（机械制造及其自动化专业论文）筒体开孔机结构分析与优化设计.pdf

硕士学位论文 摘要 随着化工业的进一步发展，特别是大型炼化厂对压力容器上所加工的法兰 焊接坡口要求越来越高，如果采用传统的数控镗床进行加工，平坡口时完全可 以满足要求，但是加工结构应力较好的马鞍形坡口时，普通的数控机床要想加 工就要在主轴上安装附具( 平旋盘) 来完成，不光结构复杂而且加工质量难以 保证，本课题所研究的简体开孔机( s d a 川1 型镗孔机) 是专门用于加工压力 容器上法兰焊接坡口的专机，其具有加工可靠、价格相对数控镗床便宜等特点， 由于是第一代机床，难免存在一些问题，因此本课题对简体开孔机结构分析与 优化设计对其进一步的推广具有重要的意义。 本课题对简体开孔机主要结构进行了分析并提出相应的优化方案，通过分 析主运动传动原理，设计出用于支撑电机的支撑架，避免因电机过重导致滑枕 尾部上翘，影响简体开孔机的轴向进给，又结合实际加工出现的问题，提出了 新的径向进给机构，将步进电机从主轴尾部前置在新滑座内，省去了较难加工 的径向传动轴，同时解决了简体开孔机径向润滑不利及安装调试困难等问题， 然后通过分析轴向进给系统，将滑枕作为主轴组件重量减轻的目标，最后对简 体开孔机电气系统进行分析，重点介绍机床所采用的复合插补系统，本文还以 轴向进给系统分析结果为基础，利用a n s y s 软件对主轴与滑枕进行静、动态性 能分析，同时参照现有机床的滑枕结构，对滑枕进行优化设计。 本课题针对性的解决了第一代机床所存在的一些不足，使简体开孔机( s d a - - - 0 1 型镗孔机) 运行更加稳定、可靠，同时为第二代机床的研发打下良好的基 础，相信优化后的简体开孔机将具有更为广阔的市场。 关键词：简体开孔机；结构分析；有限元方法；a n s y s ；p r o e 简体开孔机结构分析与优化设计 a b s t r a c t 晰t 1 1t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fc h e m i c a li n d u s t r y , t h ed e m a n di sm o r es t r i n g e n t f o rt h el a r g e - s c a l ef a c t o r yo fr e f i n i n ga n dc h e m i c a l st op r o c e s sf l a n g ew e l d i n ge d g e o nt h ep r e s s u r ev e s s e l i fw eu s e dt h et r a d i t i o n a lc n cb o r i n gm a c h i n e st op r o c e s s i t , t h e c a s eo ff l a t w e l d i n ge d g ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n t , b u tw h e np r o c e s s s a d d l e s h a p e d 、杭血g o o ds t r u c t u r es t r e s s ，o r d i r 埝d rc n cb o r i n gn 擒c h m e sn e e dt o s o l v ei tu s i n gt h em e t h o dt h a tw ei n s t a l la p p e n d i x ( f l a tr o t a t i n gd i s k ) o nt h em a i n s h a f 匕i tn o to n l yh a sc o m p l i c a t e ds 仃u c t u r e ，b u ta l s oi sh a r dt oa s s u r et h ep r o c e s s q u a l i t y 1 1 1 ec y l i n d e rb o r i n g m a c h i n ew es t u d i e d ( s d a - o1 b o r i n gm a c h i n e ) i sa s p e c i a l i z e dm a c h i n et op r o c e s st h ef l a n g ew e l d i n ge d g eo nt h ep r e s s u r ev e s s e l ，w i t h t h ef e a t u r eo fr e l i a b l ep r o c e s sa n dc h e a p e rt h a no t h e r s b e c a u s eo ft h ef i r s to n e ，t h e r e a r es o m ei n e v i t a b l ep r o b l e m s ，s ow eh a v et h es t r u c t u r a la n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nf o r t h ec y l i n d e rb o r i n gm a c h i n e ，a n dt h i sm e a s u r e sh a v ei m p o r t a n ti m p l i c a t i o nf o rt h e f u r t h e rb r a n d i n g t 1 1 i st o p i ca n a l y s e st h em a i ns t r u c t u r a lo fc y l i n d e rb o r i n gm a c h i n ea n dp r o p o s e s t h er e l a t e do p t i m i z a t i o np r o g r a m m e w ed i s i g nb r a c et os u p p o r te l e c t r i cm a c h i n e r yb y a n a l y z i n gt h et r a n s m i tp r i n c i p l eo fp r i m a r ym o t i o n , a v o i d i n go ft h ec a s et h a tt h e o v e r w e i g h te l e c t r i cm a c h i n e r ym a d en u nu p t u r n e da n de 虢c t e dt h ea x i a l f e e d s h a p p e n s l i n e dt h ep r o b l e m si nt h ea c t u a lp r o c e s s ，g a v et h en e wm e c h a n i s mf o rr a d i a l f e e d s s t e p p e rm o t o rh a sb e e ni n s t a l l e dt h en e ws l i d ef r o mt h em a i na x i sr e a r , c u t e d t h e r a d i a lf e e d su a n s m i ta x i s 晰t hp r o c e s s i n gd i f f i c u l t i e s ，a n ds o l v e ds o m ep r o b l e m s s u c ha sl u b r i c a t i n gi si n c o n v e n i e n ta n dh a r dt oi n s t a l lo rd e b u g e b ya n a l y z i n gt h e a x i a lf e e d s ，m a k i n gt h er a ma st h eo b j e c t i v et ol i g h t e nw e i g h t a tl a s t , w ea n a l y s et h e e l e c t r i c a ls y s t e mf o rt h em a c h i n e ，i n l r o d u c et h ei n t e r p o l a t i o ns y s t e mu s e db yt h e m a c h i n e n 圮p a p e rb a s e do nt h ea n a l y s er e s u l tf o rt h ea x i a lf e e d s ，u s 哈t h ea n s y st 0 a n a l y s e ss t a t i cp r o p e r t ya n dd y n a m i cp r o p e r t yo ft h em a i na x i sa n dr a m ，a n dm a k et h e o p t i m i z a t i o nf o rr a mc o n s u l t i n go t h e r r a n l s ss t r u c t u r e s 删st o p i cs o l v e ds o m es h o r t a g ei nt h ef i r s tg e n e r a t i o nm a c h i n e ，m a d et h e c y l i n d e rb o r i n gm a c h i n e ( s d a - o lb o r i n gm a c h i n e ) m o r es t a b l ea n dr e l i a b l e ，a n dm a k e ag o o db a s e ，w eh a v et h er e a s o nt ob e l i e v et l l a tt h em a c h i n ea f t e ro p t i m i z a t i o nw i l l h a v eaw i d e rm a r k e t n 硕士学位论文 k e y w o r d s ：c y l i n d e rb o r i n gm a c h i n e ；s t r u c t u r a la n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； a n s y s ：p r o e i i i 简体开孔机结构分析与优化设计 插图索引 图1 1 简体开孔机实物图2 图2 1 简体开孔机3 d 模型9 图2 2 筒体开孔机二维视图1 0 图2 3 简体开孔机加工布局图1 0 图2 4 筒体开孔机控制系统。1 2 图2 5 简体开孔机控制面板。1 3 图2 6 主屏1 4 图2 7 单步屏1 4 图2 8 i o 检查屏1 4 图2 9 手动调整屏1 4 图2 1 0 筒体参数屏1 4 图2 1 1 编写轨迹屏1 4 图2 1 2 快速运动屏。1 5 图2 1 3 系统故障显示屏1 5 图2 1 4 机床参数屏1 5 图2 1 5 特定轨迹屏1 5 图2 1 6 特定轨迹1 6 图2 17 单步轨迹1 7 图3 1 筒体开孔机主运动结构图1 8 图3 2 简体开孔机新主运动结构图1 9 图3 3 筒体开孔机电机支撑架结构图1 9 图3 4 简体开孔机径向进给运动结构图2 0 图3 5 简体开孔机轴向进给运动结构图2 l 图3 6 简体开孔机径向调节结构图2 l 图3 7 简体开孔机轴向调节结构图。2 2 图3 8 简体开孔机主轴仰角结构图2 2 图3 9 简体开孔机主轴二维视图。2 3 图3 1 0 简体开孔机滑枕二维视图。2 4 图3 1 1 简体开孔机主电路图2 4 图3 1 2 简体开孔机控制系统图。2 5 i v 硕士学位论文 图4 1 方案一设计图2 7 图4 2 方案二设计图2 8 图4 3 新径向进给系统结构图。3 4 图5 1s o l i d 4 5 单元3 8 图5 2 网格划分后的平面单元。4 0 图5 3 主轴网格划分4 0 图5 4 简体开孔机主轴约束面4 0 图5 5 网格划分和加约束简体开孔机主轴4 0 图5 6 主轴弯曲变形示意图4 l 图5 7 第一节振型( z 轴一弯) 4 3 图5 8 第二阶振型( y 轴一弯) 4 3 图5 9 第三阶振型( z 轴二弯) 4 3 图5 1 0 第四阶振型( y 轴二弯) 4 3 图5 1 1 简体开孔机主轴x 向幅频曲线4 5 图5 1 2 简体开孔机主轴z 向幅频曲线4 5 图5 1 3 简体开孔机主轴y 向幅频曲线。4 5 图5 1 4 简体开孔机滑枕三维模型4 6 图5 15 简体开孔机滑枕模型4 6 图5 1 6 简体开孔机滑枕x 向受力变形图4 7 图5 1 7 简体开孔机滑枕y 向受力变形图4 7 图5 1 8 简体开孔机滑枕z 向受力变形图4 8 图5 19 简体开孔机滑枕第一阶振型4 9 图5 2 0 简体开孔机滑枕第二阶振型。4 9 图5 2 1 简体开孔机滑枕第三阶振型4 9 图5 2 2 筒体开孔机滑枕第四阶振型4 9 图5 2 3 简体开孔机滑枕结构优化前后对比图5 0 图5 2 4 简体开孔机滑枕x 向受力变形图5 0 图5 2 5 简体开孔机滑枕y 向受力变形图5 0 图5 2 6 简体开孔机滑枕z 向受力变形图。5 l 图5 2 7 简体开孔机滑枕第一阶振型5 2 图5 2 8 简体开孔机滑枕第二阶振型5 2 图5 2 9 简体开孔机滑枕第三阶振型5 2 图5 3 0 简体开孔机滑枕第四阶振型5 2 v 筒体开孔机结构分析与优化设计 图6 1 新简体开孔机3 d 模型图5 4 图6 2 新简体开孔机二维图5 5 v i 硕士学位论文 附表索引 表2 1 y 2 0 0 l - 4 三相异步电动机参数18 表4 1 1 1 0 b y g 3 5 0 d h s a k s m a 0 5 0 1 型电机参数3 2 表5 1 简体开孔机主轴模态分析结果4 2 表5 2 简体开孔机滑枕模态分析结果4 8 表5 3 简体开孔机新旧滑枕静力分析比较5 1 表5 4 筒体开孔机新旧滑枕模态分析比较5 2 i 硕士学位论文 1 1 课题研究目的及意义 第1 章绪论 容器由所承受的压力大小可分为常压容器和压力容器两种。压力容器与常压容器区 别在于结构上有较大的差别，而且设计原理方面也有很大的不同，压力容器是一种介质 异常复杂而且在一定温度和压力下工作的特殊设备。在轻工、石油化工、军事、医药及 科研等各个领域得到了广泛应用。随着工业技术的不断发展，其操作条件更向低温或高 温、高压等方面发展，再加上介质的复杂多变，压力容器具有剧毒、易燃、易爆等特点， 其危险性也有所提高【l 】。因此，在压力容器设计、炼化规模等方面也都带来了新的挑战。 由于，国家高度重视化工行业的重要性，投入大量资金用于改建及扩建炼化规模，同时 加快了炼化设备的更新换代，对炼化设备的加工质量与加工效率提出来了新的要求，另 一方面，由于炼化生产规模的扩大，使原来的炼化设备装置重量与体积都有了更大的提 高，例如炼化行业关键设备之一的加氢反应器来说，因为石化行业大力发展石油加氢工 艺，使加氢设备的需求量不断增大，并且逐渐趋于大型化，加氢反应器的重量由几百吨 增加到了上千吨。那么随着加氢反应器趋于大型化，加氢反应器的设计、制造、材料、 安装、检验、运输都将会遇到新的问题。而作为加氢装置关键设备的热壁加氢反应器， 其设计、焊接结构、原材料质量、焊接过程控制、焊接工艺、热处理工艺这些影响其制 造质量的因素也都要更加的重视起来【2 】。通过加氢反应器的情况可以看出，反应器的壁 厚、容积等参数都增加了很多，这对大型压力容器制造厂商的加工设备都带来了诸多考 验，例如，车间大小是否还能满足要求、起吊设备是否需要更换以及反应器成型等各工 艺环节所涉及到的制造装备，兰州石油机械设备有限责任公司由于近些年承接的压力容 器不断大型化，使得壁厚不断增加，在制造过程中也遇到由于壁厚带来的简体法兰焊接 孔的加工问题p j 。 对于压力容器壁较厚的简体，采用普通数控镗床对平坡口进行加工。而对于马鞍型 坡口，其在法兰孔的径向母线是由斜线及圆弧所构成，但周向母线是起伏的马鞍曲线。 它的特点是利于焊接而且结构应力较好，并可采用射线及超声对其进行检测，焊接出的 接头质量十分可靠。但是马鞍型坡口是三维的空间曲线，加工难度较大，如果仍然使用 普通的数控镗床加上复杂的工装工艺只能近似的加工出马鞍型坡口，费工又费材料，而 且坡口质量并不理想，若是使用功能更多、价格更贵的多坐标数控镗床来对马鞍型坡口 加工，虽然可以完成，但是从经济方面考虑，是很浪费的。除多坐标数控镗铣床之外， 其它加工方法很难实现并加工出来符合焊接工艺的坡口轨迹，在没有本简体开孔机 ( s d a 川1 型镗孔机) 前，兰石机械设备有限责任公司采用数控镗床来加工简体焊接法 筒体开孔机结构分析与优化设计 兰孔坡口，这种设备刀具的径向进给通过在主轴安装附具( 平旋盘) 来完成，机床结构 复杂、局限性大，加工的焊接坡口在圆周上一致性差、焊接时均匀性无法保证。而且坡 口加工是大余量粗加工的要求，长期使用会使机床精度保持性差，影响其对精密零件的 加工。在此基础上有了本课题所研究的机床筒体开孔机( s d a 田1 型镗孔机) 。筒 体开孔机实物如图1 1 所示： 图1 1 面体开孔机买物图 但是因为是第一代简体开孔机专门用于加工压力容器上焊接法兰孔马鞍型坡 口和平坡口的机床，在初始结构设计时，主要目的是力求达到兰石机械设备有限责任公 司给出的功能要求，即能够正常的加工平坡口与马鞍型坡口，并没对主要零件进行刚度 和强度的分析校核，以及主要传动系统的深入研究，在实际的调试与使用中，也发现存 在一些问题( 如径向安装调试困难和润滑不利、主轴组件过重等) 。但是该简体开孔机 也具有很多优点： 1 ) 节省成本：现在大多加工简体的厂家都采用大型落地镗床进行镗孔，成本很高， 本课题研究的简体开孔机的价格要比大型落地镗床便宜一半以上。 2 ) 此台机床在设计上具有一定的创新性：可以根据简体的尺寸来调节机床的主轴 摆头旋转角度、床身轴向与径向移动等。 3 ) 广阔的市场前景：现在加工筒体的厂家很多，但是没有一台专门针对厚壁简体 进行平坡口与马鞍形坡口加工的专机，因此该机床有很好的市场前景。 基于以上简体开孔机( s d a 珈l 型镗孔机) 的不足与优势，所以对其进行结构分析 及优化设计，为该专机的设计趋于合理、产品的更新换代进行技术储备，对其进一步的 2 硕士学位论文 推广使用也具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 专用机床国内外生产现状 随着科技的发展，在现代化生产中，存在着一定比例的稳定结构的产品。在大批量 生产条件下可制造许多年。在这种情况下，专用机床得到进一步的发展，许多公司已有 广泛生产，如h o n s b e r g 公司( 德国) 、i m o b e r d o r f 和t e c h n i c a 公司( 瑞士) 、b t b t r a n s f e r 公司( 意大利) ，u n i o r 公司( 斯洛文尼亚共和国) 等【4 1 。专用数控机床也属于数控机床的 一部分，目前在数控机床的科研、设计、制造和使用上，美、德、日三国是技术最先进、 经验最多的国家。但因其社会条件不同，各有特点。美国的数控机床市场的特点是，政 府重视机床工业，美国国防部等部门不断对机床的发展方向提出要求，以及诱人的报酬 网络人才。对创新与效率特别重视，所以美国的数控机床业一直在不断革新。由于美国 首先通过与汽车、轴承生产需求相结合，充分发展了大批量生产自动化所需的自动线， 而且其计算机、电子技术在世界上领先，再加上其数控机床的主机设计、制造及数控系 统基础扎实，故其高性能数控机床技术在世界上也一直处于领先低位。当今美国不仅为 宇航等行业生产高性能数控机床，中小企业也会被提供廉价实用的数控机床( 如h a a s 、 f a j a l 公司等) ；德国政府与美国政府一样，也将机床工业放在十分重要的战略地位。将 实效与实际作为制造数控机床的理念。德国与美国不同点在于其特别重视实验、理论及 实际三者的结合，同时对加工工艺、数控机床的共性及机床布局等问题做了深入的研究。 因此德国的数控机床性能及质量良好，尤其是重型、大型、精密数控机床。德国将数控 机床主机及配套件的先进实用看的很重，并且其机、电、液、光、气、测量、刀具、数 控系统及各种功能部件，在质量性能上处于世界前列。如h e i d e n h a i n 公司的精密光栅和 西门子公司的数控系统均为世界闻名；机床工业在日本政府眼中被看的十分重要，通过 规划、法规( 如“机电法 、“机振法 、“机信法 等) 引导发展。并为数控机床业的 发展提供充足的研发经费。日本从美国与德国身上分别取其精华，即注重数控机床的研 发、人才、机床部件的配套等。并在其机床上改进及优化。至今产量、出口量一直居世 界前列。同时对电子及计算机加速发展，为机电一体化的数控机床铺平了道路，在数控 系统方面，日本f a n u c 公司开发了市场所需各种低、中、高档数控系统，不仅在技术 上领先，在产量上也遥遥领先【5 】。在压力容器上开孔的数控机床，国外加工已普遍使用 多轴数控钻床，已有8 轴、1 4 轴高效的数控平面钻床。其加工精度和钻孔效率都很高。 基本上不再使用摇臂钻床。 我国在专机的研究与制造方面也取得了一定的成就，2 0 0 6 年，武汉重型机床集团有 限公司举行了u g l 1 5 c n c 数控不落轮车床出口欧洲剪彩仪式。实现了中国首台轨道加 简体开孔机结构分析与优化设计 工专用机床出口欧洲。但是专机与国外相比在很多方面还是有很大的差距，比如用户订 购专用机床时都希望是交钥匙工程，即机床、加工工艺，夹具、工具( 包含辅助) 的选择 与开发设计，检验测量( 如成品及加工中的检验测量、进入机床前的毛坯检验) 物流的输 送，冷却液和切屑的防护与处理等于一体。这种方式不仅仅要解决其中的某一问题，而 是要解决好涉及较宽的技术领域可能遇到的每一个问题。现在国内企业能做到客户购买 厂家的加工机，厂家给客户配上刀具、卡具、三坐标测量仪等，就已经相当不错了。而 国外能做到了提供解决方案，针对零件，提出解决方案，设备配置等服纠6 1 。但在另一 方面，我国专机还是呈现出种类越来越多的趋势，在开孔专机方面，沈阳市亚达机械厂 吸取国外专业公司的先进技术再结合自身的研究，现在已研制开发成功y d k q d n 1 0 0 0 大型液压带压开孔机( 开孔直径1 米) 。该设备十分适合我国管道特点，特别是不停 输带压情况下的西气东输工程等大型管道，可以说是管道上开孔的必备设备。该设备还 可用于天然气、供水工程、化学工业及石油等大口径长输管道上的工艺改造和抢修，同 时也可以连接新支线从而避免因停输而造成的浪费和损失，是带压封堵器的主要设备 之一；新乡市锅炉压力容器检验所的孟庆乐根据需开孔的曲线轨迹放样原理，自主设计 了一种用于压力容器气割开孔的多用途的机械，这种气割开孔机可提高开孔的质量，使 用也很方便，即避免原材料的浪费，也减轻了劳动强度【7 】：中国石油大学的赵兵杰，赵 宏林等人为了实现海底油气管道全自动、快速的开孔维修，同时避免管道泄漏造成的损 失，研发了全自动海底油气管道开孔机，不仅能应用于陆地管道带压开孔，也能应用于 水下管道带压开孔【8 】；山东工业大学的张忠厚设计了一种大直径的筒体正交马鞍形曲线 自动切割机，该机床已经在锅炉简体的自动切割生产中得到了成功应用，而且取得了很 好的效果，是一种低成本且通用的马鞍型曲线自动切割设备例。 1 2 2 有限元方法发展概况 许多力学问题或场问题在实际工程中，人们已经得到了它们应当遵循的基本方程 ( 常微分方程或偏微分方程) 和相应的定解条件。由弹性力学告诉我们，一般的固体力学 问题需要满足物理关系、几何关系和运动方程( 或平衡方程) 。几何边界相当规则、方 程性质比较简单的少数问题能用解析的方法求出精确解。对于大多数的实际工程问题很 难得到解析解，因为其问题的某些方面表现为非线性或是其几何边界比较复杂。针对这 类问题，研究和工程人员经常采用两种方法来解决。一种方法就是将简化假定引入，使 复杂的问题简化为可以通过使用解析方法求解的简单问题。但是过多的简化可能导致不 精确甚至错误的结果出现。另一种方法就是使用数值方法借助计算机来求解。目前，使 用数值方法解决工程问题己成为最重要方法之一。 在所有数值解法中，人们较早普遍采用的数值方法是有限差分法。一些复杂问题的 解通过借助有限差分技术，人们就能够比较容易将其得到。目前，广大工程和科研人员 4 硕士学位论文 仍然采用这一方法。但是，当遇到复杂的边界条件和几何形状时，有限差分法解的精度 受到限制，有可能发生求解困难。 有限单元法此时随着电子计算机的飞速发展和广泛应用而出现。在1 9 6 0 年，c l o u g h 最早在一篇关于平面弹性问题的论文中提出了“有限单元法”( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， 缩写为f e m ) 这一术语。此后，这一离散方法开始被大量专家、学者用来处理流体分析、 结构分析、电磁学、热传导等复杂问题。从1 9 6 3 年到1 9 6 4 年，b h p i a n 、b e s s e l i n g 等人的研究工作表明，实际上有限元方法是弹性力学变分原理中瑞雷一里兹法的一种形 式，从而在理论上为有限元方法奠定了数学基础。但有限元方法与变分原理相比，更为 灵活，计算精度更高，适应性更强。变分原理的研究和发展也被这一成果所大大促进， 一系列基于变分原理的新型有限元模型也因此先后出现，如非协调元、混合元、广义协 调元等。1 9 6 7 年，c h e u n g 和z i e n k i e w i c z 出版了第一本关于有限元分析的专著。 初期有限单元法是建立在最小势能原理或虚功原理基础上的。在1 9 6 0 1 9 7 0 年这十 年中，发展了以各种不同变分原理为基础的有限单元法，而且在许多方面对有限单元法 进行了研究： ( 1 ) 发展了弯曲元、曲元和等参元； ( 2 ) 建立在函数分析概念上的数学基础； ( 3 ) 作为偏微分方程的数值解法，在动力学问题、结构的非线性问题、流体力学问 题、固体力学问题、热力学问题以及其他方法难以处理的工程问题中得到了广泛应用： ( 4 ) 有限单元法与加权残数法的关系。 在国内2 0 世纪6 0 年代，中科院计算所的冯康教授独立推导了有限元计算的数学过 程，7 0 年代中期，复旦大学数学系与江南造船厂合作，将有限元法应用于船舶设计计算， 使有限元法在中国工程界开始大规模应用。 自1 9 6 7 年以来，有限元法进一步得到蓬勃发展，展现出数值方法前所未有的生命 力，许多有限单元法的专著与杂志相继出版，同时关于有限元应用和理论的论文也层出 不穷。其应用范围已经扩展到所有的工程领域，成为连续介质问题数值解法中最活跃的 分支。由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，由线性问题扩展到非 线性问题，由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由变分法有限元扩展到加 权残数法与能量平衡法有限元，分析的对象也从弹性材料扩展到粘弹性、塑性、复合材 料和粘塑性等，由固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域，由结构分析扩展 到结构优化乃至于设计自动化。 如今有限单元法在机械制造、船舶建造、航空航天、汽车、核能电站、电子电器、 材料加工等工程，在热传导、潮汐运动、化学反应中物质的传递和扩散以及流体和结构 的相互作用等领域都已得到广泛的应用。随之而来，有限单元法的专用和通用软件也大 规模出现，目前流行的有限元分析软件主要有a n s y s 、n a s t r a n 、m a r c 、a s k a 、 5 筒体开孔机结构分析与优化设计 t i t u s 、a d i n a 、c o s m o s 等。 因此可以说有限单元法已经相当成熟，要想再有实质性的突破似乎不大可能了。但 是还有许多工作要做，比如在进一步扩大应用范围、完善并提高有限单元法的使用技巧 等方面。具体为各种非线性问题、流体问题、断裂、损伤等材料破坏问题、网格剖分的 自动化问题、有限单元和优化相结合的计算机辅助设计问题以及大规模复杂结构的求解 效率、误差界限和收敛速度的估计问题掣1 0 】- 【1 1 】。 对于专用机床的结构分析与优化设计，国外最早使用有限元方法进行结构分析和优 化设计。s t a y l a r 等人在有限元技术的基础上利用计算机编程对机床的主轴刚度进行 了优化设计【1 2 1 。美国的dms h a m i n e 等人提出一种在模态参数基础上确定机械系统动力 学特性的方法，即引用结构的刚度矩阵、质量以及阻尼，并运用有限元法以及结合实际 系统的标准特征值和特征向量进行计算【l3 1 。t j i a n g 和m c h i r e d a s t 通过应用动态分析 和有限元法，提出用一种数学模型来模拟机床结构的实际结合形式，从而建立整机的模 型并将机床结合面间联接件的数量和位置作为优化设计的目标【1 4 1 。对于数控机床的结构 分析与优化设计，国内也大多采用有限元方法，2 0 0 6 年，四川大学的田华应用a n s y s 软件，采用有限元分析法对高速电主轴的静态与动态特性进行了研究分析。具体包括：1 通过研究与解决结构设计中一些关键性的技术难题( 如动平衡设计、几何精度设计、轴 承选型、主轴单元结构参数静态估算等) ，完成了电主轴结构的设计。2 对高速电主轴 以下参数进行了静态估算，如其单元工艺参数下主轴所受到的切削力、主轴单元主要结 构参数、主轴轴承静刚度和高速电主轴单元临界转速等参数。3 通过对高速电主轴进 行三维动态和二维静态有限元建模，在a n s y s 软件中得出了电主轴的静刚度：同时获得 了电主轴的谐响应及模态特性；作者还研究了电主轴的振型、固有频率和临界转速；并 在高转速前提下，分析计算出了主轴在前端、后端、主轴转子中部位置以及轴承所在的 四个位置所发生的最大动态位移，最后验证了主轴结构设计的合理性；2 0 0 9 年，上海 理工大学的范曾，汪中厚等人针对大型船用曲轴特点，如体积及重量庞大，磨削精度要 求也很高，而曲轴磨床刚度对磨削精度影响很大，因此将仿真解析和改善磨床的刚度 作为首要目的。作者利用p r o e 的子模块咄m e c h a ni c a 有限元分析软件，建 立起大型曲轴磨床整体的模型，同时对磨床进行了静态刚度计算并优化设计，最终得到 了既能够降低生产成本，减轻磨床质量，又能提高加工精度和磨床刚度的优化结果。从而 为提高大型曲轴磨床的加工精度，获得更佳设计方案提出了思路【l6 1 。同年，东南大学的 王宏莲采用试验分析方法和有限元分析方法，对g s v m 5 0 3 0 l 3 铣削加工中心的主轴部 件进行了动态特性分析，具体包括为：1 对主轴部件进行了合理的简化，2 基于有限元 方法的基础上，在a n s y s 软件中对主轴系统动态特性进行分析，计算出主轴系统的前 1 2 阶模态振型和固有频率。3 分析了主轴径向刚度受到轴承跨距影响，利用卡丹公式法 和传统计算方法计算出了机床主轴的最优跨距，再次使用a n s y s 软件进行不同跨距下 6 硕士学位论文 主轴有限元的模态分析，从而总结出主轴动态特性受到跨距改变量影响的规律。4 对 机床物理样机进行了工作模态的试验。将有限元分析结果和试验结果进行对比分析1 7 1 。 1 3 本课题研究内容 本课题以甘肃省兰州市兰石机械设备有限责任公司和兰州理工大学联合研制的简 体开孔机( s d a 珈1 型镗孔机) 为研究对象。通过参阅国内外关于数控机床结构分析和 优化设计的资料，同时针对简体开孔机现有的优缺点，为开发出结构尺寸更紧凑、更合 理的新一代机床而做的主要研究内容如下： l 、分析简体开孔机主要传动方式 通过分析简体开孔机主传动系统、径向传动系统、轴向传动系统与三个调节机构， 总结其传动结构的优缺点，并且提出可行性优化方案。 2 、分析简体开孔机的控制方式与现有数控机床的异同 3 、对简体开孔机的电气系统进行分析 对机床的复合插补系统进行分析。 4 、径向进给传动系统二次设计 结合之前的分析结果与筒体开孔机实际存在的问题，对径向进给系统进行二次设 计，主要零部件重新选型。 5 、对筒体开孔机主轴进行建模及静、动态性能分析 在a n s y s 软件中对主轴进行由下到上的建模，对主轴进行静态性能分析、模态分 析与谐响应分析。 6 、对简体开孔机滑枕静、动态性能分析及优化设计 在p r o e5 0 中对滑枕进行实体建模，并对滑枕进行静态性能分析、模态分析，并根 据分析结果与滑枕实际工作条件，对滑枕进行优化设计。 7 筒体开孔机结构分析与优化设计 第2 章简体开孑l 机的结构与性能 2 1 简体开孔机结构 2 1 1p r o e n g i n e e r 简介 p r o e n g i n e e r 由美国p t c 公司1 9 8 8 年推出，已经成为当今世界上拥有用户最大 的三维c a d 软件之一，其软件产品的总体设计思想体现了m d a ( m e c h a n i c a ld e s i g n a u t o m a t i o n ) 软件的新发展，它集零件设计、模具开发、产品装配、n c 编程、铸造件设 计、造型设计、逆向工程、钣金件设计、机构模拟、有限元分析、产品数据管理等功能 于一体，广泛地应用于机械、电子、模具、汽车、航空航天、工业设计、家电等行业。 p r o e n g i n e e rw i l d f h5 0 特点包括如下： 1 ) 参数化设计，p r o e n g i n e e r 将每一个尺寸都作为可变的参数处理，也就是说 设计者只要修改或定义模型参数，对应的实体模型就会依据变化的尺寸重新生成模型。 基于此特点，p r o e n g i n e e r 在建立模型时无需十分精确，只要在完成前对其进行修改 便可以了。 2 ) 单一数据库，p r o e n g i n e e r 具有单一的数据库，其将二维模型与三维模型都 在一个数据库中进行记录。如果整个设计过程的任何一处发生改动，其相关环节上就可 以得到反应。例如：对装配体中的零件结构与尺寸进行修改，装配体就会一起发生变化： 三维实体模型也会随着设计者对二维图形的修改而自动进行相应的修改；这一特点便可 以保证设计者所建模型所有结构的统一，省去了修改各个模型的时间。 3 ) 特征建模，p r o e n g i n e e r 以特征作为建立实体模型的单元，设计人员通过建 立壳、倒角、圆角、钻孔、挖槽等特征，并给定这些特征合理的参数，同时也可以随时 对特征进行顺序的调整、重新定义、删除等修改工作，来完成3 d 实体建模。 4 ) 3 d 实体模型，在p r o e n g i n e e r 中创建的3 d 零件均为实体模型，因此可以对 所创建的零件与组件进行有限元分析，同时也可以进行n c 加工程序的制作，以及在动 态模拟的情况下检测零件之间的干涉情况。设计者还可以计算零件的一些物理量，例如： 体积、表面积、转动惯量、质量等。 5 ) p r o e n g i n e e r 与c a d 工具、标准数据格式兼容，其生成的模型文件通用性较 高1 2 0 】。 2 1 2 筒体开孔机三维建模 筒体开孔机三维建模主要采用的是p r o e n g i n e e r5 0 建模，机床主要零件包括： 机架、轴向调节丝杆、径向调节丝杆、拉杆、主轴滑座、滑枕、主轴、径向传动轴、刀 8 硕士学位论文 架座、滑座、滑台、夹刀体、一对伞齿轮、轴向进给一对圆柱直齿轮副、主传动一对圆 柱直齿轮副、一个三相异步电机、一个步进电机、一个伺服电机等。机床各零部件模型 根据它们之间的约束关系及位置进行装配，形成了完整的筒体开孔机模型，如图2 1 所 示： 图2 1 衙体开孔机3 d 模型 2 1 3 筒体开孔机结构概述 简体开孔机主要结构如图2 2 所示：机架( 4 ) 下部设有用于前后调整用的丝杆( 2 8 ) 与导轨( 2 9 ) ，以及用于左右调整的丝杆( 1 ) ，机架( 4 ) 上设有主轴部件，同时机架( 4 ) 上设有调节及锁紧机构( 2 7 ) ，调节及锁紧机构( 2 7 ) 上还设有拉杆( 2 6 ) ，拉杆( 2 6 ) 与主轴部件的主轴滑座( 1 5 ) 相连接，由调节及锁紧机构( 2 7 ) 通过拉杆( 2 6 ) 调节滑 座( 1 5 ) 的摆角，主轴部件的滑座( 1 5 ) 内的方形孔中设有滑枕( 1 8 ) ，滑座( 1 5 ) 上 设有位置控制第一电动机( 3 ) ，第一电动机( 3 ) 输出轴端设有第一齿轮( 2 ) ，齿轮( 2 ) 与设置在第一丝杠( 5 ) 端部的齿轮( 6 ) 啮合，齿轮( 6 ) 带动丝杠( 5 ) ，丝杠( 5 ) 上 的螺母( 7 ) 与滑枕( 1 8 ) 固连，电动机( 3 ) 的运转可使滑枕( 1 8 ) 及主轴( 1 7 ) 伸缩， 实现z 轴进给：滑枕( 1 8 ) 的尾部设有支架( 2 1 ) ，支架( 2 1 ) 上设有用于驱动主轴( 1 7 ) 的动力装置，动力装置为支架( 2 1 ) 上的减速器( 2 0 ) 和与减速器( 2 0 ) 的输出端相连 的主电动机( 1 9 ) ，减速器( 2 0 ) 的输出端设有齿轮( 2 2 ) ，齿轮( 2 2 ) 及齿轮( 2 5 ) 带 动主轴( 1 7 ) 及刀架( 1 4 ) 转动。主轴( 1 7 ) 设在滑枕( 1 8 ) 内，主轴( 1 7 ) 的尾部设 有位置控制电动机( 2 3 ) ，电动机( 2 3 ) 上设有引线装置( 2 4 ) ，电动机( 2 3 ) 的输出轴与 设置主轴( 1 7 ) 内的传动轴( 1 6 ) 相连，传动轴( 1 6 ) 的端头与设置在主轴( 1 7 ) 前端的刀架 苫 简体开孔机结构分析与优化设计 ( 1 4 ) 中的伞齿轮( 1 1 ) 固连，刀架( 1 4 ) 上设有刀具的滑台( 9 ) ，滑台( 9 ) 上固连有丝杠( 8 ) ， 伞齿轮( 1 1 ) 与丝杠( 8 ) 上的伞齿轮( 1 0 ) 啮合。伞齿轮( 1 0 ) 的内孔为螺纹结构，伞齿轮( 1 0 ) 通过内孔旋在丝杠( 8 ) 上，伞齿轮( 1 1 ) 转动时推动丝杠( 8 ) 沿主轴( 1 7 ) 径向移动，同时也 使滑台( 9 ) 一起移动，实现x 轴的进给。 图2 2 简体开孔机二维视图 2 1 4 筒体开孔机加工布局图 图2 3 简体开孔机加工布局图 1 0 硕士学位论文 所述的简体开孔机在实施加工时的位置如图2 3 所示，包括：滚轮架a 、被加工的 筒体c 、固定绳索b 、筒体开孔机d 及电气控制柜e 所组成，滚轮架a 用于加工前调