立式加工中心支承系统的结构优化设计

发布时间：2017-09-27 17:15

  本文关键词：立式加工中心支承系统的结构优化设计

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【摘要】：数控机床结构设计是高端装备制造业的重要组成部分。随着我国制造业转型升级面临重要战略机遇,亟需加快数字化结构设计进程,快速掌握机床结构薄弱环节,研究数控机床设计开发、分析评估、改进优化成为亟待解决的主要问题。基于此,本课题提出立式加工中心支承系统的结构优化设计。它是以支承件为基础,通过分析涵盖静联接与动联接的支承系统静态性能,研究系统静态精度对支承件位移参数的敏感程度,获取高影响程度支承结构,设计或优化其结构的设计方法。本课题受国家科技重大专项(NO.2012ZX0401001 1)资金支持。延续课题组所提出的支承件模型化设计、拓扑优化设计、结构方案设计和性能计算与评价的设计流程,研究支承系统的有限元静态分析,在模拟支承系统位移场的基础上进行支承件与静态精度的关联工作,提炼出支承系统的结构优化设计方法。本文围绕着立式加工中心支承系统的设计过程开展了以下工作：1.立式加工中心支承系统的有限元静态分析。以三轴立式加工中心为研究对象,具体阐述了有限元法理论基础,概括有限元静态分析的运算方法、计算流程和实例应用,涵盖物理模型建立和螺钉、滚动导轨副有限元等效,模拟切削载荷下机床的静态位移场。2.立式加工中心支承系统的敏感性分析。通过拓扑结构描述机床支承件的相互邻接关系,基于齐次坐标变换描述各支承件位移参数与静态精度的关联关系,以敏感性形式完成支承件位移参数对机床静态精度的影响程度。结果显示,立柱是该立式加工中心支承系统的薄弱环节。3.立式加工中心整机静刚度试验。明确了机床整机的静刚度测试过程,包括试验原理、试验仪器和试验过程,总结测试中的注意事项,记录了梯度载荷下机床的相对位移。通过对试验数据进行对比分析,验证了支承系统有限元静态分析、支承件位移参数与静态精度关联模型的有效性。4.立式加工中心支承结构的优化设计。基于敏感性分析结果,以支承系统静态精度影响明显的立柱为例进行了拓扑优化设计,提出了结构单元的设计方法。在此基础上,将该机床的刀尖最大变形量作为优化设计的目标,兼顾支承系统的质量与固有频率,建立了支承系统中涉及立柱壁板和结构单元的尺度优化设计方法。最后,立式加工中心支承系统在保证质量相对不变的条件下,对比分析了新设计方案与原方案的性能,其结果刚性提高了5%-1l%。
【关键词】：加工中心 支承系统 敏感性分析 静刚度试验 优化设计
【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4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 课题来源10
• 1.2 研究背景及研究目的10-11
• 1.3 机床结构设计与分析方法研究现状11-20
• 1.3.1 机床结构设计方法概述11-14
• 1.3.2 机床联接件约束模型等效14-16
• 1.3.3 机床加工精度建模与分析16-18
• 1.3.4 本课题组取得研究成果18-20
• 1.4 本文研究工作20-21
• 2 立式加工中心支承系统的有限元静态分析21-31
• 2.1 式加工中心概述21-23
• 2.2 有限元法理论基础23-24
• 2.2.1 有限元基本原理23
• 2.2.2 非线性有限元方法简介23-24
• 2.3 机床静态结构分析有限元模型24-26
• 2.3.1 立式加工中心模型24-25
• 2.3.2 有限元单元类型与材料属性25-26
• 2.4 机床联接件等效方法26-29
• 2.4.1 螺钉联接等效26-27
• 2.4.2 滚动导轨等效27-28
• 2.4.3 丝杠与轴承座等效28-29
• 2.5 机床静态位移场29-30
• 2.6 本章小结30-31
• 3 立式加工中心支承系统的敏感性分析31-44
• 3.1 机床拓扑结构及低序体阵列方法31-33
• 3.1.1 机床拓扑结构31-32
• 3.1.2 机床低序体阵列方法32-33
• 3.2 支承系统位姿状态描述33-37
• 3.2.1 机床支承件位移参数的分类33
• 3.2.2 坐标系的定义33-34
• 3.2.3 支承件运动学变换矩阵34-37
• 3.3 支承件位移参数与静态精度的关联37-38
• 3.4 机床支承系统的敏感性分析38-43
• 3.4.1 机床支承件的敏感性系数39-41
• 3.4.2 机床支承件的敏感因子41-43
• 3.5 本章小结43-44
• 4 立式加工中心整机静刚度试验44-50
• 4.1 试验目的与试验原理44-45
• 4.1.1 试验目的44
• 4.1.2 试验原理44-45
• 4.2 试验仪器与试验过程45-47
• 4.2.1 试验仪器45-47
• 4.2.2 试验过程47
• 4.3 试验数据分析47-49
• 4.4 本章小结49-50
• 5 立式加工中心支承结构的优化设计50-66
• 5.1 立式加工中心支承件的拓扑优化设计51-54
• 5.1.1 立式加工中心支承件的概念模型设计51-53
• 5.1.2 立式加工中心支承件的主体结构设计53-54
• 5.2 立式加工中心支承件的结构单元设计54-59
• 5.2.1 机床结构单元的分类与性能55-58
• 5.2.2 立式加工中心支承件的结构单元设计58-59
• 5.3 立式加工中心支承件的尺度优化设计59-63
• 5.3.1 支承件的尺度优化目标与变量59-61
• 5.3.2 支承件的尺度优化结果61-63
• 5.4 立式加工中心结构方案性能分析63-65
• 5.5 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-71
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况71-72
• 致谢72-73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 沈诣;洪荣晶;高学海;陈捷;王华;;大型结构的螺栓连接有限元简化方法与验证[J];机械设计与制造;2012年08期

2 杨佳文;黄巧林;;大口径反射镜结构参数优化设计[J];中国空间科学技术;2011年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 李天箭;超精密机床多尺度集成设计方法研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

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本文编号：930917