（机械工程专业论文）高速加工中心工作台系统的静动态特性分析和优化设计.pdf

高速加工中心工作台系统的静动态特性分析及优化设计 摘要 高速加工中心是近年来机床发展的热点之一。随着加工中心向着高切 削速度、高进给速度和高加工精度的方向发展，对其工作性能的要求越来越 高，不仅要求加工中心具有良好的静态特性，而且要具有良好的动态特性。 而工作台系统( 包括工作台、导轨、丝杠、丝杠母座等) 是高速立式加工中 心的基础部件之一，要承受来自加工中心的静载荷以及在加工时产生的切削 负载等，因此它必须要有足够的刚度，并且加工中心工作台系统的强度、刚 度性能将对加工中心的加工质量和使用寿命具有一定的影响，所以对工作台 系统进行静、动特性分析是很有必要的。 本课题的具体工作有以下几个方面： 1 参考目前市场上现有的工作台结构并结合以往的设计经验，设计出 了四种不同布筋形式的工作台结构，在s o l i d w o r k s 中对其进行了实体建模 并和丝杠，导轨，滑块等进行装配得到工作台系统的装配体。结合有限元理 论，在a n s y sw o r k b e n c h 中对四种不同结构的工作台系统进行了有限元建 模。 2 分别对四种布筋形式不同的工作台系统进行静力学分析，进而计算 出了各个工作台系统的在各方向上的静刚度，经过比较得出了普筋加强筋工 作台系统具有较优的静力学特性；以普筋加强筋工作台系统为研究对象，对 其进行了模态分析，提取出了其前1 5 阶固有频率和振型，并以此为基准评 价工作台系统的动态性能，该工作台系统的筋板和丝杠的刚度较小。 3 根据对普筋加强筋工作台系统的模态分析结果，为了提高工作台系 统的动态性能对该工作台系统做优化设计。以提高其固有频率为目标函数， 以体积为约束条件，对其做拓扑优化，得到了工作台系统的拓扑优化的节点 伪密度分布图，从此图看出工作台的外壳和筋板厚度需要稍微加厚，但这一 改动会影响工作台的整个结构布局，因此决定保留原工作台结构；基于拓扑 优化的结果不明显，再以提高工作台系统的固有频率为目标，提出了双丝杠 传动工作台系统的概念，用双丝杠驱动代替传统的单丝杠驱动，并将两根滚 珠丝杠在工作台上的水平距离作为优化设计参数建立了该工作台系统的参 数化模型，经分析得到了当两根滚珠丝杆在工作台上的水平距离为3 1 0 m m 时的工作台系统方案具有较优的动态性能；对优化后的双丝杠传动工作台系 统做了谐响应分析，绘制了频率振幅曲线图，在该曲线图谱中显示的谐响 应分析结果与模态振型相吻合。 关键字：高速加工中心；工作台系统；动静态特性；拓扑优化设计；重心驱 动工作台。 n s t u d yo ns t a t i c & d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n do p t i m i z a t i o no f h i g h 。s p e e dm a c h i n i n gc e n t e r w o r k t a b l es y s t e m a b s t r a c t w o r k t a b l es y s t e mi so n eo fb a s i cc o m p o n e n t so fh i g h - s p e e dm a c h i n i n g c e n t e r , i n c l u d i n gw o r k t a b l e ，g u i d e w a y , s c r e w a n ds c r e w - m o t h e r , a n di t w i t h s t a n d st h es t a t i cl o a df r o mt h ep r o c e s s i n gc e n t e r 懿w e l l 嬲c u r i n gl o a di n p r o c e s s i n g 。t h e r e f o r e ，i tm u s th a v e s u f f i c i e n ts t i f f i a e s s i na n o t h e rh a n d ， m a c h i n i n gc e n t e rw o r k t a b l es y s t e m ss t r e n g t ha n ds t i f f n e s sp r o p e r t i e sd e t e r m i n e t h ep r o c e s s i n gq u a l i t ya n ds e r v i c el i f eo ft h em a c h i n i n gc e n t e r , s oi ti sn e c e s s a r y t oa n a l y z et h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fw o r k t a b l es y s t e m t h er e s e a r c h st a r g e ti st od e s i g naw o r k t a b l es y s t e mw i t hh i g h e rs t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c e f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ea v a i l a b l ew o r k t a b l es n u d 咖m o d e l so nt h e m a r k e ta n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e ，f o u rk i n d so fw o r k t a b l e sw i t hd i f f e r e n t r e i n f o r c e m e n tl a y o u tw e r ed e s i g n e d t h e3 dm o d e l so ft h e mw e r ee s t a b l i s h e d ， a n dt h e na s s e m b l e dw i t hg u i d e w a y s ，s l i d e r s ，s c r e w s 访t 0w o r k t a b l es y s t e m si n s o l i d w o r k s ；c o m b i n a t i o nw i t ht h ef m i t ee l e m e n ta n a l y s i st h e o r y , s o m e s t r u c t u r a l f b a t u r e so ft h em o d e l sa r es i m p l y e da p p r o p r i a t e l ys oa st oe s t a b l i s hf i n i t e e l e m e n tm o d e l sf o rw o r k t a b l es y s t e m si na n s y sw o r k b e n c h s e c o n d l y , t h ef o u rw o r k t a b l es y s t e m sw e r ec a r r i e do u ts t a t i ca n a l y s i st o c a l c u l a t et h es t a t i cs t i f f n e s so ft h e mo ne a c hd i r e c t i o n a f t e rc o m p r a t i o n ，a w o r k t a b l es y s t e m ，s t r e n g t hg e n e r a lr e i n f o r c e m e n tw o r k t a b l es y s t e m ，w a sp i c k e d u p ，w h i c hw a sw i t hb e t t e rs t a t i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o nt h eb a s i so fs t a t i c a n a l y s i s ，t h es t r e n g t hg e n e r a lr e i n f o r c e m e n tw o r k t a b l es y s t e mw a st a k e n 锻 r e s e a r c ht a r g e tt od od y n a m i ca n a l y s i s t h ef i r s t - 15n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d e s h a p e sw e r eo b t a i n e dt of i n dt h es y s t e m sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，i tw a sf o u n d t h a ti t sr e i n f o r c ea n ds c r e ww i t hw e a k e rs t i f f n e s s a tl a s t ，c o m b i n a t i o nw i t hs t a t i c & d y n a m i ca n a l y s i sr e s u l t s ，t h eh i g h e r n a t u r a lf r e q u e n c i e sw a ss e t 鹊o p t i m i z a t i o ng o a lt oo p t i m i z et h ew o r k t a b l e 1 1 1 s y s t e ms 咖c t u r e o no n eh a n d ，t a k i n gi n c r e a s i n gt h es y s t e m sn a t u r a lf r e q u e n c y a so b je c t i v ef u n c t i o na n dv o l u m ea sc o n s t r a i n t s ，t o p o l o g yo p t i m i z a t i o nw a s c a r r i e do u tf o rs t r e n g t h e ng e n e r a lw o r k t a b l es y s t e mi na n s y s ，an e wm a t e r i a l s d i s t r i b u t i o nm o d e lw a sa c h i e v e d a c c o r d i n gt ot h en e wm o d e l ，t h et h i c k n e s so f w o r k t a b l es h e l la n dr e i n f o r c en e e dt h i c k e n i n g ，w h i c hw o u l da f f e c tt h ew h o l e s 劬c t u r eo ft h ew o r k t a b l es y s t e m ，t h e r e f o r e ，i tw a sd e c i d e dt or e t a i nt h eo r i g i n a l s 仃u c t l l r eo fs t r e n g t hg e n e r a lr e i n f o r c e m e n tw o r k t a b l es y s t e m o nt h eo t h e rh a n d ， b e c a u s et o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o n sr e s u l tw a sn o ti d e a l ，t a k i n gi n c r e a s i n gn a t u r a l f r e q u e n c yo ft h es y s t e ma st h eg o a la g a i n , an e wi d e aw a sp r o p o s e da st h e r e s e a r c ho b j e c t , i tw a sc e n t e ro fg r a v i t y - d r i v e nw o r k t a b l es y s t e mw h i c ht o o k d u b l e - s c r e wt r a s s i m i s i o ni n s t e a do ft r a d i t i o ns i g a ls c r e wt r a s s i m i t i o n t h et w o s c r e w sd i s t a n c ei nt h eh o r i z o n t a lw a st a k e na s o p t i m i z a t i o np a r a m e t e rt o e s t a b l i s ht h ew o r k t a b l e sp a r a m e t r i c a lm o d e lf o ro p t i m i z a t i o n m o d a la n a l y s i s w a sp r o c e e d i n gt od o u b l e s c r e wt r a n s m i s s i o nw o r k t a b l es y s t e mw i t hd i f f e r e n t p a r a m e t e r s ，a n dt h eo n ew i t hb e s td y n a m i cp e r f o r m a n c ew a sp i c k e du p ，i nw h i c h t w os c r e w s d i s t a n c ew a s310 m m ，a n dl a i di n s i d eg u i d e w a y s h a r m o n i c r e s p o n s ew a sc a r r i e do u t f o rt h eo p t i m i z e dm o d e lt od r a wt h ec h a r to f f r e q u e n c y - a m p l i t u d e t h ec h a r ts h o w e dh a r m o n i cr e s p o n s e sr e s u l tc o i n c i d e d w i t hm o d e s h a p e k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dm a c h i n i n gc e n t e r ，w o r k t a b l es y s t e m ，f i n i t ee l e m e n t ， d y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c ，t o p o l o g yo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，gc e n t e ro f g r a v i t y - d r i v e nw o r k t a b l es y s t e m i v 高速加工中心工作台系统的静动态特性分析和优化设计 1 绪论 1 1 课题的背景 工业水平的飞速发展和商品市场的巨大需求，使加工中心应运而生。加工中心是一 种多用途的切削加工机床，具有很强的通用性，但主要还是用于加工箱体类的零件。加 工中心的加工工艺范围包括：对零件进行平面铣削、对曲面进行铣削、钻孔、铰孔、扩 孔、镗孔等等，除此之外，它还能对加工零件的形状和位移公差进行测量【1 1 。加工中心 的产生是对金属切削类机床来说是一个新纪元的开始，实现了工业加工的历史性飞跃。 高速加工中心的主轴转速大于1 0 0 0 0 r r a i n ，x 轴、y 轴和z 轴的移动速度大于6 0 m m i n ， 并且加速度大于9 s m s e c 2 。相较于普通的数控机床，高速加工中心更换刀具的速度更快； 在结构上有较大的变化；控制系统也有大量的改善，进一步实现了机床各部件的高速运 行、控制系统更加灵敏、计算机的运算速度更快，制造水平更高。高速加工中心是集合 了切削理论、运动学理论、刀具切削新理论、数字控制理论和生产实践的产物，高速加 工中心的发展状况能充分体现一个国家的切削机床的技术发展水平和生产实力1 2 1 。 一 1 2 国内外研究状况 1 2 1 高速加工中心的发展现状 就目前世界上加工中心的发展趋势来说，主要呈现出更高速、更精密的发展态势。 以德国d m g 公司生产的高速立式加工中心为例，该加工中心的主轴转速高达 4 2 0 0 0 r r a i n ，快速移动速度可达到9 0 m r a i n ，这是国际加工中心领先水平的代表；由瑞士 m i k r o i l 、美国h a s s 等厂家所开发生产的高速立式加工中心的主轴转速为3 0 0 0 0 r r a i n 以 上，快速移动速度为6 0 7 0 m m i n ：在定位精度方面，国外的立式加工中心也可达到 0 0 0 4 - ，0 0 0 8 m m 以内【3 4 j 。相较于国际上发达国家的数控加工中心的技术水平来说，我 国的高速加工中心的技术水平还存在一定的差距，目前国内加工中心机床的主轴转速在 6 0 0 0 r r a i n 到1 6 0 0 0 r r a i n 的范围内，快速移动的速度在3 0 m r a i n 到4 0 m r a i n 的范围内。 v d l 、v d f 、m d v 、v d r 、v d w 等系列立式加工中心是由大连机床集团有限责任公司 开发研制的，这些加工中心主轴转速为8 0 0 0r m i n 。1 0 0 0 0 r m i n ，快速移动速度在 2 4 m r n i n 3 0 m m i n 范围内，其中速度最高的是v d r l 0 0 0 型立式加工中心，其主轴转速 达到1 5 0 0 0 r r a i n ，快速移动速度达4 5 m m i r a 某知名企业研发的m d v - 9 5 双驱动立式加 工中心的x 、y 、z 三个坐标的丝杠全部采用先进的中空冷却技术，有效的抑制了由于 温度过高而产生变形的问题，通过反馈调节实现高精度。北京机电院研发的“x k r 2 5 五 轴联动立式加工中心”具有双摆台五轴联动，三个直线轴为闭环系统且布置在机床后部。 沈机集团研发的v m c 系列立式加工中心，其主轴转速达到8 0 0 0 r r a i n 以上，快速移动速 陕西科技大学硕士学位论文 度超过3 0 m m i n ，其中v m c 0 6 5 6 h 型高速立式加工中心，主轴转速已达到1 6 0 0 0 r m i n ， 快速移动速度达4 0 m m i n 。秦川机床厂研发的m c v 、v m c 、t h 、t h m 等系列的立式加 工中心产品，主轴转速在8 0 0 0 r m i n 左右 5 1 。 1 2 2 高速加工中心静动态特性分析现状 机床在设计阶段中，整机的有限元分析中存在以下两个关键的问题：一是对机床整 机进行精确的建模非常困难，二是计算的工作量十分巨大【6 】。基于以上的两个难点问题， 在大多数的情况下，设计者就把机床简化成集中质量模型和分布质量模型r 7 1 。在2 0 世纪 六十年代，s a 1 0 b i 嬲和s t a y l o r 教授【8 】以摇臂钻床为研究对象，结合有限元分析理论 建立了其集中质量模型，他们通过计算得到的机床的低阶固有频率，和实验值比较接近， 但是由于结合面和系统阻尼没有被考虑到，致使该钻床的模型不能计算动态响应。鉴于 前者的经验，国内外的学者纷纷开始有关机床分析建模的讨论工作【9 】。j h i j i n k 等【l o 】学 者以卧式升降台铣床为研究对象，采用分布质量梁的方法来建立其计算模型，虽然他在 研究过程中考虑到结构体弹性变形这个影响因素，还对弹性梁和刚性梁做了划分，使模 型更接近机床的实际情况，但还是因为忽略了接合面的建模，使计算值和实验值出现了 较大的偏差。日本的吉村尤孝双学者i i l 】以立式车床为研究对象，在考虑结合面特性基础 之上，在建立其分布质量梁的动力学模型时把接合面的特性也考虑在其中，最终得到了 和实验值很相近的计算结果。这些学者的研究工作都充分说明了结合面特性的在有限元 分析中的重要性1 1 2 1 。 采用有限元分析软件对数控机床整机及其零部件进行静态特性和动态特性分析工作 是国内近几十年内才慢慢发展并成熟起来。起初由于一些客观因素的限制，比如国内计 算机硬件条件较差和有限元分析软件的匮乏，导致我们只能做一些机床的二维有限元分 析，这种局限性的分析方法只能得到研究对象局部的应力分布状况，机床其他部件对研 究对象的影响根本反映不出来，更不用说从中找出了解机床的整体刚度水平和动态特性， 这样的分析工作始终存在较大的误差。后来国内的计算机硬件发展飞快，再加上从国外 引进了许多操作性和功能性非常强的有限元分析软件，对数控机床做三维有限元分析的 工作就变得容易多。所以从上世纪六十年代开始我国开始做了很多关于研究和提高机床 静动态特性的工作，其中大连理工大学、青岛大学、浙江大学、昆明理工大学等做出了 非常具有建设性的研究突破工作。大连理工大学1 1 3 】是国内对机床接触面特性做研究工作 较早的单位之一，并且在研究分析过程中提出了一种新的识别机床接触面刚度和阻尼的 方法，就是用凝聚技术将时序分析法和有限元结合在一起，这样机床接触面的参数仅用 一两个振型就可以识别。天津大学在结合面的特性研究方面也有很突出的贡献，他们以 z 3 0 2 5 摇臂钻床作为实际的研究对象，采用经过修改的机械结构动力、试验模态分析， 机械结构物理参数识别等方法综合起来，建立了机床的动力学模型和结合面的参数识别 2 高速加工中心工作台系统的静动态特性分析和优化设计 4 】。浙江大学以j c s 0 1 8 加工中心的主轴与刀柄的结合部为主要的研究对象，在对机床 的固定结合部和立柱床身的结合面的动态性能进行研究的过程中提出新的识别结合面参 数的方法，该方法适用于负模型【1 5 1 。国内的诸多学者也做了很多相关的研究工作，如青 岛大学的张杰教授，昆明理工大学的廖伯瑜教授和张宇教授等等，所以说机床结合面特 性对机床静动态特性的研究具有非常重要的意义。 、 1 2 3 高速加工中心的优化设计的发展状况 国外对机床结构的优化设计研究并不仅限于机械专业知识的使用，而且还和其它领 域的知识相结合来对机械结构进行优化设计，因此国外的机床结构优化设计发展非常快。 比如美国c a t h o l i c 大学的g b i n a c h i 教授将控制技术应用到机床动态设计和优化设计当 中，l w o a 州立大学的j m v n a t ? 宅教授与s i u 研究中心的t e y e h 教授等1 1 5 】学者们采用在 机床结构的形状优化设计过程中将虚拟现实技术应用其中，m i c h i g a n 大学的t j a i n g 教授 和m c i r e d a s t 教授【1 6 】采用拓扑优化理论，对机床结构中的螺栓和焊点等的数量和位鹭做 了相关的优化设计，还有美国的f o r d 汽车公司和m g 汽车公司【1 7 】在汽车的简单薄壁件 结构优化设计中都同样采用了拓扑优化的设计思想，结合优化设计的结果对原车身结构 做了人工的动静力学修改，使结构的动态特性在大大提高的同时还使制造成本大幅降低。 但是目前国内学术界对机床部件的优化其实质是。方案比较 的优化设计，仅仅局 限于广义上的优化设计。设计者的知识水平和经验决定优化效果的好坏。在计算机工作 平台上的虚拟开发环境中，“自动优化 只能在不太复杂的部件上实现，对于大型的复杂 装配体来说，由于计算机软硬件和理论技术发展水平的限制，搿自动优化 很难实现i l 列。 目前的机床结构优化设计的基本思想可以归纳为：首先在c a d 软件环境下对机床 的主要零部件结构进行三维实体造型，结合简化原则，对其进行合理的简化，从而建立 机床零部件以及整机的有限元分析模型：应用模态试验修正原理处理机床结合面问题， 以期得到更能反映实际加工工况的理论模型；再次建立合理的整机有限元模型，并通过 分析计算得到结构的固有频率和相应振型，使其尽可能的与试验结果相符：通过对分析 结果进行整理分析来指导机床的优化设计，并结合一些先进的机械设计方法技术进而实 现对机床的结构优化；为了提高机床的加工精度，可以采用主动减振装置或是被动阻尼 控制装置，实现在某种激励性对机床结构的减振设计：最后再在c a d 软件环境下对优 化后的结构建模，定制并投入生产i l 舛。 1 3 课题的主要内容 1 3 1 课题来源 本课题是来源于“高档数控机床与基础制造装备一科技重大专项：d v g 8 5 0 高速立 式加工中心( 项目编号为2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 0 1 4 ) 。“高速立式加工中心 是“高档数控机床 与基础制造装备一科技重大专项中优先支持，且能够发挥显著作用的研究和开发课题之 3 陕西科技大学硕士学位论文 一，符合国家中长期科学和技术发展规划的目标。 d v g 8 5 0 高速立式加工中心是为适应广泛的市场需求而开发的高新技术装备。通过 d v g 8 5 0 高速立式加工中心的研发，掌握高速立式加工中心机床相关核心技术，并应用 于高速立式加工中心的研制，开发出具有国际先进水平，以高速铣削加工为主体，实现 铣、钻、攻、镗等多种切削加工方式的高速立式加工中心。同时基本掌握高速立式加工 中心批量制造技术，所研制的高速立加部分采用国产功能部件，可靠性和精度稳定性达 到国际同类产品的先进水平。 所研发的d v g 8 5 0 高速立式加工中心指标要求： 工作台工作台面积( 长宽) 1 0 0 0 m m 5 0 0 m m ；主轴最高转数不低于2 0 0 0 0 f r a i n ； x y z 轴快移速度不低于6 0 6 0 4 8 m r a i n 定位精度0 0 0 8 m m ；重复定位精度0 0 0 4 m m ；主机平均无故障工作时间( m t b f ) 达到9 0 0 小时。 d v g 8 5 0 高速立式加工中心以高速铣削加工为主，可实现铣、钻、攻、镗等多种工 序复合加工。其可靠性和精度稳定性等技术指标达到国际同类产品先进水平。具体技术 指标如下： 工作台面积( 长宽) ：1 0 0 0 5 0 0 姗 撇轴行程：8 5 0 5 0 0 5 0 0m i n 工作台最大载重量： 5 0 0k g 主轴端面至工作台面距离：1 8 0 6 8 0 衄 主轴中心至立柱导轨面距离：5 5 0 衄 主轴锥孔：h s k a 4 0 主轴最高转数： 2 0 0 0 0r m i n x y z 轴快移速度： 6 0 6 0 4 8m m i n 定位精度： 0 0 0 8m i l l 重复定位精度：0 0 0 4 衄 主机平均无故障工作时间( m t b ) 9 0 0 h 典型试件的加工精度符合国家相关标准要求。 1 3 2 课题意义 高速加工技术的发展主要依赖于具有优良性能的高速数控机床，而高速数控机床的 加工精度又主要取决于整机的动静特性。我国在整机的动静刚度方面的研究具有一定的 局限性，这就严重地制约了我国高速数控加工机床的发展。因此，对高速加工中心整机 的动静刚度研究具有非常重要的意义。 本课题是高速加工中心整机动静刚度研究内容的重要组成部分。整机动静刚度的优 化，关键还是取决于各部件动静刚度的提高，工作台系统( 工作台、丝杠、丝杠母座和 4 高速加工中心工作台系统的静动态特性分析和优化设计 导轨) 作为机床的加工工作平台，它的动静性能对整机的加工精度具有重要影响。通过 研究工作台系统和其它零部件的动静刚度，可以实现各部件刚度优化，从而提高整机动 静刚度，进而确保高速加工中心达到预期的加工精度。 本课题完成后，研究成果不仅可用于高速加工中心的整机刚度，同样可用于其它高 速数控机床分析研究，进而提高其加工精度：同时可以为机床行业提供相关技术，而且 可为相关行业提供技术支持和服务，使汽车、航天航空、模具、船舶、仪器仪表等部门 的制造水平更上一个台阶，为我国国民经济建设可持续发展做出贡献，具有广泛的应用 前景和社会效益。 1 3 4 课题内容 本课题是针对高速加工中心工作台系统进行静动态特性的研究和优化设计。工作台 系统是高速加工中心的敏感受力部件之一，它的强度、刚度性能将对加工中心的加工质 量和使用寿命具有一定的影响，工作台系统在工作时承受的载荷较为复杂，所以对工作 台系统进行静、动特性分析是很有必要的。对工作台系统进行静力学分析，可以在设计 阶段就计算出工作台系统的静刚度，验证所设计的工作台系统的静力学特性能否满足机 床对其的要求，如若不满足的话，就可以在设计阶段对其进行修改，这样不但减少了设 计的周期，而且避免了由于重复制造所带来的巨大浪费。对工作台系统进行模态分析， 可以通过分析结果查看工作台系统在各阶固有频率下的振型，根据工作台系统在每阶振 型下的振动状况，对还处在设计阶段的工作台系统进行动态特性的改善，从而提高工作 台系统自身的动态性能。对工作台系统进行拓扑优化设计，目的是为了找到在以提高工 作台系统的动态特性为目标的工作台系统比较合理的材料布局；对工作台系统的丝杠进 行参数化建模是为了研究工作台系统的丝杠在哪种布局情况下其动态性能更优。对工作 台系统进行谐响应分析。是为了了解高速加工中心在工作时，工作台系统在简谐力作用 下的变形位移在工作频率范围内的响应情况，从而得出工作台系统的动刚度谱曲线，根 据工作台系统的加工精度来核算其动刚度是否能满足性能要求。 本课题的主要研究内容有： i ) 分别阐述了国内外高速加工中心的发展情况、高速加工中心的静动态分析技术的 发展现状以及高速加工中心优化技术的发展情况。并对论文的主要工作内容做了简要说 明。 2 ) 结合d v g 8 5 0 高速立式加工中心的物理模型对加工中心的工作结构及各部分的 主要用途做了具体的说明。结合目前市场上现有的工作台结构井结合以往的设计经验， 提出四种不同布筋形式的工作台系统方案，并在s o l i d w o r k s 中进行实体建模。结合有限 元理论，在a n s y sw o r k b e n c h 中进行有限元建模，为后面章节中对工作台系统做静 动态性能分析作准备工作。 陕西科技大学硕士学位论文 3 ) 通过对已建立的四种工作台系统的模型进行静力学分析，进而计算出各模型的静 刚度，经过比较得出普筋加强筋工作台系统具有较优的静力学特性：以普筋加强筋工作 台系统作为研究对象，对其进行模态分析，提取出其的前1 5 阶固有频率和振型，以此为 基准评价工作台系统的动态性能，并为后面工作台系统的优化工作做准备。 4 ) 基于前一章节中对普筋加强筋工作台系统的静动态特性分析的结果，为了提高工 作台系统的动态性能对工作台系统做优化设计。首先，以提高普筋加强筋工作台系统的 固有频率为目标函数，以体积为约束条件，对其做拓扑优化设计；基于拓扑优化设计的 结果不明显，再以提高固有频率为目标，提出双丝杠传动的概念，并不断尝试改变工作 台系统中丝杠的布局，得到丝杠置于导轨内部并且两根丝杠的距离为3 1 0 r a m 时的双丝 杠传动工作台系统的方案具有较优的动态性能。对优化后的双丝杠传动工作台系统做谐 响应分析，绘制频率振幅曲线，查看工作台系统的谐振情况，评价其工作时的性能，并 为研究工作台系统的动力学特性以及此类的优化和设计提供理论依据。 5 ) 对本论文做了内容上的总结，并且根据所做的研究分析工作提出了论文中的不足 和以后的研究中需要注意和解决的问题。 1 4 小结 本章分别阐述了国内外高速加工中心的发展现状、高速加工中心的动静态性能分析 现状以及高速加工中心的优化设计技术的发展现状。并对本文的主要工作内容进行了简 要的介绍。 6 高速加工中心工作台系统的静动态特性分析和优化设计 2 高速加工中心工作台系统的有限元建模 2 1 高速加工中心结构简介 加工中心自问世以来，至今已有3 0 多年的历史，国内外出现了形式多样的加工中心， 虽然外形结构看起来不同，但从总体说来加t 中心丰要还是由以下几大部分组成f 2 0 】。 图2 - id v g 8 5 0 高速立式加工中心 f i g 2 id v g 8 5 0h i g h - s p e e dv e r t i c a lm a c h i n i n gc e n t e r 1 ) 基础部件。加工中心的基础结构包括床身、立柱和工作台等，因为加工中心的静 载荷以及在加工时产生的切削负载等都是由这些基础部件承受，因此它们必须要有足够 的刚度。这些大件既可以是铸铁件也可以是焊接而成的钢结构件，因此它们也是加工中 心中体积和重量最大的部件。 2 ) 主轴部件。主轴结构主要包括主轴电动机、主轴箱、主轴和主轴轴承等。数控系 统控制着主轴的启动、停止和变速等动作。刀具通过安装在主轴上来参与切削运动，因 此主轴部件是切削加工时的功率输出部件。 3 ) 数控系统。加工中心的数控系统是用来执行顺序控制动作和控制加工的过程，主 要包括是可编程控制器、c n c 装置、操作面板以及伺服驱动装置等。 4 ) 自动换刀系统。自动换刀装置是由刀库和机械手等组成的。当加工中心需要换刀 时，数控系统就会发出换刀指令，然后再通过机械手或者其他方式将刀具从刀库中取出 7 陕西科技大学硕士学位论文 来安装在主轴孔中。 5 ) 辅助装置。辅助装置是不直接参与切削运动的部件，但这些装置同样是加工中心 中不可缺少的部分，因为它们可以保障加工中心的加工精度、加工效率和可靠性。辅助 装置主要由涡滑、排屑、冷却、防护、气动、液压和检测系统等组成。 d v g 8 5 0 高速立式加工中心结构复杂，其主体结构由主轴箱、立柱、底座、工作台 和滑座五大件组成，采用电主轴系统实现机床的高速运转，立式加工中心的物理模型如 图2 1 所示。 2 2 高速加工中心工作台系统的实体建模 高速加工中心的工作台系统包括工作台，丝杠母座，丝杠，导轨和滑块等。此次研 究的工作台系统的结构在设计时采用了以往的设计经验，在结构上采用不同的肋板支撑 来提高工作台的自身刚度。筋板结构具有重量轻、承载力高、抗弯能力强、占用空间 小的特点，经合理设计可以起到支撑、防护、构架联接的作用，同时可以减小机床的 总体重量，提高机床大件的动刚度。筋板的位置及其尺寸是提高机床动态特性的一个重 要问题，不合理的筋板布局及尺寸大小会增加机床的总体重量，还会导致机床的动刚度 下降。根据市场上现有的工作台的结构特征，结合经验设计出四种不同布筋形式的工作 台模型。在s o l i d w o r k s 中分别对这四种方案【2 l j 进行实体建模： 方案1 ：普筋工作台( 见图2 2 ) 。采用“口”字形肋条，在工作台内的中间、左 右两侧都分布着横竖方向的筋板，各筋板上都分布有大小不一的矩形槽孔。该工作台结 构简单，容易制造。 图2 - 2 普筋工作台 f i g 2 - 2g e n e r a lr e i n f o r c e m e n tw o r k t a b l e 方案2 ：普筋加强筋工作台( 见图2 3 ) 。在工作台内的中间、左右两侧都分布着十字 交叉的筋板和与之相交的斜筋板，筋板的密度较多，且各个筋板的上都分布有大小不一 田 高速加工中心：i ：作台系统的静动态特性分析和优化设计 的矩形槽孔，这样使得工作台的质量相对较小。该工作台结构能够保证足够的强度，多 用于矩形截面的工作台宽壁处。 图2 3 普筋加强筋工作台 f i g 2 3s t r e n g t hg e n e r a lr e i n f o r c e m e n tw o r k t a b l e 方案3 ：斜筋工作台( 见图2 _ 4 ) 。工作台内的中间分布着横竖方向的十字交叉的筋 板，左右两侧分布着x 状交叉的筋板，且筋板上分布的槽孔孔尺寸也较大；筋板的密度 较普筋加强筋工作台有所降低。该工作台结构容易制造，常用于承载较小的床身壁上。 图2 - 4 斜筋工作台 f i g 2 - 4d i a g o n a lr e i n f o r c e m e n tw o r k t a b l e 方案4 ：斜筋加强筋工作台( 见图2 5 ) 。工作台内的中间分布着横竖方向的十字交 叉的筋板，在横向筋板左右两侧对称分布着圆环状的筋，且分布有与圆环状筋相交的x 状交叉的筋板，且筋板上分布的槽孔孔尺寸也较大。该工作台结构各方面能均匀收缩，内 应力小。 函 陕两科技大学硕十学位论文 图2 - 5 斜筋加强筋工作台 f i g 2 - 5s t r e n g t hd i a g o n a lr e i n f o r c e m e n tw o r k t a b l e 在s o l i d w o r k s 中对导轨，丝杠，滑块，丝杠母座等结构进行建模，并分别与以上四 种不同结构的工作台进行装配，得到工作台系统的装配体，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 工作台系统的装配图 f i g 2 - 6t h ew o r k t a b l es y s t e ma s s e m b l y 2 3 高速加工中心工作台系统的有限元建模 2 3 1 有限元思想 有限元法、边界元法、离散单元法和有限元差分法是目前在工程领域内常用的数值 模拟方法。就其广泛性而言，主要还是有限元法田j 。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种工程物理问题的数值分析方法，根据近似 分割和能量极值原理，把求解区域离散为有限个单元的组合，研究每个单元的特性，组 装各单元，通过变分原理，把问题转化成线性代数方程组求解。其分析指导思想在于： 化整为零，裁弯取直，以简奴繁，变难为易。 1 0 高速加工中心工作台系统的静动态特性分析和优化设计 a ) 真实系统b ) 有限元模型 图2 7 有限元分析基本思想图示 f i g 2 7b a s i ci d e ao ff e a 有限元求解方法的基本过程如图2 8 所示1 2 3 1 。 结构离散化并生成有限元网格 上 l 由单元刚度矩阵形成总体刚度矩阵 上 形成节点载荷向量 上 引入边界条件 上 求解线性方程组 上 得到节点位移 上 计算单元或节点应力 图2 - 8 有限元求解方法流程图 f i g 2 - 8f l o w c h a r to ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d 有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 用于模拟设计载荷条件并确定设计对这些条 件的响应。设计利用离散的结构块( 称为单元) 来建模，每一单元都有精确的方程来描 述它如何对一定载荷的响应，模型中所有单元的响应之和给出设计的总响应，并且单元 具有有限数目的未知量，这是对真实物理系统响应的近似。 应用有限元，可以减少样机测试数量，计算机模拟允许多个设计构想快速有效地进 行测试；可以模拟不适合于进行样机测试的设计，如外壳手术移植，人造膝盖等；并且 可以节约成本，节省时间，缩短产品推向市场的周期，创造出更可靠更高质量的设计。 陕西科技大学硕士学位论文 我们用图2 7 来具体阐明有限元分析的基本思想：图( a ) 中的梯子是一个连续的结 构体，将梯子这个连续体离散成为有限个单元，并且在每一个单元中都设定有限个节点， 将梯子看成是一组单元的集合体，而这个集合体只在节点处相联系，这样我们就得到了 图( b ) 中梯子的有限元模型。场函数的节点值被选定作为基本的未知量，单元中场函数 的分布规律是通过在第一个单元中假设一插值函数用来表示的，通过变分原理去建立的 有限元方程用来求解节点未知量，这样一个连续域中的无限自由度问题就被转化为离散 域中的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元 上以至整个集合上的场函数。 2 3 2a n s y sw o r k b e n c h 软件介绍 a n s y s 是目前国际上公认的大型通用有限元分析软件中的一种，大部分的c a d 软 件都可以与它接口，使数据可以实现共享和交换。a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t ( a w e ) 作为a n s y s 软件下的一个分析平台，不但具备了a n s y s 软件的强大的分析功能，而 且具有极强的操作性。作为新一代c a e 应用与开发平台，灵活、易学易用，其独特的产 品构架和众多支撑性模块为产品整机、多场耦合分析提供了强大的系统级解决方案。几 何建模模块( d e s i g n m o d e l e r ) 、有限元分析模块( d e s i g n s i m u l a t i o n ) 以及优化设计模块 ( d e s i g n o p t i m i z a t i o n ) 是a w e 的3 个主要模块 2 4 1 。a w e 产品的模块建构便于有限元 问题的解决，功能模块之间进行双向参数调用。它具有友好的w m d o w s 风格界面，便于 学习和操作，a w e 的这些优点便于仿真工程的协作。 具体说来，a w e 具有的主要特色有 2 5 1 ： 1 ) 强大的装配体自动分析功能。 2 ) 自动化网格划分功能。在诸多的c a e 分