（机械电子工程专业论文）数控立式加工中心优化设计的研究.pdf

数控立式加工中心优化设计的研究 学生：尹飞鸿导师：陈南教授 ( 东南大学) 摘要 x 1 7 1 5 立式加工中心是中型通用自动化加工机床，适用于各类中型机械零件和具有复杂型腔及标 准化模板的加工。该机床结构比较复杂，用有限元的方法设计、分析机床的静、动态特性是目前工 程中应用比较广的一种设计方法。因此，本文在江苏省科技计划项目“江苏省数控机床工程技术研 究中心”和“江苏多棱数控机床股份有限公司”的资助下开展此项研究。论文首先建立了x 】1 7 1 5 立式 加工中心整机及主要零、部件的c a d c a e 模型然后采用有限元分析理论对模型整机及主要零、部件 的静态、模态和谐响应特性进行了分析。在对原整机有限元模型分析的基础上，对原机床设计的薄 弱环节提出了几种改进方案，基于动态优化技术对主要零、部件筋板布局形式做了方案比较式优化 设计。最后，为了验证优化设计结果，进行了相关的实验。 本文主要内容如下： i 、对该机床整机和主要零、部件进行参数化建模，建立了纯数字化的设计模型； 2 、利用有限元分析理论对参数化模型进行了静、动态分析，得出了原机床的各种静、动态特性， 为优化设计提供了理论依据； 3 、根据对原模型的分析结果，对模型进行了方案比较式优化设计，在此基础上进行了有限元模 拟分析，最后得出了较优的机床模型； 4 、对江苏多棱数控机床股份有限公司的x i i t l 5 立式加工中心进行了验证性试验，试验结果证明 了本文分析结果的可靠性。 关键词：参数化。模型，静态分析，模态分析，谐响应分析，优化设计 s t u d i e so fo p t i m u md e s i g nf o rn cm a c h i n i n g c e n t e r y i n f e i h o n g c h e nn a n ( s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ) a b s t r a c t 0 1 7 1 5 ( n cm a c h i n i n gc e n t e r ) i sam e d i u m 、g e n e r a ls e r v i c ea n da u t o m a t e dm a c h i n e ，i ti s a p p l i e dt op r o c e s sa l lk i n d so fm e d i u mm a c h i n ep a r t sa n dt h ep a r t sw i t hc o m p l e xi m p r e s s i o n s a n ds t a n d a r d i z e dt e m p l a t e t h em a t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si s i ng e n e r a lu s e dt o d e s i g na n da n a l y s et h ec h a r a c t e r so fm a c h i n et o o l si ns t a t i ca n dd y n a m i c ，b e c a u s et h e m a c h i n ei sv e r yc o m p l e xi ns t r u c t u r e t b i sp a p e rw a ss u p p o r t e db yj i a n g s uc n ce n g i n e e r i n g r e s e a r c hc e n t e ra n dj i a n g s ud u ol e n gc n c 眦c h i n et 0 0 lc 0 。l t d a tf i r s t ，t h em o d e lo ft h e w h o l em a c h i n ea n di t sm a i nc o m p o n e n t sa s s e m b l yi nc 心f c 瞧w a sb u i l t 。t h e n 。t h et h e o r y o ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a sa d o p t e dt oa n a l y s e si t sf e a t u r eo ft h es t a t i c 、t h em o d e l s a n dt h es i m p l eh a r m o n i er e s p o n s e a tt h eb a s eo nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ep a p e r p r e s e n t ss e v e r a li m p r o v e ds c h e m e sa g a i n s tt o w a r dt h ew e a k n e s so ft h eo l dm o d e l ，t h eo p t i m u m d e s i g nw a sf i n i s h e df o rm a i np a r t si nt h ea s p e c to f r i bp l a t e a f t e ra l l ，t h ec o r r e l a t i o n e x p e r i m e n t sw e r ed o n et ov e r i f yt h er e s u l to fd e s i g r l t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： l 、t h ep a r a m e t r i cm o d e lw a sb u il ta b o u tt h e _ h o l em a c h i n ea n di t sm a i nc o m p o n e n t s a s s e m b l y ，a tt h es a m et i m e ，t h ed e s i g nm o d e lo fe n t i r e l yn u m e r a l i z a t i o n w a sa l s o s t r u c t u r e d 2 、b a s e do nt h et h e o r yo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ea t t r i b u t eo ft h es t a t i ca n d t h ed y n a m i cw a sg a i n e d t h r o u g ha n a l y s i sa n dt h ec o n c l u s i o nw a sp r o v i d e df o ro p t i m u m d e s i g n 3 、t h ec o n t r a s to p t i m u md e s i g ni ns c h e m ew a sc o m p l e t e d a c c o r d i n gt oa n a l y s i s ，t h eb e t t e r m o d e lw a sy i e l d 4 ，t h ep r o v i n gt r i a la b o u t 姗7 1 5w a sd o n ei nj i a n g s ud u ol e n gc n cm a c h i n et 0 0 lc o ，l t d ， t h er e s u l tp r o v e dt h a tt h ea n a l y s e si np a p e ri sc o r r e c t k e y w o r d s ：p a r a m e t e r i z a t i o n , m o d e l i n g , s t a t i ca n a l y s i s ，m o d e la n a l y s i s ，s i m p l eh a r m o n i cr e s p o n s e ， o p t i m u md e s i g n n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特另i j 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：霉必期：幽! ：够 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：墨蚴师签名：篮日 期： 第一章绪论 第一章绪论 制造业在国民经济中一直都占有最大的比重，自7 0 年代以来，全球性的市场竞争日益激烈，产 品消费结构不断向多元化、个性化方向发展，产品的更新期和交货期都在缩短一些自动化技术如 c a d 、c a m 、c a p p 、n c 、f m s 、m r p i i 及c i m s 都得到快速发展。系统仿真作为一种重要手段，通常可 以渗透到它们当中去，并帮助它们实现集成，从而促进了一些先进制造技术的发展。近年来在计算 机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析( f e a , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 方法则为解 决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。机床的特点是结构比较复杂，部件之间存在多 种连接方式，用有限元的方法设计、分析和仿真机床的静、动态特性正是现代设计方法中的一种工 程应用。 1 1 机床设计发展现状 1 1 1 机床设计发展的几个阶段 机床设计和其它机器设计一样，也经历了由静态分析向动态分杯由定性分析舟定量分析，由 线性分析向非线性分析，由安全设计向优化设计，由手工计算向自动化计算的发展过程。 1 经验设计阶段：二十世纪4 0 年代以前，因受当时理论水平和试验手段的限制，主要是用一些 具有不同条件系数的经验公式进行计算，并辅以“类比法”来确定零部件结构和尺寸。这种设计方 法盲目性比较大，往往导致机床尺寸增加，重量偏大，特别是为了保证某些动态性能，更会引起不 应有的加大结构尺寸现象。 2 理论分析计算与试验研究相结合的设计阶段：二十世纪4 0 年代至6 0 年代初期，它首先根据理 论计算和局部试验确定结构尺寸，制造样机。再对样机进行整机和局部薄弱环节的各种试验，最后 补充修改定型。 3 计算机辅助设计阶段：二十世纪6 0 年代中后期以来随着计算机的广泛应用和先进测试技术 的发展，使得在机床设计中可以主要利用分析计算法来计算机床的静态和动态应力、变形等。机床 设计思想的主要内容是，把实际问题简化为模型，根据提供的数据和选定的目标函数，用计算机进 行分析、计算并选定最佳方案“。 1 1 2 现代机床设计思想 本世纪初以来随着科学技术的飞速发展，对机床产品的质量要求越来越高，新材科、新技术的 应用也同时有了很大发展，国内外出现了许多新型设计理论和方法，这些都使得现代机床设计思想 进入了一个以试验研究及理论计算为基础的较高级阶段。研究设计程序、规律及设计思维和工作方 法，不仅寻求产品本身的最佳化，还要实现从产品设计到制造、试验、检验的全过程以至整个系统 的最佳化。现代机床设计思想是与现代科技发展相适应的一种先进的设计思想。其主要内容包括：“ ( 1 ) 设计对象系统化把设计对象即机床产品视为一个系统不仅关注其组成单元要素，还要考虑 边界、环境和输入输出等特征，避免传统设计的那种局部、孤立地处理问题，而是整体、系统地对 待设计对象。这还有助于引入系统论、信息论和控制论等现代科学理论，用系统观点进行全方位设 计 ( 2 ) 设计内容完善化现代机床设计思想已超出常规的运动设计、动力设计和结构设计范畴，扩 展到概念设计，可靠性设计和宜人性设计等更加完善的内容。使机床产品实用、经济、美观及舒适， 具有更强的竞争力。 东南大学硕l 学位论文 ( 3 ) 设计目标最优化现代机床设计思想追求的是目标最优化，不仅是对某项没计参数的单一目 标优化，而且要对系统的诸多参数进行多目标的整体优化，利用计算机求得理论上的精确解即晟佳 方案，使产品设计在各项技术性能、可靠性及经济性等方面实现最优效果。 ( 4 ) 设计问题模硝化模型是对设计问题的高度概括和抽象，数学模型是最适于分析和研究的一 种形式。通过数学模型就可把工程问题与数学理论紧密结合起来，借助计算机对设计问题进行定量 运算和优化处理并可应用动态设计和动态仿真等现代设计技术。 ( 5 ) 设计过程动态化现代机床设计思想更加注重产品的动态性能，在设计阶段就要对产品动态 性能进行预测和优化。动态设计首先要建立系统的动力学数学模型，并通过验算或实际测试加以验 证。然后用计算机对模型进行动态分析，修改某项参数，比较相应结果。直至达到满意的动态性能， 最后获得最优动态设计方案。 ( 6 ) 设计手段计算机化计算机辅助设计( c a d ) 已成为现代设计方法中必不可少的设计手段和强 大支柱在初步设计阶段，可进行方案的分析，选择、评价和决策。在技术设计阶段，可进行结构 和参数确定，运动、动力或其他特性分析，材料选择，成本计算，参数优化和绘图等工作。在工作 图设计阶段，可绘制零件图、标注尺寸及公差配合，编制、存贮和管理各种技术文件。 i 1 3 机床设计思想的新发展 目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削，超精密加工技术等技术的应用。柔性制造系 统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对机床加工技术提出了更高的要求。当今机床研究正 朝着高速度高精度化、多功能化、智能化、数控编程自动化等方向发展。其中。c a e ( 计算机辅助工 程分析) 融入机床设计整个过程，尤其是设计阶段，是提升机床性能，加快机床研发过程的有效手 段。 1 2 静、动一体化设计思想与c a d c a e 技术 从机床设计思想的发展过程可以看出，现代机床设计越来越强调整体性和全局性，避免局部地、 孤立地处理问题，同时现代机床设计更加重视计算机的作用，使设计更精确，更经济，更高效。当 今信息产业突飞猛进的发展，给传统的机床设计带来了一系列新的变化。首先。计算机硬件性能的 不断提高使以往只能在大型工作站上才能进行的设计和分析的计算工作可以转移到廉价的微机上。 第二，计算机软件的巨大丰富不但使以往价格昂贵的工程应用软件变得相对低廉，而且越来越友好 的界面，令使用者越来越容易学习和操作。第三，网络技术日益广泛的使用更是令制造业的新概念 层出不穷。比如p d m e c 并行开发技术；由对物质的操作转向对信息的操作；基于因特网的设计与制造 等等 c a d c a e 技术正是在这种现代机床设计思想和现代信息技术高速发展的背景下产生的。现在， c d c a e 技术随着计算机技术的飞速发展和计算机在各个工程领域的广泛应用。已产生了极为深远的 影响，起到了划时代的作用。它已作为了高科技生产力的手段，对提高设计水平和生产效率起着巨 大的推动作用。各种各样的c a d c a e 软件在各类计算机计算、存储能力大幅度提高的同时，在各方面 专家的努力下变得更加通用化、智能化，界面更加友好、更加便于操作。一些c a d c a e 软件已具备了 完善、精确的结构、热，动力，光学的计算能力。中国科学院长春光学精密机械研究所的赵鹏，卢 愕等人已经利用先进的c a d c a e 技术完成了对空间光学仪器的光、机、电总体设计”“”。 在此前提下。本文提出从系统工程的观点出发，全面考虑机床结构的静态、动态性能，利用 c a d c e 的技术手段，在进行结构静力设计的同时进行动力设计。以达到机床结构设计总体设计参数 优化的新思想。 结构动态设计的基本概念是对满足要求的产品初步设计图纸，或需要改进的产品结构进行动力 学建模、作出动态特性分析。然后根据t 程实际情况，给出其动态特性要求或预定的动态设计目标， 再按结构动力学“逆问题”方法直接求解结构设计参数，或按结构动力学“正问题”分析法，进行 2 第一章绪论 结构修改设计与修改结构的动态特性预测，其结构的修改与预测过程往往需要反复多次，直到满足 各项设计要求，从而得到一个具有良好动态特性的产品设计方案。在进行静、动总体设计过程中， 我们借鉴了动态设计思想，从而使结构设计更全面、合理思路也更加清晰。 下面是传统的设计流程图( 图卜1 ) ”和静、动、热一体化动态综合设计流程图( 图卜2 ) 图1 1传统设计流程图 图1 - - 2 一体化设计流程图 3 东南大学硕士学位论文 1 3 我国机床设计技术的研究现状与存在的问题 我国近几年机床t 业虽然发展较快但与国际先进水平还存在一定差距，主要表现在可靠性差， 外观质耸差，产品开发周期长，应变能力差。必须在以下几方面着力研究：l 、加大力度实施质量工 程，提高机床的无故障率。2 、跟踪国际水平，使机床向高效高精度方面发展。3 、加大成套设计开 发能力上求实破。4 、发挥服务优势扩大市场占有率。5 、多品种制造，满足不同层次的用户。6 、 模块设计，缩短开发周期，快速的想应市场。 1 4 课题的来源与主要研究内容 1 4 1 课题研究的背景与来源 长期以来，机械设备的分析与计算一直沿用材料力学、理论力学和弹性力学所提供的公式来进 行。由于有许多的简化条件，因而计算精度很低。为了保证设备安全可靠的运行，常采用加大安全 系数的方法，结果使结构尺寸加大，浪费材料。有时还会造成结构性能的降低。现代产品正朝着高 效、高速、高精度、低成本、节省资源、高性能等方面发展，传统的计算分析方法远远无法满足要 求。近2 0 年来，伴随着计算机技术的发展，出现了计算机辅助工程分析( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 这一新兴学科。采用c a e 技术，即使在进行复杂的工程分析时也无须作很多简化，并且计算速度快、 精度高。常见的工程分析包括：对质量、体积、惯性力矩、强度等的计算分析；对产品的运动精度， 动、静态特征等的性能分析；对产品的应力、变形等的结构分析。其中，物理和几何参数的计算分 析比较简单，此处不予以介绍，对运动精度和动、静态特征的性能分析此处也不介绍。在工程实践 中，有限元分析软件与c a d 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 增加设计功能，减少设计成本： 缩短设计和分析的循环周期： 增加产品和工程的可靠性： 采用优化设计，降低材料的消耗或成本： 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题： 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费： 本课题就是为了缩短机床开发周期，结合江苏多棱数控机床股份有限公司的x h 7 1 5 型机床( 1 7 1 5 立式加工中心是中型通用自动化加工机床适用于各类中型机械零件和具有复杂型腔及标准化模板 的加工) 进行机床优化设计的研究，设计时，在对机床整机的结构进行p r o e - - - 维造型基础上，利用 a n s y s 软件进行对机床床身进行动、静态有限元分析后，给合实际工况进行方案优化设计，最后通过 动力学试验进行验证。 1 4 2 课题的主要研究内容 1 、在学习并熟练掌握p r o e 三维造型软件的基础上，完成x h 7 1 5 立式数控铣削加工中心整机的参 数化数字化模型的建立； 2 、熟练运用a n s y s 有限元分析软件完成该机床静态、模态和谐响应有限元分析： 3 、在动、静态有限元分析后，对该机床进行方案设计，最后利用a n s y s 分析软件进行方案比较 式优化设计： 4 、完成部分动力学试验； 5 、总结本文的研究成果，提出今后的研究方向。 4 第一章绪论 1 5 本章小结 本章介绍了机床设计的发展过程、现代机床的设计思想以及静动一体化设计思想与c a d c a e 技术分析了我国机床设计技术的研究现状、存在问题以及课题研究的背景和来源，最后提出了课 题研究的主要工作。 5 东南大学硕士学位论文 第二章基于有限元法机床支承件设计分析理论 2 1 机床支承件设计准则 机床支承件主要是指床身、立柱、横粱、底座等大件。这类大件的作用主要是支承机床其他零 部件、保持它们的相互位置、承受各种作用力等。它们都应满足下列基本要求： 1 刚度要求高 支承件要求具有抵抗静力、交变力和变形的能力，它包括动、静刚度，因此，支承件应具有足 够的刚度，同时还应在满足刚度的基础上尽量节省材料。 2 足够的抗振性 支承件上安装着主轴箱、刀架等工作部件，支承件应有足够大的抵抗受迫振动和自激振动的能 力，这就要求支承件具有合乎要求的动态特性。 爱温度场分布合理 机床工作时，要受到摩擦热、切削热、液压系统和冷却系统散发的热、周围环境温度的变化等 的影响，支承件的热变形是影响机床特别精密机床精度的一项重要指标，所以要求机床支承件设计 时温度场分布均匀。 4 连接刚度要好，结构要合理，便于调整和装卸。 5 支承件应便于排屑、操纵，考虑切削液及润滑油回油池，液压、电器装置合理的安装及吊运 安全，加工及装配工艺性好等。 2 2 机床大件的静刚度 机床大件受力变形通常是弹性变形。一般来说，机床大件抵抗变形的能力称之为静刚度，其公 式为：k = f 6 。机床大件的受力变形是加工中一项很重要的原始误差，它不仅严重地影响工件加工 精度，而且还影响加工表面质量，限制加工生产率的提高。通常说来，静刚度越好，其动刚度也会 越好。 2 3 机床大件的动态特性 动态特性，指在动载荷作用下产品具有良好的抗振特性，以保证产品的平稳和低噪声运行。判 断动态特性的主要指标有：频率和固有频率、阻尼比、动刚度或动柔度、当量静刚度等“。 2 3 1 振动特性的主要指标 1 ，频率f 和固有频率uo 振动频率f 表示弹性系统在2 彬期间完成的振动次数。它与周期t 互为倒数，即： 1l 2 享。玄彩。( 2 - 1 ) 固有频率uo 表示弹性系统每秒钟内的振动次数( 单位h z ，它与频率f 的关系为： o = 2 n f( 2 2 ) 当弹性系统的弹簧常数( 即静刚度) 为k 、质量为m 时，固有频率的表达式为： 6 第二章基f 有限元法机床支承件i 殳计分析理论 铲、舀舷) y 删 ( 2 - 3 ) 从式2 3 中可以看出。周有频率u 。只取决于弹性系统的静刚度k 和质晕m 而与振动的初始条件 无关。静刚度k 和质蠡 i n 是弹性系统本身的固有特性，所以这一重要的物理量称为固有频率。确定弹 性系统的尚有频率，是振动研究的一项重要任务。 2 、阻尼比i 介质阻力r 。的方向与系统运动方向相反，大小与系统的运动速度成正比，即： r 。= 一多矿= 一占皇； ( 2 4 ) 曲 式中，6 阻尼系数。 阻尼系数6 与阻尼n 的关系式为： 片 2 行= 二或r = 2 n m ( 2 - 5 ) 聊 当n m 。时，系统处于平衡位置的潜移状态，不会产生振动。在这种情况下的阻尼系数，称为临 界阻尼系数，以6c 表示。即： r = 2 n m - - - z m i ，o( 2 - 6 ) 阻尼比是阻尼系数与临界阻尼系数之比，即： = 2 r i m ( 勘 吣) = n o o( 2 - 7 ) 介质阻力的阻尼n 为： n - o ( 2 8 ) 上式说明，介质阻尼力的作用，除了取决于阻尼比的大小外，还与系统的固有频率uo 成正比 材料和结构的阻尼比；需通过实验方法测定。 3 、动刚度i c d 动刚度l 【d 的表达式为： f x 。= 二- ( 2 9 ) ” z 式中，f - - 激振力： 一共振振幅。 设周期性激振力为时间t 的简谐函数，激振频率为( 单位l l z ) ，则受迫振动的微分方程为： 历氅+ 研生+ k x = f 咖研( 2 - 1 0 ) d t d t 将上式两端除以质量m ，并引入2 ：墨；2 拧：三； ：! ， 得： 窘砌去埘尚s 岫m 该方程的解，由通解和特解两部分组成。通解是衰减振动微分方程的解；它的特解，其振幅a 为： 彳：；：；：；! ：一k 一国2 ) 2 + ( 2 脚) 2 ( 2 - 1 2 ) 分子与分母同除防；，得： 7 东南丈学硕士学位论文 a = h c 0 0 2 设五：旦，并将面： ：，代入，得： o ) o m ( 2 - 1 3 ) 彳：；：二! ：一定( 1 一名) 2 + 旧) 2 ( 2 - 1 4 ) 设弹性系统的静变形为6s t ，则： f d 。i ( 2 1 5 ) 振幅a 与静变形6s t 之比y 为振幅放大系数? y ：生 d 口 ( 2 - 1 6 ) 将式2 一1 4 和2 一1 5 代入式2 1 6 ，得： 】，： ! ( 1 一刀) 2 + 协) 2 ( 2 - 1 7 ) 己知动刚度髟= 雪；静刚度k = 万f ；振幅放大系数y 2 丢 所以，动刚度和静刚度的关系为： 髟= 等= 足瓜嘶万。枷， 4 、动态柔度矾 动态柔度w d 是动态刚度的倒数，因此： 2 百12 丽丽1 1 9 ) 5 、当量静刚度i ( c 当系统的静刚度用动刚度k 和阻尼比；来表示时，称为当量静刚度。当量静刚度是指系统共振 时( = u 。) 的静刚度。共振时，动刚度最小，振幅a 最大 由式2 一1 3 得： 彳2 去粼2 刍 。 综上所述，弹性系统的振动特性取决于： 1 ) 系统的静刚度k ； 2 ) 激振力条件，如激振频率u 、激振力f 的大小等； 3 ) 系统的物理特性，如质量m 、固有频率u o 和阻尼比；等。 第二章基于有限元法机床支承件 殳计分析理论 2 3 2 动刚度的主要影响因素 动刚度的特点是，它不仅小于静刚度( 在共振情况下，l 【d = o 0 2 - 0 2 0 k ) ，而且随着频率比 和阻 尼比的变化而变化。影响动刚度的因素可用由式2 一1 3 绘制的幅频曲线图2 一l 来说明。 籁 髅 斗 i m p o r t p r o e ， 然后在弹出的对话框内选中在p r o e 中建好的几何模型。就算是再复杂的机械设计造型和曲面也不 会丢失任何的特征和元素，从而实现了a n s y s 和p r o e 的无缝连接，真正可以发挥两个软件的优势， 方便了机械设计人员。“” 图3 - 2 连接步骤1 1 5 图3 - 3 连接步骤2 东南大学硕士学位论文 图3 - 4 连接步骤3 图3 - 5 连接步骤4 3 3 用有限元分析软件a n s y s 对立式加工中心有限元建模 x h 7 1 5 立式加工中心由床身、立柱、主轴箱、工作台等组成，而机床各部件的刚度对机床的加工 精度有着非常重要的影响。以往对机床部件刚度的分析主要依靠理论简化模型来计算。由于机床结 构复杂，很难得到准确的计算结果。 基于此，本文首先利用p r o e 中的机械设计模块( 它是一个高效的三维机械设计工具) 绘制复 杂机床模型，然后再利用a n s y s 的强大计算功能进行机床整机的静力学计算，分析机床在静态时受 力情况，提取机床各部件的刚度和应力分布情况，从而真实地反映机床的实际工况。 在进行有限元划分网格之前，首先需要对模型中将要用到的单元属性进行定义。单元属性主要包 括：单元类型、实常数和材料属性“。 3 3 1 单元类型的选择 a n s y s 单元库中有1 9 0 多种不同的单元类型在进行有限元分析时必须选择单元类型，这些单元 按维数分为二维和三维单元，因为机床结构比较复杂，一般建议使用三维实体单元s o l i d 4 5 、s o l i d 9 5 、 s o l i d 9 2 、s o l i d l 8 5 。本课题使用s o l i d 9 5 - - - 维实体单元( 如图3 - 6 所示) ，其特性及适用场合如下： s o l i d 9 5 单元输入的数据有 图3 6s o l d 9 5 单元 1 6 蚺肆4 p ”，氍x 护啊脯o _ 岫嘲 夸碜薄 州li，* 一 第三章证式加丁中心自限元静态分析 节点号：i ，j ，k ，l ，m ，n ，o ，p ，q ，k s ，t ，u ，v ，w ，x y ，z a ，b 自由度：u x 。u y u z 实常数：t h e l a x - a x i sa d j u s t m e n t ( u s e do n l yw h e nk e y o p t ( 1 ) = 1 ) 材料特性：e x ，e y ，e 乙a l p x ，a l p y ，a l p z ( o fc t e x c t e y c t e zo rt h s ) ( t h s y ，t h s z ) , p r x y 。p r y z , p r x z ( o rn u x y ，n u y z ，n u x z ) ，d e n s ，g x y 。g y z ，g x z ，d a m p 主要特性：p l a s t i c i t y 、c r e e p 、s w e l l i n g 、s t r e s ss t i f f e n i n g 、l a r g ed e f l e c t i o n 、l a r g e5 t r a i n 、b i r t ha n d d e a t h 、a d a p t i v ed e s c e n t 、i n i t i a ls t r e s si m p o r t 。 3 3 2 材料属性 a n s y s 软件前处理器提供了2 4 种材料模型，如线弹性模型、非线弹性模型、塑性材料模型、蠕变 材料模型、粘性材料模型等模型，本课题只研究机床弹性范围内的问题，所以采用线弹性模型，x h t l 5 立式加工中心床身的材枞3 h t 3 0 0 ，其材料属性见表3 2 ：咖 表3 - 1材料特性 铸件壁厚( m ) 牌号最小抗拉强度o ( w a )密度( k g m )弹性模量( g p a )泊松比 大于至 1 02 02 9 0 h t 3 0 02 03 02 5 07 3 7 4 e 31 2 3 - 1 3 2o 2 3 - 0 2 7 3 05 02 3 0 在有限元分析中床身等主要支承件的材料特性取上表的中间值，其值分别为：弹性模量 1 2 5 e s i “p a ，泊松比为0 2 5 ，密度7 3 e - 9 t m m s 。 3 3 3 划分网格 网格划分是整个分析中最重要的因素之一，对分析模型的准确性和经济性起决定作用，a n s y s 为用户提供了两种网格划分类型：自由( f r e em e s h i n g ) 和映射( m a p p e dm e s h i n g ) 。所谓的。自由” 体现在没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适用于所有的模型。而映射 网格要求满足特定的规则，且映射网格只包含四边形或三角形单元，映射体网格只包含六面体单元， 它生成的单元形状单元比较规则，适用于形状规则的面和体。 机床结构复杂，有相当多的开口、凸台等特征，使床身表面形状复杂，很难用映射划分网格。 由于机床的线、面众多，难以控制，本课题为了避免奇异模型的出现，采用通过指定单元边长来控 制网格划分( e s i z e ) ，为了计算收敛和提高分析精度，机床有限元模型共划分1 1 4 6 1 6 单元，2 1 6 7 2 1 节点，其网格模型如图3 - 7 所示 图3 - 7 机床实体网格模型 1 7 东南大学硕士学位论文 3 3 4 边界处理与施加载荷 ) f f h 7 1 5 立式加二i ：中心安装时采用八个地脚螺栓与地面连接，所以边界处理时将八个安装地脚螺栓 位置处的六个自由度全部施加约束。由于主轴上的刀具切削 件时受到x 、y 、z - - 个方向的切削力， 同时工作台面受到工件对台面的反作用力，根据切削实际工况，在主轴轴头和t 作台面上各施加 x 。y 一z 向1 0 0 0 n 的力来模拟加工受力状态，二者作用力方向相反，其加载幽如图3 8 所示。 3 3 5 求解 图3 - 8 机床加载模型 求解就是a n s y s 通过有限元法建立联立方程，计算联立方程的结果。a n s y s 提供了很多求解联立 方程的算法。a n s y s 的求解器包括：波前求解器( w a v ef r o n t ) 、雅克比共扼梯度求解器( j c g ) 、稀疏矩 阵直接求解器( s p a r s em a t r i x ) 、预置条件共扼梯度求解器( p c g ) 、不完全乔勒斯基共扼梯度求解器 ( c i c c g ) 。其中前两种为宣接求解器，适用于自由度在5 万或者5 0 万以内的较小模型。后三种为迭代 求解器，能够处理自由度在5 万到1 0 0 万以上的大模型。程序可以根据有限元模型自动选择合适的算 法。用户也可以自己指定求解方法。a n s y s 系统在默认情况下，当s o l c o n t r o l 打开时，程序使用波前 直接求解器，当s o l c o n t r o l 关闭时，程序使用稀疏矩阵直接求解器。在分析床身静态特性时我们使 用默认的求解器。由于划分的单元数较多，求解过程需要耗费较长时间。1 本课题加载后设置求解方式为静态，点击求解器进行分析 3 4 立式加工中心有限元模型的后处理与结果分析 通过对机床模型加载和求解后，可得到整台机床的应力与应变情况，同时也可得到各部件的静 态情况。 机床部件分析结果通过下列命令流来提取： v s e l s ，n( n 为机床有限元模型部件的体号) e s l v n s l v 3 4 1 立式加工中心整机结果分析 第三章宦式加丁中心有限无静态分析 机床的静刚度主要决定于零、部件的材料、形状、尺寸和筋扳的布置等因素。它是衡鼙机床整 机特性优劣的一个重要指标。提高机床的静刚度值对于提高加 效率、加l ：精度和表面加l 质量是 十分有效的。因此通过整机有限元模型的静力分析，得出整机的静刚度值及其分布是十分有用和节 约时间的”“。1 。整机的总变形如图3 - - 9 ，从图可见整机最人位移发生在主轴和主轴箱上，数 值为0 0 2 7 0 9 3 。 图3 一争整机的总位移云图 对该有限元模型进行静力分析，得到刀具部位在三个方向静载下产生的位移s i ，以及原机床在 这三个方向刀具部位的刚度值k i ，见表3 - 1 所示。 表3 - 2整机静力分析结果 s i ( 1 02 m )k i ( 1 0 i n m ) 0 8 8 5 81 1 2 8 9 y 1 9 3 3 60 5 1 7 2 0 8 7 l l1 1 4 8 0 从静力分析结果可以看出该机床x 、y 方向静刚度相对较弱，再结合变形的位移云图，这是因为 机床刀具伸出部分刚性较差以及受x 、y 向载荷时立柱产生弯曲和扭转变形，并且通过结构的传递， 该变形到刀具部位时被放大产生所致。 3 4 2 立式加工中心床身结果分析 1 ) 机床床身位移分析 ( a ) 正面 图3 - 1 0 机床床身位移云图 1 9 ( b ) 反面 东南大学碗| ：学位论文 图3 一1 0 为机床床身位移云图，从幽中可以看出：床身最小位移主要集中在床身与立牲结合处内 侧( 如上图左侧所示) 。其位移值为0 0 0 1 4 3 6 m m ，这是由于该与地脚螺栓的距离较近，而地脚螺栓 与地面为吲定约柬。同理，床身最人位移主要集中在床身与立柱结合处外侧( 如上图右侧所示) 。 其位移值为0 0 0 1 8 0 3 1 ，这是由于此处一 作台与床身接触面较小。另从图中还可以看出，床身所受 载荷后的位移沿x 方向递减，沿y 方向位移基本沿床身中心位置呈对称分布，沿z 方向位移在x y 平面内 基本一致。 从图3 - 1 0 可见，机床床身导轨位移分布不均匀，因此有必要对床身导轨进行如下分析，图3 一1 1 为床身滚珠丝杠一侧导轨水平方向位移曲线图、图3 - 1 2 为床身滚珠丝杠一侧导轨侧面位移曲线图。 图3 - 1 1 床身滚珠丝杠一侧导轨水平方向位移曲线 可见机床导轨在静态载荷作用下，导轨沿水平方向的总位移曲线变化趋势为先缓慢增加到一峰 值后，再较快减小，其曲线峰值发生靠右边一侧，最大变形量为0 0 0 0 3 5 6 7 m ，方向为下凹的变形。 图3 - 1 2 床身滚珠丝杠一侧导轨垂直截面方向位移曲线 由图3 - 1 2 可见机床导轨在静态载荷作用下，导轨沿垂直截面方向的总位移曲线变化趋势为缓慢 第三章市式加下中心有限几静态分析 上升至最大变形量0 0 0 0 1 1 0 7 m 后义缓慢卜t 降，方向为f 凹的变形。 2 ) 机床床身应力分布 通过a n s y s 有限元分析得出机床床身应力分布如例图3 - 1 3 所示 ( a ) 床身x 向应力云图 ( b ) 床身y 向应力云图 ( c ) 床身z 向应力云图( d ) 床身m i s e 应力云图 图3 13 机床床身应力分布图 图3 - 1 3 反映床身受载后在x 方向、y 方向、z 方向及m i s e 的应力分布情况，由图3 1 3 ( a ) 可见， 沿床身高度方向上滚珠丝杠导轨以下部分应力分布不均匀且应力很小，最大数值为0 1 2 6 2 7 9 m p a ，而 在安装立柱处的工作台面上出现应力集中，最大值为0 3 7 7 3 5 m p a 。由图3 1 3 ( b ) 可见，整个床身除 个别部位应力分布均匀，最大压应力数值为- 0 9 7 9 2 9 m p a ，最大拉应力数值为0 2 9 5 9 6 4 m p a 。由图3 1 3 ( c ) 应力分布情况基本类似于3 1 3 ( b ) ，其最大拉应力为0 7 4 5 7 6 m p a ，最大压应力为- - 0 2 3 5 8 4 1 l p a 。 而图3 - 1 3 ( d ) 为床身m i s e 应力云图，m i s e 应力为第四强度理论一形状改变比能理论，此理论认为形 状改变比能是引起材料流动破坏的主要因素即不论材料在什么复杂应力状态下，当形状改变比能达 到某一极限时，材料就发生流动破坏，由图3 1 3 ( d ) 可得床身与立柱接合部分及地脚螺栓连接处m i s e 应力分布不均匀，最：k m i s e 应力为l 0 2 2 m p a ，远远小于h t 3 0 0 的最小抗拉强度2 5 0 m p a ，材料不会发生 破坏。 3 ) 机床床身m i s e 应变分布 机床床身m i s e 应变分布如图图3 1 4 图3 - 1 4 机床床身m i s e 应变分布云图 2 l 查堕查兰堡! 竺堡兰 图3 一1 4 为机床床身m i s e 应变分布云幽，由| 簦l 中可见，可得床身与立柱接合部分及地脚螺栓连接 处m i s e 应变分布不均匀，最人m i s e 鹿变为0 8 2 3 e - 0 5 ，由于此处承受工作载荷较大，因而变形量较大。 3 4 3 立式加工中心立柱结果分析 通过整机分析后，立枉的总位移和应力分布情况如图3 - 1 5 。从图3 - 1 5 ( a ) 可见立柱总位移沿 z 方向呈递减趋势。最大总位移发生在立柱结构的最顶部偏右侧，数值为0 0 1 9 8 5 2 m m ，最小位移 发生在立柱与机床床身结合处其值为0 0 0 0 1 9 9 m m 。从图3 1 5 ( b ) 可以看出。立柱受载的m i s e 应力分布不均匀，主要集中在立柱与床身的结合处以及立柱心部肋板上，最大m i s e 应力为1 6 2 9 m p a ( a ) 机床立柱总位移分布云图( b ) 杠床立柱m i s e 应办 图3 - 1 5 机床立柱静态分析结果 3 5 本章小结 该机床是一个大型、复杂的系统，本章首先阐述了现有c a d 、c a e 软件的特点、缺点以及各自在 c a d 、c a e 中的优势，选择了p r o e 软件对x 7 1 5 立式加工中心进行了的三维实体模型，介绍了有限 元分析软件a n s y s 与p r o e 软件间的无缝连接方法与步骤，通过x 1 4 7 1 5 立式加工中心详细介绍了 a n s y s 有限元分析软件对静态分析建模的具体过程，最后从位移、应力、n i s e