GL-2013Z龙门加工中心关键零部件的轻量化设计
发布时间：2021-01-23 03:36
龙门加工中心作为大型数控加工设备,其零部件的设计和性能直接影响机床的加工精度。在加工过程中的振动和受力是造成加工精度下降的主要原因,剧烈振动甚至会导致零部件的损坏,降低机床的使用寿命。如何在保证零部件和机床整机性能的前提下,降低零部件的质量是当下研究的热点问题。本文以GL-2013Z龙门加工中心为研究对象,通过整机的静、动态分析得到机床整机的性能参数,并对横梁、滑鞍和床身进行优化设计,主要内容如下:（1）利用Solidworks建立该加工中心整机三维模型,计算在铣削状态下的切削力,并对模型进行静态特性分析、模态分析和谐响应分析,得到机床整机的静变形量、前六阶模态频率和振型及频率响应曲线等参数,为零部件的优化设计奠定基础。（2）根据拓扑优化设计理论,并基于ANSYS Workbench平台对横梁进行拓扑优化和筋板选型相结合的轻量化设计。然后通过分析和对比选择“X”型筋板作为新横梁的筋板,横梁质量减小了2.1%。通过优化前后的对比单件及机床整机静、动态性能,验证了优化设计的有效性。（3）基于灵敏度分析理论分析了滑鞍关键尺寸对质量、一阶固有频率和静刚度的灵敏度,并通过对分析将对性能影响较大的...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
加工中心整机的有限元模型
工程硕士学位论文13(a)总变形云图(b)X方向变形云图(c)Y方向变形云图(d)Z方向变形云图图2.3加工中心三个方向的变形量根据式(2.2)的计算结果，加工中心在Y轴方向所受的铣削分力较小，因此，在Y轴方向上的变形最小，加工中心在Y轴方向的刚度最好。X轴和Z轴方向的变形量相对较大，原因是X轴方向承受的铣削分力较大，而Z轴受主轴箱及其组件的重力影响，因此，加工中心在X和Z轴方向的刚度相对较低。从加工中心的变形云图中不难看出，变形主要来自主轴箱和滑鞍等零部件，而横梁、床身、立柱和工作台等结构件的变形均较校因此，可将横梁等结构件作为轻量化设计的对象，主轴箱等零部件主要以提高其刚度为主要优化目标。2.6加工中心整机模态分析结构的动力学分析主要包括对结构的固有振动特性和频率响应特性两个方面的研究。在工程应用中常通过无阻尼下结构的振动分析来研究机构的固有振动特性，依此来确定结构件的固有频率和振型等性能参数。结构的固有频率和振型是承受动态载荷结构的重要设计参数。在动态特性分析中系统所受的载荷不是恒定的，而是随时间变化的。根据机械振动理论可知，当物体的固有频率非常接近或者等于外加激励的频率时，可能会发生共振现象，导致结构的剧烈振动。通过模态分析可以得到横梁结构的国有频率和振型，从而更好的了解结构的振动特性。
GL-2013Z龙门加工中心关键零部件的轻量化设计16(a)第一阶模态振型图(b)第二阶模态振型图(c)第三阶模态振型图(d)第四阶模态振型图(e)第五阶模态振型图(f)第六阶模态振型图图2.4加工中心前六阶模态振型跟据模态分析的结果，加工中心整机的一阶固有频率在31Hz左右，前三阶振型都表现为以横梁为主的整体振型，没有出现局部振动。有研究结果表明来自环境的外界干扰频率都不超过25Hz[41]，因此该机床由于外界干扰而发生共振的概率很小，但是其一阶固有频率并不高，因此有必要对机床的结构件进行优化设计，以提高其整体性能。2.7加工中心的谐响应分析通过谐响应分析不仅可以得到系统在受到外界简谐载荷作用时的稳态响应情况，还可以提前预测机械系统的持续动态性能。机床在实际生产过程中，由于主轴的连续转动，会对机床产生持续的激励作用，因此有必要对机床做谐响应分析。通过谐响应分析可以找到系统响应的峰值所对应的低阶频率，从而验证结构是否能够有效避免共振的发生，提高结构的稳定性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于固定网格和拓扑导数的结构拓扑优化自适应泡泡法[J]. 蔡守宇,张卫红,高彤,赵军. 力学学报. 2019(04)
[2]基于拓扑优化的变密度点阵结构体优化设计方法[J]. 廖中源,王英俊,王书亭. 机械工程学报. 2019(08)
[3]桥式龙门铣床横梁结构设计与优化[J]. 高志来,邱自学,任东,崔德友,徐新朋. 工程设计学报. 2019(01)
[4]基于水平集法的薄板加强筋分布优化理论研究[J]. 崔荣华,崔天晨,孙直,张维声,郭旭. 固体力学学报. 2018(06)
[5]动车组车体模态灵敏度及优化设计研究[J]. 张军,张晓林,方吉. 机械工程学报. 2018(12)
[6]基于神经网络建模的机床滑动结合面动态特性参数识别[J]. 朱坚民,周亚南,何丹丹,郑洲洋. 振动与冲击. 2018(07)
[7]汽车方向盘骨架轻量化设计[J]. 时培成,王克飞,张荣芸. 机械设计. 2018(01)
[8]基于局部相对密度映射的变密度多孔结构设计方法[J]. 赵芳垒,敬石开,刘晨燕. 机械工程学报. 2018(19)
[9]VL1060立式加工中心床身结构优化设计[J]. 郑文标,彭晋民. 组合机床与自动化加工技术. 2017(05)
[10]概念设计阶段机床基础大件质量的优化方法[J]. 陈以磊,邱志惠,郭俊康,洪军,刘志刚. 西安交通大学学报. 2017(07)
硕士论文
[1]龙门式加工中心滑枕部件结构拓扑优化[D]. 马秉志.浙江工业大学 2019
[2]基于拓扑优化和尺寸优化的客车骨架轻量化设计[D]. 王文甲.华侨大学 2018
[3]面向增材制造的空间结构节点拓扑优化设计[D]. 陈敏超.浙江大学 2018
[4]铣车复合加工中心直驱摆头动力刀架支架轻量化设计[D]. 高双.兰州理工大学 2018
[5]QYJ-16型卧式加工中心床身结构的静动态特性分析及优化设计[D]. 张业成.兰州理工大学 2017
[6]数控转塔冲床横梁动力学分析及优化设计[D]. 罗黎.东南大学 2015
[7]基于灵敏度和有限元分析的龙门加工中心横梁结构轻量化设计[D]. 张森.南通大学 2014
[8]加工中心十字滑台结构优化设计及静刚度试验[D]. 宫玉林.大连理工大学 2010
本文编号：2994469
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
加工中心整机的有限元模型
工程硕士学位论文13(a)总变形云图(b)X方向变形云图(c)Y方向变形云图(d)Z方向变形云图图2.3加工中心三个方向的变形量根据式(2.2)的计算结果，加工中心在Y轴方向所受的铣削分力较小，因此，在Y轴方向上的变形最小，加工中心在Y轴方向的刚度最好。X轴和Z轴方向的变形量相对较大，原因是X轴方向承受的铣削分力较大，而Z轴受主轴箱及其组件的重力影响，因此，加工中心在X和Z轴方向的刚度相对较低。从加工中心的变形云图中不难看出，变形主要来自主轴箱和滑鞍等零部件，而横梁、床身、立柱和工作台等结构件的变形均较校因此，可将横梁等结构件作为轻量化设计的对象，主轴箱等零部件主要以提高其刚度为主要优化目标。2.6加工中心整机模态分析结构的动力学分析主要包括对结构的固有振动特性和频率响应特性两个方面的研究。在工程应用中常通过无阻尼下结构的振动分析来研究机构的固有振动特性，依此来确定结构件的固有频率和振型等性能参数。结构的固有频率和振型是承受动态载荷结构的重要设计参数。在动态特性分析中系统所受的载荷不是恒定的，而是随时间变化的。根据机械振动理论可知，当物体的固有频率非常接近或者等于外加激励的频率时，可能会发生共振现象，导致结构的剧烈振动。通过模态分析可以得到横梁结构的国有频率和振型，从而更好的了解结构的振动特性。
GL-2013Z龙门加工中心关键零部件的轻量化设计16(a)第一阶模态振型图(b)第二阶模态振型图(c)第三阶模态振型图(d)第四阶模态振型图(e)第五阶模态振型图(f)第六阶模态振型图图2.4加工中心前六阶模态振型跟据模态分析的结果，加工中心整机的一阶固有频率在31Hz左右，前三阶振型都表现为以横梁为主的整体振型，没有出现局部振动。有研究结果表明来自环境的外界干扰频率都不超过25Hz[41]，因此该机床由于外界干扰而发生共振的概率很小，但是其一阶固有频率并不高，因此有必要对机床的结构件进行优化设计，以提高其整体性能。2.7加工中心的谐响应分析通过谐响应分析不仅可以得到系统在受到外界简谐载荷作用时的稳态响应情况，还可以提前预测机械系统的持续动态性能。机床在实际生产过程中，由于主轴的连续转动，会对机床产生持续的激励作用，因此有必要对机床做谐响应分析。通过谐响应分析可以找到系统响应的峰值所对应的低阶频率，从而验证结构是否能够有效避免共振的发生，提高结构的稳定性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于固定网格和拓扑导数的结构拓扑优化自适应泡泡法[J]. 蔡守宇,张卫红,高彤,赵军. 力学学报. 2019(04)
[2]基于拓扑优化的变密度点阵结构体优化设计方法[J]. 廖中源,王英俊,王书亭. 机械工程学报. 2019(08)
[3]桥式龙门铣床横梁结构设计与优化[J]. 高志来,邱自学,任东,崔德友,徐新朋. 工程设计学报. 2019(01)
[4]基于水平集法的薄板加强筋分布优化理论研究[J]. 崔荣华,崔天晨,孙直,张维声,郭旭. 固体力学学报. 2018(06)
[5]动车组车体模态灵敏度及优化设计研究[J]. 张军,张晓林,方吉. 机械工程学报. 2018(12)
[6]基于神经网络建模的机床滑动结合面动态特性参数识别[J]. 朱坚民,周亚南,何丹丹,郑洲洋. 振动与冲击. 2018(07)
[7]汽车方向盘骨架轻量化设计[J]. 时培成,王克飞,张荣芸. 机械设计. 2018(01)
[8]基于局部相对密度映射的变密度多孔结构设计方法[J]. 赵芳垒,敬石开,刘晨燕. 机械工程学报. 2018(19)
[9]VL1060立式加工中心床身结构优化设计[J]. 郑文标,彭晋民. 组合机床与自动化加工技术. 2017(05)
[10]概念设计阶段机床基础大件质量的优化方法[J]. 陈以磊,邱志惠,郭俊康,洪军,刘志刚. 西安交通大学学报. 2017(07)
硕士论文
[1]龙门式加工中心滑枕部件结构拓扑优化[D]. 马秉志.浙江工业大学 2019
[2]基于拓扑优化和尺寸优化的客车骨架轻量化设计[D]. 王文甲.华侨大学 2018
[3]面向增材制造的空间结构节点拓扑优化设计[D]. 陈敏超.浙江大学 2018
[4]铣车复合加工中心直驱摆头动力刀架支架轻量化设计[D]. 高双.兰州理工大学 2018
[5]QYJ-16型卧式加工中心床身结构的静动态特性分析及优化设计[D]. 张业成.兰州理工大学 2017
[6]数控转塔冲床横梁动力学分析及优化设计[D]. 罗黎.东南大学 2015
[7]基于灵敏度和有限元分析的龙门加工中心横梁结构轻量化设计[D]. 张森.南通大学 2014
[8]加工中心十字滑台结构优化设计及静刚度试验[D]. 宫玉林.大连理工大学 2010
本文编号：2994469
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