卧式加工中心支撑地脚刚度建模与布局优化设计方法
发布时间：2022-01-09 09:28
支撑地脚作为精密数控机床的重要组成部件,其静刚度对机床整机静动刚度与加工精度均有重要影响。对于支撑地脚静刚度参数,目前国内支撑地脚生产厂商尚无明确的设计理论和技术规范,并且在机床设计与安装过程中地脚的选型也缺乏依据。因此,本文紧密结合国家科技重大专项课题研究任务,重点研究高性能支撑地脚静刚度建模方法、考虑地脚静刚度的机床整机静动态特性仿真技术、以及支撑地脚静刚度试验检测与模型修正方法,拟在提高国产精密卧式加工中心的静动特性。主要研究工作如下:基于分形理论,构建了支撑地脚结合面的接触刚度模型以及支撑地脚构件的结构刚度模型,给出了支撑地脚的切向与法向静刚度求解方法;分析了法向载荷、结合面形貌参数、构件材料属性对支撑地脚静刚度的影响规律;在此基础上,结合企业需求,进行了高性能支撑地脚结构优化设计,并给出了相应的设计方案。针对某精密卧式加工中心,构建了考虑弹性支撑约束条件的整机有限元模型,分析了支撑地脚静刚度对整机静、动态特性的影响规律;提出了支撑地脚刚度与床身重量的匹配原则;在此基础上,进行了T型床身三点支撑位置参数多目标优化,获得了可满足导轨变形误差要求的支撑点位置参数。开发了机床支撑地脚...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-1支撑地脚刚度等效模型
第二章支撑地脚的刚度建模与结构优化7高度，兼顾减振[33]。其中使用最为普遍的是斜面调整地脚，斜面调整地脚具备较好的高度调节能力，以及较高的刚度以稳定性支撑精密机床，故作为本课题的研究对象。本文在分析支撑地脚刚度建模与布局优化时，均指机床用斜面调整地脚。机床斜面调整地脚的结构通常由地脚座、斜面调整结构、调整螺栓、橡胶阻尼部件等组成如图2-2所示。在机床安装过程中，通过支撑地脚调整螺栓调节地脚高度，保持机床床身水平。不同型号地脚的斜面调整结构各不相同，将非规则形状的地脚截面简化为二字型、匚字型或是口字型等截面。除此之外，通过调整螺栓调整斜面进行床身调平的过程中，斜面的接触面积由于调整结构位移会产生变化，进而对接触面积产生影响，故刚度的计算应采用实际接触的面积进行计算。1.防滑橡胶阻尼层2.调整螺栓3.斜面调整结构4.地脚座5.减振橡胶阻尼层图2-2支撑地脚结构图Figure2-2Structureoffoundationironpadofthetool本章从理论建模的角度出发，研究支撑地脚刚度建模方法，分析影响支撑地脚刚度的因素，提出支撑地脚结构设计优化方法。2.2支撑地脚刚度建模方法整机建模有限元分析中，地脚结合部的总刚度包括了支撑地脚的结构刚度，以及结合部各接触面的接触刚度，这几部分刚度串联在一起，共同组成机床地脚结合部的总刚度，如图2-3所示。由于支撑地脚的质量远小于机床质量，在分析刚度特性时可以忽略其自身重量，只考虑结构刚度与接触刚度。其中各接触面的接触刚度包括支撑地脚和床身接触面的接触刚度、地脚自身部件间接触刚度、地
第二章支撑地脚的刚度建模与结构优化8脚和混凝土地基接触面的接触刚度。因此，法向刚度与切向刚度可用下列公式进行表示：{1Kn=1KnM+1KnC1+1KnC2+1KnC3+1KnC41Kt=1KtM+1KtC1+1KtC2+1KtC3+1KtC4(2-1)其中KnM与KtM为地脚结构的法向结构刚度与切向结构刚度，KnCi与KtCi为图中几个接触面的法向接触刚度与切向接触刚度，最终串联计算得到总刚度。图2-3支撑地脚刚度分析图Figure2-3Stiffnessanalysisdiagramoffoundationironpadofthetool2.2.1支撑地脚结构刚度模型支撑地脚的上接触面与床身接触，地脚的下接触面与混凝土地基接触，均形成约束，根据法向和切向的受力不同，结构刚度的计算可分为法向结构刚度与切向结构刚度两种情况：1)床身对地脚产生法向力，地脚法向受压变形，而地脚与地基的接触面产生约束，支撑地脚的法向结构刚度实质上是等效体法向的拉压刚度。为使公式具有更广泛的适用性，假设调整地脚不同层的材料不同，考虑不同材料结构刚度的串联。法向结构刚度KnM为：KnM=11Kn0+1Kn1+1Kn2=E0E1E2AYE1E2Ln0+E0E2Ln1+E0E1Ln2(2-2)其中，Kn0、Kn1与Kn2分别为地脚主体三层结构下、中、上层材料的法向结构刚度，E0、E1与E2分别为下、中、上层材料的弹性模量，L0、L1与L2分别为下、中、上层材料在Y方向的高度，AY为支撑地脚在Y方向的实际接触截面积。上层中层下层
【参考文献】：
期刊论文
[1]机床垫铁刚度特性辨识方法研究[J]. 王泽华,曹宇中,杜海涛,张建富,冯平法. 制造技术与机床. 2016(08)
[2]精密卧式加工中心正向设计关键技术研究进展[J]. 张大卫,高卫国. 航空制造技术. 2016(09)
[3]高精度光学平板在三点支撑下自重变形的研究[J]. 武东城,高松涛,吴志会,彭石军,曲艺,苏东奇,苗二龙. 光学学报. 2015(12)
[4]机床支撑地脚结合部法向粗糙接触建模[J]. 田红亮,余媛,张屹. 浙江大学学报(工学版). 2015(11)
[5]三点支撑平台的快速调平研究[J]. 王超,高云国,乔健. 电子测量与仪器学报. 2015(08)
[6]精密机床床身结构三点支撑的多目标优化设计[J]. 云青,牛文铁,王俊强. 机械设计. 2015(07)
[7]机床支撑地脚结合部参数辨识方法[J]. 张辉,于长亮,王仁彻,叶佩青,梁文勇. 清华大学学报(自然科学版). 2014(06)
[8]高速型卧式加工中心的结构以及特点[J]. 冯轶,朱莹. 科技传播. 2014(04)
[9]基于有限元的机床床身辅助支撑布置分析[J]. 王庆利,刘志远,吴丽,郑永平. 机械工程师. 2013(08)
[10]机床计量垫铁的研究[J]. 胡万良,杨奇俊,张云华. 制造技术与机床. 2013(04)
博士论文
[1]基于分形理论的机械结合部接触特性参数研究[D]. 刘文威.华中科技大学 2016
硕士论文
[1]机械结合面接触刚度研究[D]. 党会鸿.大连理工大学 2015
[2]精密卧加T型床身三点支撑优化设计[D]. 赵胜辉.天津大学 2014
[3]精密卧式加工中心静变形误差建模与仿真分析[D]. 朱晓闯.天津大学 2014
[4]卧式加工中心立柱静动态有限元分析及优化设计[D]. 李燕东.山东轻工业学院 2012
本文编号：3578438
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-1支撑地脚刚度等效模型
第二章支撑地脚的刚度建模与结构优化7高度，兼顾减振[33]。其中使用最为普遍的是斜面调整地脚，斜面调整地脚具备较好的高度调节能力，以及较高的刚度以稳定性支撑精密机床，故作为本课题的研究对象。本文在分析支撑地脚刚度建模与布局优化时，均指机床用斜面调整地脚。机床斜面调整地脚的结构通常由地脚座、斜面调整结构、调整螺栓、橡胶阻尼部件等组成如图2-2所示。在机床安装过程中，通过支撑地脚调整螺栓调节地脚高度，保持机床床身水平。不同型号地脚的斜面调整结构各不相同，将非规则形状的地脚截面简化为二字型、匚字型或是口字型等截面。除此之外，通过调整螺栓调整斜面进行床身调平的过程中，斜面的接触面积由于调整结构位移会产生变化，进而对接触面积产生影响，故刚度的计算应采用实际接触的面积进行计算。1.防滑橡胶阻尼层2.调整螺栓3.斜面调整结构4.地脚座5.减振橡胶阻尼层图2-2支撑地脚结构图Figure2-2Structureoffoundationironpadofthetool本章从理论建模的角度出发，研究支撑地脚刚度建模方法，分析影响支撑地脚刚度的因素，提出支撑地脚结构设计优化方法。2.2支撑地脚刚度建模方法整机建模有限元分析中，地脚结合部的总刚度包括了支撑地脚的结构刚度，以及结合部各接触面的接触刚度，这几部分刚度串联在一起，共同组成机床地脚结合部的总刚度，如图2-3所示。由于支撑地脚的质量远小于机床质量，在分析刚度特性时可以忽略其自身重量，只考虑结构刚度与接触刚度。其中各接触面的接触刚度包括支撑地脚和床身接触面的接触刚度、地脚自身部件间接触刚度、地
第二章支撑地脚的刚度建模与结构优化8脚和混凝土地基接触面的接触刚度。因此，法向刚度与切向刚度可用下列公式进行表示：{1Kn=1KnM+1KnC1+1KnC2+1KnC3+1KnC41Kt=1KtM+1KtC1+1KtC2+1KtC3+1KtC4(2-1)其中KnM与KtM为地脚结构的法向结构刚度与切向结构刚度，KnCi与KtCi为图中几个接触面的法向接触刚度与切向接触刚度，最终串联计算得到总刚度。图2-3支撑地脚刚度分析图Figure2-3Stiffnessanalysisdiagramoffoundationironpadofthetool2.2.1支撑地脚结构刚度模型支撑地脚的上接触面与床身接触，地脚的下接触面与混凝土地基接触，均形成约束，根据法向和切向的受力不同，结构刚度的计算可分为法向结构刚度与切向结构刚度两种情况：1)床身对地脚产生法向力，地脚法向受压变形，而地脚与地基的接触面产生约束，支撑地脚的法向结构刚度实质上是等效体法向的拉压刚度。为使公式具有更广泛的适用性，假设调整地脚不同层的材料不同，考虑不同材料结构刚度的串联。法向结构刚度KnM为：KnM=11Kn0+1Kn1+1Kn2=E0E1E2AYE1E2Ln0+E0E2Ln1+E0E1Ln2(2-2)其中，Kn0、Kn1与Kn2分别为地脚主体三层结构下、中、上层材料的法向结构刚度，E0、E1与E2分别为下、中、上层材料的弹性模量，L0、L1与L2分别为下、中、上层材料在Y方向的高度，AY为支撑地脚在Y方向的实际接触截面积。上层中层下层
【参考文献】：
期刊论文
[1]机床垫铁刚度特性辨识方法研究[J]. 王泽华,曹宇中,杜海涛,张建富,冯平法. 制造技术与机床. 2016(08)
[2]精密卧式加工中心正向设计关键技术研究进展[J]. 张大卫,高卫国. 航空制造技术. 2016(09)
[3]高精度光学平板在三点支撑下自重变形的研究[J]. 武东城,高松涛,吴志会,彭石军,曲艺,苏东奇,苗二龙. 光学学报. 2015(12)
[4]机床支撑地脚结合部法向粗糙接触建模[J]. 田红亮,余媛,张屹. 浙江大学学报(工学版). 2015(11)
[5]三点支撑平台的快速调平研究[J]. 王超,高云国,乔健. 电子测量与仪器学报. 2015(08)
[6]精密机床床身结构三点支撑的多目标优化设计[J]. 云青,牛文铁,王俊强. 机械设计. 2015(07)
[7]机床支撑地脚结合部参数辨识方法[J]. 张辉,于长亮,王仁彻,叶佩青,梁文勇. 清华大学学报(自然科学版). 2014(06)
[8]高速型卧式加工中心的结构以及特点[J]. 冯轶,朱莹. 科技传播. 2014(04)
[9]基于有限元的机床床身辅助支撑布置分析[J]. 王庆利,刘志远,吴丽,郑永平. 机械工程师. 2013(08)
[10]机床计量垫铁的研究[J]. 胡万良,杨奇俊,张云华. 制造技术与机床. 2013(04)
博士论文
[1]基于分形理论的机械结合部接触特性参数研究[D]. 刘文威.华中科技大学 2016
硕士论文
[1]机械结合面接触刚度研究[D]. 党会鸿.大连理工大学 2015
[2]精密卧加T型床身三点支撑优化设计[D]. 赵胜辉.天津大学 2014
[3]精密卧式加工中心静变形误差建模与仿真分析[D]. 朱晓闯.天津大学 2014
[4]卧式加工中心立柱静动态有限元分析及优化设计[D]. 李燕东.山东轻工业学院 2012
本文编号：3578438
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