俊兰;姜大志;;滚动直线导轨副各向载荷及刚度模型的研究[J];装备制造技术;2011年03期

2 张杰;复杂机械结构结合面动力学建模及其参数识别方法的研究[J];机械强度;1996年02期

3 岑海堂,汪苏,陈五一;结构仿生新进展[J];机械设计;2003年11期

4 李爱平;何琪;刘雪梅;;基于模块间约束的机床布局优化方法[J];制造技术与机床;2013年01期

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1 邢俏芳;机床支承件元结构设计方法[D];大连理工大学;2013年

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本文编号：575632