（机械制造及其自动化专业论文）高速立式加工中心主轴箱抗振特性及优化研究.pdf

高速立式加工中心主轴箱抗振特性及优化研究 摘要 机床主轴箱是机床的关键部件，是对机床的加工精度影响较大的部件之 一。主轴箱的动静态性能直接决定机床的性能，所以对主轴箱进行动静刚度 分析、抗振特性及优化研究，进而对主轴箱进行结构改进及振动控制，提高 主轴箱的动静态性能，是提高机床整体性能的关键步骤。 在国内外，针对以提高数控机床的加工精度为特定目标的振动控制和优 化设计，仍包含了许多需要解决的理论和技术问题。 本课题是对d v g 8 5 0 高速立式加工中心主轴箱进行有限元分析、抗振 特性及优化问题的研究。通过本课题的实施，设计出主轴箱合理的结构形式、 布筋模式和用于豆包阻尼减振研究的试验台，不但可以在一定程度上提高 d v g 8 5 0 高速立式加工中心主轴箱的动静态性能，而且为此后同类设计提供 理论依据和技术支撑。 根据经验和使用比拟的方法，设计了高速立式加工中心四种不同布筋形 式的主轴箱模型。使用有限元分析软件对四种方案进行静力学分析，根据静 态性能选出较优的方案。对主轴箱进行模态分析，提取主轴箱的低阶固有频 率和相应的振型，从振型图中观察主轴箱的振动情况，找出主轴箱的刚度薄 弱处。 运用优化理论，对主轴箱进行拓扑优化设计，根据拓扑优化结果的伪密 度云图，对主轴箱进行材料布局的改进，提高主轴箱的静态、动态性能。对 主轴箱进行灵敏度分析，找出对主轴箱性能影响较大的设计尺寸作为优化尺 寸，对主轴箱进行形状优化设计，协调主轴箱的各优化尺寸，使之在满足主 轴箱性能要求的前提下得到最佳的组合。 对主轴箱进行动刚度分析，提取主轴箱的谐响应数据，绘制频率振幅 和动刚度谱曲线，查看主轴箱的谐振情况，评价其工作时的性能。运用振动 理论，使用豆包阻尼减振技术对主轴箱进行振动控制，实现主轴箱振动幅值 的降低、动刚度的提高。由于现行软件无法模拟豆包阻尼减振，所以把豆包 阻尼减振器简化为在软件中能够模拟的结构，进行主轴箱阻尼减振的数值模 拟，为用于主轴箱振动控制的豆包阻尼减振器的设计研究提供技术支撑。 设计豆包阻尼减振试验台，为以后豆包阻尼减振的研究提供专门的试验 装置。 关键字：高速立式加工中心，主轴箱，有限元，动静刚度，优化设计，振动 控制 i i t h es t u d yo fa n t i v i b ra t i o n 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 dv e r t i c a l 【a c h i n i n gc e n t e r h e a d s t o c k a b s t r a c t m a c h i n et o o lh e a d s t o c ki sak e yp a r tt h a th a sag r e a ti n f l u e n c eo n m a c h i n i n gp r e c i s i o n d y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e so f t h eh e a d s t o c kd i r e c t l y d e t e r m i n et h ep e r f o r m a n c eo fm a c h i n et 0 0 1 s od y n a m i ca n ds t a t i cs t i f f n e s s a n a l y s i sa n da n t i v i b r a t i o na n do p t i m i z a t i o ns t u d i e sw e r ed o n ef o rt h eh e a d s t o c k s t r u c t u r ei m p r o v e m e n ta n dv i b r a t i o nc o n t r 0 1w e r ea l s od o n et oi m p r o v et h e d y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e t h e s ew e r et h ek e ys t e p st oi m p r o v et h eo v e r a l l p e r f o i t n a n c eo fm a c h i n et o o l s b o t hi nc h i n aa n da b r o a d v i b r a t i o nc o n t r o la n do p t i m i z a t i o ns t i l lh a sm a n y t h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a lp r o b l e m st h a tm u s tb es o l v e dt oi m p r o v et h em a c h i n i n g p r e c i s i o no ft h ec n cm a c h i n e t k sr e s e a r c ha i m sa t a p p l y i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n t i v i b r a t i o n m e t h o d sa n do p t i m i z a t i o nt ot h ed v g 8 5 0h i 曲一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 h e a d s t o c k t h i sw o r kl e dt ot h ed e v e l o p m e n to fab e a e rs t r u c t u r e n o to n l yw i l l t h i si m p r o v et h ed y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c eo ft h ed v g 8 5 0h i g h - s p e e d v e r t i c a lm a c h i n i n gc e n t e rh e a d s t o c k b u ti ta l s oc o u l dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i s a n d t e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o rs i m i l a rd e s i g n si nt h ef u t u r e b a s e do ne x p e r i e n c ea n dt h eu s eo fc o m p a r a b l em e t h o d s ，f o u rd i f f e r e n t f o r m so ff a b r i cr e i n f o r c e m e n th e a d s t o c km o d e l sw e r ed e s i g n e d s t a t i c sa n a l y s i s w a sd o n ef o rt h ef o u rs c h e m e sw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，a n dt h eb e s t s c h e m ei ss e l e c t e db a s e do nt h es t a t i cp e r f o r m a n c e m o d a la n a l y s i sw a s c o n d u c t e df o rt h eh e a d s t o c k ，a n dl o wo r d e rn a t u r a l f r e q u e n c i e sa n dt h e c o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o ns h a p e so ft h eh e a d s t o c kw e r ee x t r a c t e d t h ev i b r a t i o n s h a p ed i a g r a ms h o w e dh o ww o u l dx , i b r a t ea n dr e v e a l e da r e a so ft h eh e a d s t o c k 也a tw e r en o ts t i f re n o u g h t o p o l o g yo p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h eh e a d s t o c kw a sc a r r i e do u t a c c o r d i n g t ot h ep s e u d od e n s i t yc l o u do ft h et o p o l o g yo p t i m i z a t i o nr e s u l t ，t h em a t e r i a l i l a y o u t o ft h eh e a d s t o c kw a sc h a n g e dt o i m p r o v et h e s t a t i ca n dd y n a m i c p e r f 0 1 t n a l c e s s e n s i t i v i t ya n a l y s i sw a sd o n ef o r t h eh e a d s t o c kt of i n dt h eo p t i m a l h e a d s t o c ks i z e s h a p eo p t i m i z a t i o nd e s i g nw a sd o n ei nc o o r d i n a t i o nw i t ht h e s i z eo p t i m i z a t i o n t h er e s u l t so fa l lm i sw o r ks a t i s f i e dt 1 1 er e q u i r e m e n t sf o r h e a d s t o c kp e r f o r m a n c e d y n a m i cs t i f f n e s sa n a l y s i sw a sc a r d e d o u tf o rt h eh e a d s t o c k t h e h e a d s t o c k sh a r m o n i cr e s p o n s ed a t a ，仔e q u e n c y a m p l i t u d ea n dd y n a m i cs t i f f n e s s s p e c t r u mc u r v ew e r eo b t a i n e d r e s o n a n c ec o n d i t i o no ft h eh e a d s t o c kw a s c h e c k e da n dt h e w o r k i n gp e r f o r m a n c ew a se v a l u a t e d b e a nb a gd a m p i n g v i b r a t i o na t t e n u a t i o nt e c h n o l o g yw a su s e dt oc o n t r o lt h ev i b r a t i o no ft h e h e a d s t o c k u l t i m a t e l y v i b r a t i o na m p l i t u d er e d u c t i o na n dd y n a m i cs t i f f n e s s e n h a n c e m e n tw e r ea c h i e v e d s i n c ec u r r e n ts o f t w a r ec a n ts i m u l a t eb e a nb a g d a m p i n gv i b r a t i o na t t e n u a t i o n ，b e a nb a gd a m p i n ga b s o r b e rw a sn u m e r i c a l l y s i m p l i f i e dd u r i n g v i b r a t i o na t t e n u a t i o ns i m u l a t i o n s t e c h n i c a l s u p p o r tw a s p r o v i d e df o rt h ed e s i g na n dr e s e a r c ho f t h eb e a nb a gd a m p i n ga b s o r b e rs ot h a ti t c o u l db ep r o p e r l yu s e dt oc o n t r o lt h eh e a d s t o c k sv i b r a t i o n s b e a nb a gd a m p i n gv i b r a t i o na t t e n u a t i o nt e s t - b e dw a sd e s i g n e d ，a n dt h e s p e c i a lt e s td e v i c ew i l lb ep r o v i d e df o rt h er e s e a r c ho fb e a nb a gd a m p i n g v i b r a t i o na t t e n u a t i o nl a t e r k e yw o r d s ：h i g h s p e e dv e r t i c a l e l e m e n t ，d y n a m i ca n ds t a t i cs t i f f n e s s ， m a c h i n i n gc e n t e r ，h e a d s t o c k ，f i n i t e o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，v i b r a t i o nc o n t r o l i v 高速立式加工中心主轴箱抗振特性及优化研究 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 随着我国经济的飞速发展，制造业向着高、精、尖方向发展，为适应快速变化的市 场和顾客化的产品需求，机电产品制造行业对降低生产成本、提高机械加工效率和产品 质量的期待值越来越高。 高速切削是切削加工重要发展方向，不但能够大幅度提高生产效率、改善表面加工 质量，而且能够缩短生产时间，降低生产成本，有利于提高我国工业产品的整体竞争力， 带动一系列相关高新技术产业的发展。加强高速切削技术的基础研究，包括如何对机床 进行结构的创新设计，以满足高速切削时机床整体及主要部件的动静刚度要求等，对于 提高机床和工具行业的开发创新能力，已是当务之急。 近年来，我国数控切削加5 1 2 产业迅速发展，从2 0 0 2 年开始，中国连续多年成为世界 机床消费和进口第一大国；中国进口的机床中，其中绝大部分是数控机床，包括数控加 工中心。目前，在中高档数控机床的研发方面，尤其是高速数控加工中心的研发，国内 数控机床制造企业的制造水平与国外的制造企业有着较大的差距，7 0 以上的此类设备 和绝大多数的重要部件依赖进口。目前，由于国内高速加工中心的研发生产相对落后， 高速加工中心仅在少数特殊行业应用，许多企业和科研结构急需高速数控加工设备，因 此，高速机床的发展与推广已成为当务之急和必然趋势。“十一五”期间，工业和信息化 部与各部门密切配合，将数控机床专项实施和“扩内需、促增长、调结构、上水平密 切结合，加快了专项的实施进度。“十一五”期间共安排立项课题2 0 0 余项，经费总投入 超过9 0 亿元。“十一五 期间，华中数控开始研发自主创新的数控技术，在国家政策的支 持下，数控技术得到较大的发展。“十二五 期间，数控机床专项将进入攻坚克难、掌握 核心技术，保证创新发展和重点跨越的关键阶段；把重大专项的实施与8 6 3 项目、两化融 合技改项目和战略性新兴产业项目等政策的实施有机结合起来，集中国家资源，聚焦攻 关目标，有的放矢地重点突破高档数控机床、数控系统和功能部件核心技术。 高速立式加工中心作为中高档数控机床的一个常用类型，通过技术创新、优化设计， 在提高产品质量的前提下，提高各项技术性能，提高产品的性价比，缩短与发达国家之 间的差距，使我国的机电产品制造业在市场竞争中占到一定的份额，并产生了显著的经 济效益与社会效益。高速立式加工中心整机和组件的静刚度、动刚度和固有频率在一定 程度上决定加工中心的性能，其性能参数制约着高速加工中心朝着高速度、高精度和高 效率的方向发展。所以对机床结构进行动静态特性的有限元分析和优化研究，对于进一 步提高机床的工作性能有着十分重要的意义，为优化机床结构和改善机床的动静态特性 提供必要的理论依据。 陕西科技大学硕士学位论文 在国内外，机床结构抗振特性及优化的研究与工程应用已取得了很多的进展，但针 对以提高数控机床的加工精度为特定目标的振动控制和优化设计，则仍包含了许多需要 解决的理论和技术问题。机床主轴箱是机床的关键部件，对机床的加工精度影响较大， 主轴箱的动静态性能直接决定机床的性能，本课题是对d v g 8 5 0 高速立式加工中心主轴 箱抗振特性及优化问题的研究，通过本课题的实施，对主轴箱进行结构改进及振动控制， 提高主轴箱的动静态性能，为此后同类设计提供理论和技术依据。 1 2 国内外研究状况 目前加工中心呈现出高速化、精密化的发展趋势。但国内高速、高精度的立式加工 中心机床的技术水平与国外同类产品相比还存在很大差距。国产立式加工中心机床的主 轴转速目前已达到6 0 0 0 - - 一1 6 0 0 0 r m i n ，快速移动速度为3 0 - 一4 0 m m i n ；与此相比，目前代 表国际领先水平的德国d m g 公司的高速立式加工中心主轴转速达到4 2 0 0 0 r m i n ，快速 移动速度达到9 0 m m i n ；瑞士m i k r o n 、美国h a s s 等厂家的所开发生产的高速立式加工 中心的主轴转速高达3 0 0 0 0 r m i n 以上，快速移动速度达到6 0 一- 7 0 r r d m i n ；在定位精度方 面，国外的立式加工中心也达到0 0 0 4 - - - 0 0 0 8 m m 以内【1 2 1 。 大连机床集团有限责任公司研发出v d l 、v d f 、m d v 、v d r 、v d w 等系列的立式 加工中心，这些加工中心主轴转速为8 0 0 0 1 0 0 0 0 r m i n ，快速移动速度在2 4 - - + 3 0 m r a 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 m i n ，快 速移动速度达4 5 m m i n i 研发的m d v - 9 5 双驱动立式加工中心，瓜kz 三个坐标丝杠 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 m i n 以上，快速移动速度超过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。 用限元分析软件对机床零部件进行静态和动态特性分析，国内近些年才慢慢发展并 成熟起来。最初，国内受有限元分析软件和计算机硬件条件的限制，对机床部件的静态 和动态特性仅限于二维有限元分析，把部件中受力较大的部分隔离出来，按照平面受力 状态进行有限元分析。这种计算模型虽能得到部件部分的应力分布状况，但反映不出该 机床其它部分对该部分的影响，更反映不出机床的整体刚度水平和动态特性，因而存在 较大的误差。随着计算机硬件的发展以及国外优秀有限元分析软件的引进，机床的三维 有限元分析变得容易实现，分析结果和机体的实际情况也是越来越接近。 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 2 高速立式加工中心主轴箱抗振特性及优化研究 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，“自动优化 很难实现 3 - 0 3 。 李修平利用有限元分析软件分析焊接性e q d l 8 加工中心和铸造型p m 5 0 a 加工中 心。采取用户自定义单元模拟加工中心的螺栓联接结合面和导轨联接结合面；用杆和梁 单元模拟加工中心的传动丝杆，对比分析两种模拟方法对加工中心固有频率的影响，通 过实验表明杆单元模拟更符合实际情况。讨论了加工中心结合面和丝杠的抗弯刚度对模 态的影响，增大结合面的刚度会提高整机的固有频率，但增大幅度有限；丝杠的抗弯刚 度对对整机的固有频率影响较大。 刘晓平等提出了应用模糊理论来实现机械结构的优化设计和动力学修正。汤文成、 易红通过对床身筋板类型和布局的研究，发现筋板的形态对床身的性能影响较大，通过 对床身参数化建模，优化得到床身的最佳模型。 张宇等推导出一种利用结构实测频响函数识别结合部参数的方法，通过多频率点的 最小二乘法消除噪声的影响。陈新、张学良等应用b p 神经网络进行结构的动力学修正 和优化设计，这些方法对于机床构件的动态优化设计具有很好的指导意义1 7 。 在国外，机床结构的动力学研究发展迅速，现在普遍采用有限元法对机床部件及整 机进行动态特性分析，且已用于高速加工中心的研发中。德国巨浪公司f z 0 8 w 双工作 台立式加工中心，专利设计的“篮式 刀库使f z 0 8 w 换刀速度达到1 5 s ，三轴快移速度 高达6 0 m m i n ，1 5 0 0 0 r m i n 的高速主轴可选配4 0 0 0 0 r m i n ，2 5 9 的高加速性能，以及数 控双交换工作台，真正实现了高速、高效；l o w a 州立大学的j m v a n c e 与i s u 研究中 心的t p y e h 等应用虚拟现实技术来进行机床结构的形状优化设计；韩国的j u n g d o s u h 等人用有限元方法分析主轴外壳的阻尼特性，开发出一种新型的夹层复合结构，不仅提 高了它的阻尼系数，还减轻结构的质量；美国c a t h o l i c 大学q b i a n c h i 等学者将机床的 动态设计与控制相结合；西班牙的m z a t a r a i n 建立铣床的几种包括主要支撑件和滚动导 轨结合面的有限元模型，对比模态分析结果，优选出最合理的模拟模型；m i c h i g a n 大学 的t j i a n g 等学者在应用有限元法和动态分析的基础上，提出一种数学模型来模拟机床 结构的联结方式；美国国家标准技术学院t l s c h m i t z 建立高速机床的刀具主轴系统的 模型，能很好地预测整机系统的动态响应s 1 0 。 目前在中高档数控机床方面大部分企业又没有能力去做这方面的研究，而高校和科 研院所对机床基础理论研究的投入不够。同时，企业技术创新能力低、吸收消化能力不 足，加之对应用技术的研发投入方面也不够，一些关键技术还没有完全掌握。像动刚度、 振动抑制、误差补偿、热变形、可靠性、稳定性等，都是直接影响机床质量和加工精度 的重要因素【l l 】。 陕西科技大学硕士学位论文 已具有的资料表明，国内对箱体的结构分析和优化设计方面的研究还不多，没有形 成一套理论和方法【1 2 】。以往对高速机床主轴箱体的传统设计，往往凭经验或已有的工程 实例用比拟的方法进行设计，其结果是安全系数过大、笨重、浪费材料，难以达到最优 设计。正因为如此，基于上述的研究介绍，本课题将对高速加工中心主轴箱抗振特性和 优化进行研究，为高速加工中心主轴箱的设计和生产提供理论依据和技术支撑。 1 3 有限元法及a n s y s 介绍 1 3 1 有限元简介 有限元法是将计算数学、弹性理论和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析 技术，最初是用来研究复杂的飞机结构中的应力。由于有限元法的快速、灵活和有效性 的特点，随着科技的飞速发展，现代很多问题求解的复杂性，因此，有限元法成为一种 广泛使用的方法。 有限元法把求解区域分割成有限个单元，这些单元通过节点相联接，求解时力和位 移通过节点和单元传递。有限法的一个独特优点是可以求解任意结构形状和边界条件的 力学问题。在有限元法中求解的方法分为位移法、力法和混合法，位移法以节点位移分 量作为结构的基本未知量求解的方法，由于位移法有广泛的适用性，目前使用较多。 在此基础上，选择位移模式来近似模拟单元位移分量的分布规律，求得模型中各个 单元的平衡方程。然后，把所有单元特性关系集合起来，就得到整个机体的平衡方程组。 最后，引入边界约束条件计算出节点位移和单元应力应变值。有限单元法有着非常广泛 的应用范围和有非常强的实用性，并且概念通俗易懂，便于掌握 1 3 以6 】。 1 3 2a n s y s 简介 a n s y s 有限元分析软件融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，由世界上知 名的有限元分析软件a n s y s 公司开发。随着计算机硬件和软件的不断发展及高性能计算 机的普遍应用，为a n s y s 软件的推广提供得天独厚的条件，并展示出更为广阔的工程应 用前景。 a n s y s 软件主要包括3 个模块【1 7 - 叼： 1 ) 前处理模块主要是为有限元分析准备有限元模型； 2 ) 分析计算模块是为有限元问题的求解提供数学方法，进行求解计算； 3 ) 后处理模块用来分析处理求解结果，a n s y s 包括通用后处理模块p o s t l 和时间 历程后处理模块p o s t 2 6 。 a n s y s 的分析过程包括：确定问题的范围、建立有限元模型、加载和求解、后处理。 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 ) 是a n s y s 求解实际问题的新一代平台产品。 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。a w e 产品的模块建构便于 4 高速立式加工中心主轴箱抗振特性及优化研究 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。 a w e 具的主要特点如下： 1 ) 强大的装配体自动分析功能 2 ) 自动化网格划分功能 3 ) 协同的多物理场分析环境 4 ) 快捷的优化工具d e s i g n x p l o r e r 因此，作为新一代协同c a e 仿真平台，a w e 以其独特的产品架构和众多功能模块 为复杂结构的产品提供了优良的系统级解决方案1 1 9 二0 1 。 、 1 4 本文主要的研究内容 1 4 1 课题的来源 本课题来源于“高档数控机床与基础制造装备 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”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 x 5 0 0 m m ；主轴最高转数不低于2 0 0 0 0 r m i n ； x y z 轴快移速度不低于6 0 6 0 4 8 m m i n ；定位精度郢0 0 8 m m ；重复定位精度如0 0 4m l t l ； 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 01 1 1 i l l 妣轴行程：8 5 0 5 0 0 5 0 0 1 1 1 1 1 1 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 0l n l l l 主轴中心至立柱导轨面距离：5 5 0t o n i 5 陕西科技大学硕士学位论文 主轴锥孔： h s k a 4 0 主轴最高转数：芝2 0 0 0 0r m i n x 腭z 轴快移速度：芝6 0 6 0 4 8m m i n 定位精度： 郢0 0 8m m 重复定位精度：5 0 0 0 4i l l n l 主机平均无故障工作时间( m t b )芝9 0 0h 典型试件的加工精度符合国家相关标准要求。 1 4 2 课题的研究内容 本课题主要是针对d v g 8 5 0 高速立式加工中心主轴箱抗振特性和优化进行研究。主 轴箱是高速立式加工中心最关键的受力部件之一，它的强度、刚度好坏将直接影响到加 工中心的精度和寿命，主轴箱在工作时与加工中心诸多零件相连接，承受着极为复杂的 载荷，所以对主轴箱进行动静特性分析尤为重要。对主轴箱进行静态特性分析，可以在 设计阶段计算出主轴箱的刚度，验证设计的主轴箱刚度是否满足机床对其刚度要求，若 是不满足可以在设计阶段对设计进行改进，这样做不但减少设计的周期而求避免由于重 复制造带来的浪费。对主轴箱进行模态分析，可以查看主轴箱在各阶固有频率下的振型， 根据主轴箱在每阶振型下的振动情况，在设计阶段对主轴箱进行动态特性的改进，进而 提高主轴箱的动态性能。对主轴箱进行拓扑优化设计，是为了找到主轴箱较合理的材料 布局，对主轴箱进行形状优化设计，是为了协调主轴箱各设计尺寸参数，使之在满足主 轴箱性能要求的前提下得到最佳的性能。对主轴箱进行谐响应分析，可以知道高速立式 加工中心在工作时，主轴箱在简谐力的作用下，其变形位移在工作频率范围内的响应情 况，进而得出主轴箱的动刚度谱曲线，根据主轴箱的加工精度核算其动刚度是否满足要 求。对主轴箱进行减振模拟，是为了指导用于主轴箱减振的豆包阻尼结构的设计，豆包 试验台的设计是为了测试不同豆包结构和包料组成的减振情况，为以后豆包阻尼减振的 研究提供专门的试验装置。 本课题的主要研究内容为： 1 ) 根据经验设计出主轴箱的三维模型的四种方案，使用a n s y s 有限元分析软件对四 种方案进行静力学分析，根据静态性能选出较优的方案。 2 ) 对主轴箱进行模态分析，提取主轴箱的低阶固有频率和相应的振型，从振型中观 察其弯曲刚度和扭转刚度的分布情况，据其评价主轴箱的抗振性能，找出主轴箱刚度薄 弱处。 3 ) 运用拓扑优化理论，对主轴箱进行拓扑优化设计，根据拓扑优化结果的伪密度云 图，对主轴箱进行材料布局的改进，进而提高主轴箱的静态、动态性能。 4 ) 根据形状优化理论，对主轴箱进行灵敏度分析，找出对主轴箱性能影响较大的设 6 高速立式加工中心主轴箱抗振特性及优化研究 计尺寸作为优化尺寸，对主轴箱进行形状优化设计，协调主轴箱的各优化尺寸，使之在 满足主轴箱性能要求的前提下得到最佳的组合。 5 ) 对主轴箱进行动刚度分析，提取主轴箱的谐响应数据，绘制频率幅值和动刚度 谱曲线，查看主轴箱的谐响应情况，评价其工作时的性能。 6 ) 运用振动理论，使用豆包阻尼减振技术对主轴箱进行振动控制。由于现行软件无 法模拟豆包阻尼技术，所以把豆包阻尼减振器简化为能够模拟的结构，进行主轴箱阻尼 减振的数值模拟。 7 ) 设计豆包阻尼减振试验台，为以后豆包阻尼减振的研究提供专门的试验装置。 1 5 本章小结 本章首先介绍了论文的背景和意义，高速加工中心国内外研究的状况，然后简单介 绍了有限元理论和a n s y s 有限元分析软件；针对目前在中高档数控机床方面大部分企业 又没有能力去做这方面的研究，而高校和科研院所对机床基础理论研究的投入不够，同 时，企业技术创新能力低、吸收消化能力不足，加之对应用技术的研发投入方面也不够， 提出本课题研究的必要性；最后介绍了本论文的研究内容。 7 高速立式加工中心主轴箱抗振特性及优化研究 2 主轴箱静态特性分析及选型 静力分析是计算结构在施加固定不变的载荷下的效应。它不考虑惯性力和阻尼的影 响，可是它可以计算固定不变的惯性载荷对结构的影响，以及那些可以近似为等价静力 的变化载荷。 静力分析分为线性的和非线性的。 固定不变的载荷和响应是施加的载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分 析用于计算载荷作用于结构上引起的力、位移、应力和应变。静力分析所施加的载荷包 括： 外部施加的作用力； 稳态的惯性力载荷； 位移载荷； 温度载荷。 2 1d v g 8 5 0 高速立式加工中心介绍 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 主轴箱静态特性分析 主轴箱是高速立式加工中心最关键的受力部件，它的强度、刚度情况将直接影响到 加工中心的加工精度和使用寿命。若采用常规算法对结构进行线性力学计算，则很难给 出准确的计算结果，且无法了解主轴箱各部位的受力状态和变形情况。结果是虽然增加 了主轴箱结构的重量，浪费了材料，并且难以提高其强度和刚度。随着计算机硬件与软 件技术的发展和广泛应用，有限元分析等现代分析方法己受到工程技术人员的认同和采 用，并取得了巨大的技术经济效益【2 l 】。 2 2 1 高速立式加工中心主轴箱模型的建立 根据市场上现有的主轴箱特征，并依照经验设计出四种不同布筋形式的主轴箱模型： 1 ) 多孔筋主轴箱( 见图2 2 ) 。箱体壁上分布着较多的大小不等的孔，这样使得主 轴箱的质量相对较小；箱体内部分布十字交叉的筋板。 2 ) 多网筋主轴箱( 见图2 3 ) 。与多孔筋主轴箱相比，箱体壁上孔的数量减少；箱 体内部筋的分布形式和多孔筋主轴箱一样。 3 ) 复合筋主轴箱( 见图2 4 ) 。箱体的安装部和头部的侧壁没有过渡部分，且箱体 9 陕西科技大学硕士学位论文 壁上分布的孔尺寸也较大；箱体内部分布十字交叉的筋板，筋板的密度较多孔筋主轴箱 有所降低。 4 ) 三角筋主轴箱( 见图2 5 ) 。箱体的安装部和头部过渡部分用三角筋加固，箱体 壁上孔的分布与复合筋主轴箱相似；箱体内部筋的分布形式和复合筋主轴箱相同。 图2 1d v g s 5 0r 高速立式加工中心 f i g u r e 2 - 1d 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 g c e n t e r 图2 - 2 多孔筋主轴箱 f i g u r e 2 - 2t h em u l t i - h o l e sr e i n f o r c e m e n th e a d s t o c k 1 0 高速立式加工中心主轴箱抗振特性及优化研究 图2 - 3 多网筋主轴箱 f i g u r e 2 - 3t h em u l t i - n e t w o r kr e i n f o r c e m e n th e a d s t o c k 图2 4 复合筋主轴箱 f i g u r e 2 - 4t h ec o m p o u n dr e i n f o r c e m e n th e a d s t o c k 图2 - 5 三角筋主轴箱 f i g u r e 2 5t h et r i a n g u l a rr e i n f o r c e m e n th e a d s t o c k 陕西科技大学硕士学位论文 2 2 2 主轴箱有限元分析 此高速立式加工中心主轴箱通过滚珠丝杠实现上下移动，所以在进行有限元分析时 把丝杠和丝杠螺母装配到主轴箱上，这样分析的结果更加客观地反映工作时此结构对加 工精度的影响。 主轴箱各主要参数：材料h t 3 0 0 ，弹性模量1 4 x 1 0 1 1 p a ，泊松比0 2 4 ，密度7 3 4 0 k g m 3 ： 滚珠丝杠和丝杠螺母各主要参数：材料g c r l 5 ，弹性模量2 6 x 1 0 1 1p a ，泊松比0 3 ，密度 7 8 0 0 k g m 3 。在进行有限元分析时，对主轴箱加载力的大小不影响主轴箱的计算刚度，所 以取高速立式加工中心工作时受三个方向力的大小分别为：肛乃户1 0 0 n 、尼午2 0 0 n 。四 种类型的物理模型是在s o l i d w o r k s 中建立的，在导入a n s y s 之前，综合考虑计算精度的 影响及有限元模型的计算规模，根据圣维南原理，对部分局部特征如倒角、小孔等进行 适当的简化1 挖- 2 5 1 。 1 ) 多孔筋主轴箱有限元分析【雏：9 】 主轴箱、丝杠和丝杠螺母在a n s y s 中粘结成一个整体，考虑到主轴箱特征的复杂性， 经反复试验，本文选取6 级精度、s o l i d 4 5 单元对主轴箱、滚珠丝杠和丝杠螺母进行自由 网格划分。对主轴箱进行静态分析时，关键是约束和力加载的位置及方向的选择是否符 合实际情况，这关系到有限元计算的精度，甚至影响到分析结果正确性。通过对此高速 立式加工中心工作时的特点进行深入分析，约束主轴箱后壁上四个安装滑块面的鼽y 向的位移，约束丝杠上下表面的x 、y 、z 向的位移( 见图2 6 ) 。 图2 - 6 主轴箱约束与加载 f i g u r e 2 - 6t h ec o n s g a i n t sa n dl o a d i n go fh e a d s t o c k 1 2 高速立式加工中心主轴箱抗振特性及优化研究 加工中心工作时，刀具的受力间接地传递给主轴箱，为了更好的模拟主轴箱的受力， 本文采取在刀尖的空间位置上建立一质量点( 单元类型为m a s s 2 1 ) 来模拟刀尖，把此质 量点刚化到主轴箱安装电主轴的下表面上( 图2 7 ) ，在此质量点上分别加载x 、y 、z 三 个方向的力。 图2 7 质量点刚化模型 f i g u r e 2 - 7t h em o d e lo fr i g i dq u a l i t yp o i n t 对多孔筋主轴箱进行有限元分析，其网格划分后的模型如图2 - 8 所示，殿、毋、尼 方向的力对应的受力方向上的位移云图见图2 - 9 、图2 1 0 、图2 1 1 ，刀尖位移值见表2 1 。 图2 8 多孔筋主轴箱网格图 f i g u r e 2 8t h e 鲥dg r a p h i c so fm u l t i h o l e sr e i n f o r c e m e n th e a d s t o c k 陕西科技大学硕士学位论文 - _ _ _ _ - _ - i - - _ i _ _ l _ - l _ _ - l _ _ - _ _ _ _ i - _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ - - - 一 图2 - 9 f x = i o o n 时x 向的位移云图 f i g u r e 2 - 9t h ed i s p l a c e m e n tg r a p h i c so n xd i r e c t i o nf x 2 10 0 n 图2 1 0f y = 1 0 0 n 时y 向的位移云图 f i g u r e 2 1 0t h ed i s p l a c e m e n tg r a p h i c so ny d i r e c t i o n 毋= 1 0 0 n 1 4 高速立式加工中心主轴箱抗振特性及优化研究 - - - _ i - - _ i _ - _ - - _ _ _ - - _ - _ _ - l - _ _ _ _ _ j 目l _ _ l - _ 目；j - _ _ _ _ _ 一 图2 - 1 1f z = 2 0 0 n 时z 向的位移云图 f i g u r e 2 - 11t h ed i s p l a c e m e n tg r a p h i c so nzd i r e c t i o nf z = 10 0 n 表2 1 多孔筋主轴箱分别受力殿，毋、尼时对应的刀尖三个方向上位移值 t a b l e 2 -