高速卧式加工中心静动态性能分析与结构优化

发布时间：2017-09-03 23:07

  本文关键词：高速卧式加工中心静动态性能分析与结构优化

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【摘要】：加工过程中的振动问题是造成机床精度下降的主要原因,振动剧烈时甚至会影响到机床的使用性能,降低机床的寿命。机床关键零部件的结构设计及布局直接影响到整机的加工精度,如何在降低机床质量的前提下,保证或改善机床的静动态性能已成为当前机床结构件优化研究的热点。本文依托“国家十二五科技支撑计划课题”,以HMC-63h高速卧式加工中心为研究对象,通过理论模型分析、有限元建模等方法,研究机床中的主要结构件立柱、滑鞍、床身对整机静动态性能的影响,提出了零件结构的优化方法,并进行优化设计。主要内容如下:(1)从机床结构动力学理论出发,完成了多自由度阻尼系统的动力学响应分析,并采用弹簧-阻尼单元对机床中的滑动导轨结合面、立柱与床身之间的螺栓固定结合面进行模拟,建立了整机的有限元等效动力学模型,为后续机床静动态性能的分析与结构优化奠定基础。(2)通过对整机进行模态分析与谐响应分析,识别出立柱是影响整机动态性能的关键结构件。以立柱为优化对象,提出了一种基于拓扑优化、筋板优选与尺寸优化相结合的结构优化方法,并设计出了一种带有W形筋板结构的立柱优化方案。通过对比优化前后立柱单件及整机的静动态性能,验证了该优化结构的有效性。(3)根据灵敏度分析结果获得了对滑鞍结构动态性能影响较大的尺寸参数,并采用响应面优化方法对这些尺寸参数进行优化。分析结果表明,在不影响机床静动态性能的前提下,按优化后的尺寸参数设计的滑鞍结构其质量减轻了7%,这有效的降低了机床的能耗,改善了机床运动零部件系统的灵活性与加速性能。(4)对床身元结构优化方法进行了研究。首先利用元结构已有的优化分析结论,对床身结构进行多目标优化。然后,分析了元结构优化方法的不足,在对床身元结构进行提取、分析及优化的基础上提出了元结构二次优化方法。最后,对床身结构的多目标优化结果以及元结构二次优化方法进行了验证分析,评价了床身各优化方案的有效性。
【关键词】：高速卧式加工中心 动态性能 结合面 结构优化 谐响应分析
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景及意义10
• 1.2 问题的提出10-12
• 1.3 国内外研究现状12-16
• 1.3.1 卧式加工中心结构布局特点12-13
• 1.3.2 机床动力学分析及结合面建模13-15
• 1.3.3 机床结构件优化方法15-16
• 1.4 本文研究内容16-18
• 第二章 动力学分析理论与机床有限元建模18-30
• 2.1 结构动力学分析理论18-22
• 2.1.1 模态分析理论18-19
• 2.1.2 多自由度阻尼系统的动态响应19-22
• 2.2 机床结合面的建模22-28
• 2.2.1 HMC-63h高速卧式加工中心结构22-23
• 2.2.2 机床结合面等效动力学模型23-24
• 2.2.3 结合面等效参数的确定24-28
• 2.3 HMC-63h整机有限元模型的建立28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 HMC-63h静动态性能分析与立柱结构优化30-51
• 3.1 HMC-63h机床静动态性能分析30-36
• 3.1.1 切削力的计算30-31
• 3.1.2 HMC-63h静刚度分析31-32
• 3.1.3 HMC-63h模态分析32-35
• 3.1.4 HMC-63h谐响应分析35-36
• 3.2 立柱结构的优化设计36-46
• 3.2.1 变密度法拓扑优化36-38
• 3.2.2 立柱的拓扑优化38-42
• 3.2.3 立柱外形的设计42-43
• 3.2.4 筋板选型与尺寸优化43-46
• 3.3 立柱优化结果的验证46-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第四章 基于灵敏度分析的滑鞍结构轻量化51-63
• 4.1 灵敏度分析理论51-52
• 4.2 响应面优化方法52-54
• 4.3 滑鞍模态分析54-57
• 4.4 滑鞍结构的轻量化设计57-60
• 4.4.1 滑鞍结构尺寸灵敏度分析57-58
• 4.4.2 滑鞍结构的轻量化58-60
• 4.5 滑鞍优化结果的验证60-62
• 4.6 本章小结62-63
• 第五章 床身元结构优化方法研究63-80
• 5.1 元结构优化方法63-64
• 5.2 基于元结构方法的床身多目标优化64-69
• 5.2.1 床身结构静动态性能分析64-66
• 5.2.2 床身结构多目标优化研究66-69
• 5.3 床身元结构二次优化方法69-73
• 5.3.1 床身元结构的提取70
• 5.3.2 元结构出砂孔形状优选70-71
• 5.3.3 元结构出砂孔尺寸优化71-72
• 5.3.4 床身结构整体的尺寸优化72-73
• 5.4 床身优化结果的验证73-78
• 5.4.1 床身多目标优化结果的验证73-75
• 5.4.2 床身元结构二次优化结果的验证75-78
• 5.5 本章小结78-80
• 第六章 总结与展望80-82
• 6.1 全文总结80-81
• 6.2 研究展望81-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-87
• 攻读硕士学位期间取得的成果87-88
• 已发表或录用的学术论文87
• 专利申请情况87
• 硕士期间参与的科研项目87-88

【参考文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 王宇奇;YK20100磨齿机主要部件的有限元分析及结构优化设计[D];中南大学;2009年

2 王轶;立式加工中心动态性能分析与优化[D];清华大学;2011年

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本文编号：787874