（机械设计及理论专业论文）数控车削中心复杂零件结构设计方法研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代工业和科学技术的发展，机床产品也日益向着高速、高效、高精度和自动 化方向发展，对机床结构件的性能要求也越来越高。而现阶段的机床结构设计多采用传 统的设计方法，缺乏理论依据，难以满足机床产品发展的具体要求，所以采用现代结构 设计方法就显得具有非常重要的意义。 本文主要研究机床复杂零件结构设计方法，将拓扑优化理论与结构设计相结合，形 成一套全新的结构设计方法。以数控车削中心床身及滑板为例对车削中心复杂零件进行 了结构设计，取得了良好的设计效果，为机床复杂零件的结构设计提供了新的方法和设 计依据。本文所做的主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 首先提出一种结构设计的新方法，将拓扑优化理论与结构设计相结合，形成 一套以功能约束、概念模型、结构设计三部分为主体的结构设计方法。并详细分析了结 构设计方法中功能约束的确定、概念模型的形成、结构设计三个主要步骤。 ( 2 ) 对数控车削中心的加工方式、受力特点以及载荷简化规则进行分析，建立床 身和滑板的力学模型，为车削中心复杂零件的结构设计提供基础条件。 ( 3 ) 利用基于拓扑优化的结构设计方法对数控车削中心床身进行结构设计。通过 对床身功能约束的分析建立床身截面的拓扑优化模型；利用o p t i s t r u c t 软件对床身截面 进行拓扑优化，根据优化结果建立床身截面概念模型；在结构设计过程中结合结构优化 设计理论提取床身设计的关键参数，并对其进行优化以得到最终设计方案；将最终设计 方案与原始方案进行比较分析，取得了良好的设计效果，验证了基于拓扑优化的结构设 计方法在机床固定部件设计领域的可应用性。 ( 4 ) 利用基于拓扑优化的结构设计方法对数控车削中心滑板进行结构设计。通过 功能约束的分析、概念模型的建立、以及滑板结构设计，得到了滑板的结构设计创新方 案；将创新方案与原始方案进行比较分析，取得了良好的设计效果，验证了基于拓扑优 化的结构设计方法在机床运动部件设计领域的可应用性。 关键词：结构设计；数控车削中心；拓扑优化；复杂零件 数控车削中心复杂零件结构设计方法研究 r e s e a r c ho ns t r u c t u r a ld e s i g nm e t h o do fc o m p l e xp a r t so fc n ct u r n i n g c e n t e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h em a c h i n et o o l sh a v e a l r e a d yd e v e l o p e di n t oas t a g eo fa u t o m a t i o nw i t hh i g h s p e e d ，g o o d e f f i c i e n c ya n dah i g h p r e c i s i o nt h e r e f o r et h es t r u c t u r a lc o m p o n e n t so fm a c h i n et o o l sa r eo nt h ei n c r e a s i n g l yh i g h p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s c u r r e n t l y ，t h es t r u c t u r a ld e s i g no fm a c h i n et o o l s u s em o r e t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d s ，w h i c ha r el a c ke f f e c t i v ed e s i g no fr a t i o n a lb a s i s ，a n di ti sd i 伍c u l t t om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fm a c h i n et o o lp r o d u c td e v e l o p m e n t ，s o t h em o d e md e s i g n m e t h o d sm a k em o r es e n s e t h i sp a p e rr e s e a r c h e so ns t r u c t u r a ld e s i g nm e t h o do fc o m p l e xp a r t so fc n ct u m i n g c e n t e r t h et o p o l o g yo p t i m i z m i o nt h e o r ya n ds t r u c t u r a ld e s i g na r ec o m b i n e dt of o r ma n e w s t r u c t u r a ld e s i g nm e t h o d i n n o v a t i v es t r u c t u r a ld e s i g no ft h et u m i n gc e n t e rb e da n db e ds l i d e h a db e e nf i n i s h e da n di th a do b t a i n e dag o o de f f e c t t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ef o c u s e di nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) f i r s t l y ，am e t h o do fs t r u c t u r a ld e s i g ni sp r e s e n t e d ，w h i c hc o n s i s t sm a i n l yo ft h r e e p a r t s ：f u n c t i o n a lc o n s t r a i n t s ，c o n c e p t u a lm o d e l ，a n dt h es t r u c t u r a ld e s i g n a n da n a l y z et h e t h r e em a j o rs t e p so ft h ei n n o v a t i v em e t h o do fs t r u c t u r a ld e s i g ni nd e t a i l ( 2 ) t h ep r o c e s s i n gm o d e ，l o a d i n gf e a t u r e sa n dt h er o l e so fl o a ds i m p l i f y i n go fc n c t u m i n gc e n t e ra r ea n a l y z e d t h em e c h a n i c a lm o d e lo fb e da n ds l i d ea r ee s t a b l i s h e d ，w h i c h p r o v i d et h eb a s i cc o n d i t i o n sf o rt h ei n n o v m i o nd e s i g n e do ft u r n i n gc e n t e rc o m p l e xp a r t s ( 3 ) t h em e t h o do fs t r u c t u r a ld e s i g nb a s e do nt o p o l o g yo p t i m i z a t i o ni sa p p l i e dt ot h e d e s i g no ft h et u r n i n gc e n t e rb e d t h et o p o l o g yo p t i m i z a t i o nm o d e lo ft u m i n gc e n t e rb e di s e s t a b l i s h e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ef u n c t i o n a lc 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 ni sc a r r i e d o u tf o rt h es e c t i o no ft u r n i n gc e n t e rb e db a s e do no p t i s t r u c ts o f t w a r e o nt h i sb a s i s ，t h e c o n c e p t u a ld e s i g nm o d e l i sb u i l t e x t r a c ta n do p t i m i z et h ek e yp a r a m e t e r so ft h et u r n i n gc e n t e r b e dt of i n dt h ef i n a ls c h e m eu s i n gt h et h e o r yo fs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n c o m p a r ew i t ht h e o r i g i n a ls c h e m ea n da c h i e v eg o o dr e s u l t s ，w h i c hv e r i f yt h ea p p l i c a t i o no fs t r u c t u r a ld e s i g n m e t h o di nf i x e dc o m p o n e n t so fm a c h i n et 0 0 1 ( 4 ) t h em e t h o do fs t r u c t u r a ld e s i g nb a s e do nt o p o l o g yo p t i m i z a t i o ni sa p p l i e dt ot h e d e s i g no ft h et u r n i n gc e n t e rs l i d e t h r o u g hf u n c t i o n a lc o n s t r a i n ta n a l y s i s ，c o n c e p t u a lm o d e l ， a n dt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h et u r n i n gc e n t e rs l i d e ，t h ei n n o v a t i v es t r u c t u r a ld e s i g no ft h e i i 大连理工大学硕士学位论文 s l i d eh a v ec o m p l e t e d c o m p a r ew i t ht h eo r i g i n a ls c h e m ea n dg e tab e t t e rd e s i g ns c h e m eo ft h e s l i d e ，w h i c hv e r i f yt h ea p p l i c a t i o no fs t r u c t u r a ld e s i g nm e t h o di nm o v i n gc o m p o n e n t so f m a c h i n et 0 0 1 k e yw o r d s - s t r u c t u r a d e s i g n ；c n ct u r n i n gc e n t e r ；t o p o t o g yo p t i m i z a t i o n ； c o m p l e xp a r t s i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：塞丝麴生! 兰鳖塑丝兰鱼塑丛丝鱼主 作者签名： 兰鍪 日期： 2 ：2年生月上日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 塑丝丛! 竺竺缝篮丝丝! 鲨垒丛堑茎。一 作者签名： 兰驺 日期：竺2 年垃月j 生日 导师签名：墨乏艮( 划 日期： 型年丝月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家科技重大专项项目( n o 2 0 0 9 z x 0 4 01 4 0 3 4 ) ：“面向动静热特 性的机床数字化设计及其软件 以及国家科技支撑计划项目( n o 2 0 0 7 b a f 2 1 b o o ) ： “多轴联动高速龙门式加工中心系列产品开发研究”的子课题部分，合作单位为大连理 工大学与大连机床集团。考虑到机床结构件的设计主要依靠传统的经验设计、类比设计， 很少能够全面考虑结构件的静、动特性以及热特性对机床产品性能所产生的影响。造成 产品精度低，性能质量难以保证的局面。本课题就是以此为基础对某系列数控车削中心 产品的结构件进行面向动、静特性的数字化设计，主要包括数控车削中心力学模型建立； 数控车削中心结构件的动静特性分析：基于拓扑优化的结构设计方法研究及其在车削中 心床身和滑板设计中的应用。 1 1 2 课题的研究意义 在现代机械制造工业中，加工机器零件的方法有多种，如铸造、锻造、焊接、切削 加工和各种特种加工等。在加工精密零件时，主要还是依靠切削加工来达到所需要的加 工精度和表面质量。因此，金属切削机床是加工机器零件的主要设备。它所担负的工作 量，约占机器总制造量的4 0 0 o - - - 6 0 。机床的技术水平直接影响机械制造工业的产品质 量和劳动生产率，尤其是高档数控机床的设计与制造水平更是衡量一个国家工业化水平 与综合国力的重要标志i 。 我国数控机床产业经过二十年的发展虽然已经形成了一定的生产规模，具备了一定 的技术基础，但在数控机床品种、质量和性能等方面仍不能满足国内外市场的需要。尤 其是高档数控机床与基础制造装备的设计、制造领域，目前与国外先进水平仍有较大差 距。尤其在机床复杂零件结构设计领域，依然采用基于传统经验的类比设计方法，只对 几种关键的功能部件进行选型校核，并没有形成一套系统的、高效的设计方法，在机床 设计过程中缺少机床零部件及整机结构的静、动态特性计算数据及其对机床产品性能的 影响数据，造成机床复杂零件的设计不尽合理，结构设计上存在不少缺陷。然而传统的 设计方法需要依赖大量的设计经验，造成设计周期长，成功率低，需要经过反复设计、 试制与修改，设计成本很高。而且由于机床设计依据不足，所以国内机床企业的机床设 计，尤其是的高档、高精度数控机床设计，多数采用对国外同类型机床进行模仿，缺乏 数控车削中心复杂零件结构设计方法研究 自主创新能力，难以形成自主系列产品系列化或产品改型性能不佳等问题，严重影响中 国机床企业的发展。所以，研究一种更为便捷、有效、可靠的机床结构设计方法对提升 国内机床设计能力、促进机床产业的产品升级有着重大的意义。 拓扑优化作为一种现代结构优化技术是新兴的设计方法，在给定材料品质和设计域 内，通过优化设计方法得到满足约束条件又使目标函数最优的结构布局形式。能够在工 程结构设计的初始阶段为设计者提供一个概念性设计，使结构在布局上采用最优方案。 与其它结构优化方法相比能过带来更大的经济效益，也更多的被工程设计人员所接受， 已经成为当今结构优化设计研究的一个热点。目前拓扑优化技术现在已在航空航天、机 械、船舶、微电子和新型材料、汽车设计等领域得到广泛的应用【2 引。 本文将拓扑优化理论与结构设计相结合，形成一套全新的结构设计方法，并将其应 用于机床结构设计领域，对于完善机床结构设计理论、提高机床结构创新设计能力、提 高机床结构设计效率等方面都有着巨大的推动作用。 1 2 国内外机床结构设计研究现状 1 2 1国内机床结构设计研究现状 目前国内在机床结构优化领域的研究比较活跃，机床结构优化设计的内容十分丰 富，主要包括静力学、结构非线性分析、模态分析、谐响应分析、动力学分析在机床结 构设计领域的应用。 在机床结构的刚度和强度分析方面。广西大学陈文锋、毛汉领“m x b s 1 3 2 0 型高 速外圆磨床动态性能的试验研究 【4 】一文中，对m x b s 1 3 2 0 型高速外圆磨床的动态性 能使用脉冲激振法进行了试验研究，得到磨床前几阶模态的频率和振型图，寻找出机床 振动的薄弱环节和主要振源，并提出一些机床改造的措施。 对主要零部件进行有限元分析，优化零部件结构的设计。东南大学和无锡机床股份 有限公司对内圆圆磨床m z l 2 0 a 床身结构进行有限元分析【5 j ，得到床身前几阶的固有频 率和振型，分析床身内部的筋板布置对结构动态特性的影响。张海伟，利用动态实验分 析和理论模型分析两种方法对卧式加工中心的动态性能进行了分析【6 】，通过实验测试数 据与理论计算结果对比分析，验证了理论模型的合理性，找出了机床的薄弱环节，并进 行了结构优化。优化后分析结果证明，机床结构的最大变形值都相应降低。陈庆堂，运 用工程软件a n s y s 的优化设计模块，根据主轴箱的实际工况及机床零件加工精度要求， 在参数化建模及结构应力分析基础上，对x k 7 1 3 数控铣床轴箱结构以减轻重量为目标 大连理工大学硕士学位论文 进行优化设计 7 1 。通过优化设计及分析，主轴箱结构重量减轻了2 3 2 ，三个方向上刚 度和应力得到了合理的分布。 东南大学机械工程系利用有限元法对机床床身进行静、动态分析，并使用渐进结构 优化算法对床身结构进行基于基频约束和刚度约束的拓扑优化，为e s o 方法在机床大 件结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试。王艳辉、伍建国等人，在“精密机床床身结 构参数的优化设计”【8 l 文中，在确定精密机床床身合理结构的基础上，利用a n s y s 有限元软件提供的a p d l 参数化设计语言和优化设计方法，以床身的筋板布置和筋板厚 度为设计参数，对床身进行结构设计参数的优化，确定了床身结构的合理参数。不仅大 大提高了床身的动态性能，而且节省了材料，降低了生产成本。 东南大学毛海军等人将b p 神经网络理论与有限元建模方法结合，提出了利用b p 神经网络建立机床整机主要部件的动力学模型，并应用大型有限元分析软件a n s y s 进 行b p 神经网络样本进行快速采样的方法【9 】o 根据所提供的方法，建立了床身筋板位置、 厚度与床身前5 阶频率之间的b p 神经网络模型，并以床身的第一阶固有频率为目标进 行优化设计，取得了满意的结果，这种方法对于实体结构的动态分析有重要的意义。 汤文成、易红等【l o j 对床身的静、动态特性进行了分析和优化设计。通过研究表明， 改变床身的筋板类型和布局设计是提高床身静、动态性能的有效手段，并且提出了以导 轨的振动变形量作为床身结构设计的主要依据，建立床身的结构模型，以床身的结构参 数为变量，进行优化，最终得到了最优的床身设计方案，同时在机床的参数化设计等方 面做出了有益的尝试。 1 2 2国外机床结构设计研究现状 国外的机床结构优化领域的研究比较多，在结构优化、有限元分析、参数化设计方 面都有不少研究。美国机械工程师学会的“o p t i m a ls y n t h e s i so f c o m p l i a n tm e c h a n i s m s u s i n gs u b d i v i s i o na n dc o m m e r c i a lf e a ”】一文中，利用有限元软件分析机械结构，提出 全程参数化设计，并对其进行拓扑优化，全面分析了设计变量在优化程序中的变数。国 外机床结构优化设计存在以下特点： ( 1 ) 设计与分析平行。从以满足一定性能要求为目标的结构选型、结构设计，到 具体设计方案的比较及确定、设计方案的模拟试验等； ( 2 ) 结构优化的思想被用于设计的各个阶段； ( 3 ) 大量的虚拟试验代替实物试验。虚拟试验不仅可以在没有实物的条件下进行， 而且实施迅速、信息量大。利用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案中选择最优，减 数控车削中心复杂零件结构设计方法研究 少设计的盲目性，另一方面可以及早发现在设计中的问题。从而减少设计成本，缩短设 计周期。 2 0 世纪6 0 年代后期，随着计算机技术的发展，有限元方法开始逐步应用于工程实 践。有限元方法作为一种数值计算方法，它具有很多突出的优点，并在此基础上出现了 大量的c a e 软件( 如美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析软件；m s c 的 m s c n a s t r a n 和m s c p a t r a n 等) ，从而实现了计算机技术和有限元理论的结合，大大提 高了机床结构设计的效率和质量。当前，采用有限元方法，建立机床结构的静、动力学 模型己经成为机床理论建模普遍采用的方法。美国c a t h o l i c 大学g b i a n c h i 1 2 】等学者将 机床的动态设计与控制相结合，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 1 3 】 等学者应用虚拟现实技术来进行机床结构的形状优化设计，m i c h i g a n 大学的t j i a n g 和 m c h i r e d a s t 1 4 】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零部 件结构，建立整机的模型并对机床结合面的联接件( 如焊点、螺栓等) 的位置和数量进 行拓扑优化设计。 1 2 3 机械结构设计中的拓扑优化 结构优化设计是2 0 世纪6 0 年代随着电子计算机的广泛使用而迅速发展起来的一新 学科。结构优化的目的是以最少的材料，最低的造价，最简单的工艺，实现结构的优性 能，包括强度、刚度、稳定性等目标。近年来，优化已经陆续应用到建筑、造船、化工、 冶金、交通、航空、机械制造、自动控制等领域。结构优化一般分为三个层次：尺寸优 化、形状优化和拓扑优化。拓扑优化是一种比尺寸优化、形状优化更高层次的化方法， 也是结构优化中最为复杂的一类问题。尺寸和形状优化技术在工程界得到了十分广泛的 应用，而拓扑优化则是近十五年逐渐成为结构设计领域研究的热点之一【1 5 。1 6 1 。 ( 1 ) 尺寸优化( s i z i n go p t i m i z a t i o n ) 对结构进行优化设计最简单和最直接的做法就是修改结构单元的尺寸，即在保持结 构的形状和拓扑结构不变的情况下，通过优化截面面积、选择板的最佳厚度等，寻求结 构组件的最佳截面尺寸与最佳材料性能的组合关系。尺寸优化的一个重要特征是设计区 域以及设计变量在优化设计之前就已知，并且在整个优化设计过程中保持不变。尺寸优 化由于设计区域固定，设计变量单一，因此较易用标准的数学规划方法建立数学模型， 在实际应用中也得到了较为理想的优化设计结果。但是，尺寸优化不能改变原设计的形 状和拓扑结构，所以不能保证由这种方法得到的设计是真正意义上的最优设计，更不用 说去探讨新的结构形式f 1 5 以6 。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 尺寸优化 f i g 1 1 s i z eo p t i m i z a t i o n ( 2 ) 形状优化( s h a p eo p t i m i z a t i o n ) 1 7 】 通过调节结构边界形状来达到优化结构的目的。即优化结构的结构拓扑关系保持不 变，而设计域的形状和边界发生变化，寻求结构最理想的边界和几何形状，在骨架结构 中表现为优化节点的最优位置，在实体结构中表现为对结构的边界形状进行优化。目前 有关形状优化部分的研究已取得较大进展。 板 1 则主导轨面不是全长接触，因此需要在导轨下面安装压板，形成辅助导轨面， 其压强的大小和分布取决于间隙和变形的大小。假定压板与导轨下沿无间隙配合，其压 强分布如图3 3 所示，导轨下面承受寿端压强。 ) ) 2 3 l l 3 3 ( ( 数控车削中心复杂零件结构设计方法研究 圈33 滑动导轨压强分布 f i g3 3 t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fs l i d i n g g u i d e 322 直线滚动导轨的载荷分布特点研究 直线滚动导轨作为重要的功能部件和机床中的重要结合部，出现就以其结构简 单、动静摩擦系数小、定位精度高、精度保持性好等优点，逐渐取代了传统的滑动直线 导轨，在机床行业中得到了广泛的应用。 直线滚动导轨依靠滚动体在滑块与滑轨之间作无| 5 i 制的滚动循环，负载平台能沿着 滑轨轻易地一高精度做线性运动。与传统的滑动导轨相比，滚动导轨的摩擦系数可以降 低至原柬的1 5 0 ，由于运动的摩擦力大大减小，减少无效运动的发生，故能轻易达到埘 级进给及定位精度。再加上滑块与导轨之间的预紧及限位设计，可使直线滚动导轨可以 承受上下左右等各方向的负载。 通常情况下，直线滚动导轨能够承受各方向的负荷及力矩，所承受的负载归纳为以 下几种形式：径向负荷p s 、横向负荷p l 、俯仰方向力矩m a 、偏转方向力矩m b 、旋转 方向力矩m c ，如图3 4 所示。 图34 滚动导轨所承受负荷 f i g 3 4l o a do f r o l l i n g g u i d e * 自 * # 方自 4 # 自 在机床应用领域，直线滚动导轨的安装形式多采用四滑块椒轨道的形式，如图3 5 所示。通过上面的分析，考虑滑块的受力特点，可将四个滑块作为四个对法向及切向的 大连理工大学硕士学位论文 集中约束，然后利用静力平衡方程求出各滑块的支反力，即可得到直线滚动导轨之间的 联接载荷。 图3 5 滚动导轨载荷分布 f i g 3 5 t h el o a dd i s t r i b u t i o no fr o l l i n gg u i d e 3 2 3 螺栓组联接部分载荷简化方法研究 螺栓组作为一种最为普遍的机械联接接方式，在数控机床上也有着广泛的应用，例 如：车床的主轴箱与床身的联接、加工中心的立柱与底座的联接等等。螺纹副联接是一 种复杂的非线性接触问题，所以在对其进行有限元计算或仿真的过程中仍然存在问题。 本文为了方便对机床部件的有限元计算，需要对螺栓及螺栓组联接进行一定程度的简 化。将螺栓组的联接载荷简化为螺栓中心区域所受的集中联接载荷，然后依据螺栓组的 受力分析方法得到螺栓联接载荷，如图3 6 所示。 图3 6 螺栓组载荷简化 f i g 3 6 l o a dd e t e r m i n a t i o no f t h ec o n n e c t i o no f b o l tg r o u p 数控车削中心复杂零件结构设计方法研究 对于普通螺栓组联接其来说，负载形式主要有一下几种：横向载荷、轴向载荷、转 矩载荷、倾覆力矩载荷【删。 ( 1 ) 对于横向载荷及轴向载荷，可以按照平均受力原则将载荷平均分配为各螺栓 中心区域的集中联接载荷。 ( 2 ) 对于转矩载荷，可以假设各螺栓预紧程度相同，则各螺栓联接处产生的摩擦 力r 均相等，并假设此摩擦力集中在螺栓中心处。为阻止结合面发生相对转动，各摩擦 力应与各螺栓的轴线到螺栓组对称中心o 的连线相垂直，如图3 7 所示。根据力矩平衡 条件有： 尺+ r + + r r z = t ( 3 1 5 ) 由上式求得个螺栓集中部分的摩擦力： r ：l ( 3 1 6 ) ，i + + + 乞 各摩擦力的角度可根据螺栓位置确定，如图3 7 所示。依此方法即可求得扭矩载荷 作用下各螺栓的集中联接载荷。 r r f f p ，列 区三e 习 图3 7 扭矩载荷条件下的螺栓组联接 f i g 3 7 t h ec o n n e c t i o no fb o l tg r o u pu n d e rt o r q u el o a dc o n d i t i o n ( 3 ) 对于螺栓组所受的倾覆力矩载荷，同样假设联接件的受力集中在螺栓中心处， 如图3 8 所示，假设螺栓预紧足够大，可以考虑外力对导轨的作用，根据力矩平衡方程： m = f 厶 ( 3 1 7 ) 一，i 。7 t = 1 假设各集中力的大小与螺栓中心到力矩轴线的距离成正比，即： 大连理工大学硕士学位论文 则 f = k 老 ( 3 1 8 ) f ：丝照 “ ，2 ( 3 1 9 ) 厶2 u j ， 式中：为最大联接载荷；z 代表螺栓个数；厶代表螺栓中心到力矩轴线距离：k 缸 表示厶中的最大值。通过上式的分析即可求出倾覆载荷作用下各螺栓的联接载荷。 j 。r 一弋 、过| 矿( ，。一 r 0 l ( ) ，h 气，、爪 wvvv l ， r 天爪，、 、，vvv l t d 工m 图3 8 倾覆力矩的螺栓组联接 f i g 3 8 t h ec o n n e c t i o no fb o l tg r o u pu n d e ro v e r t u mm o m e n tc o n d i t i o n 在实际使用中，螺栓组所受载荷通常是这四种受力状态的不同组合，但不论受力状 态如何复杂，都可以利用静力分析方法将复杂的受力状态简化成上述四种简单受力状 态。因此，只要分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓中心区域的集中联接 载荷，然后将他们的向量相加，得到每个螺栓区域的联接载荷。 3 3 数控车削中心力学模型 参考车削中心的装配图，如图3 9 所示，可知车削中心的关键部件主要有刀架、滑 板、床鞍、主轴箱、尾座、床身等，其中床身和主轴箱为固定部件，刀架、滑板、床鞍、 尾座为运动部件。本文分别以床身、滑板作为固定部件和运动部件的代表，研究机床结 构的创新设计。下面分别床身及刀架滑板进行分析，建立其力学模型。 数控车削中心复杂零件结构设计方法研究 图39 年削中心装配图 f i g3 9 t h ea s s e m b l y d r a w i n g o f t u r n i n g c o n t e r 3 31 床身力学模型 床身作为机床中最重要的支承部件，起到支承机床部件、保证各部件之白j 的相对位 置精度和运动部件的运动精度的作用。为了满足机床的性能需求，机床床身必须具备足 够的静刚度、较高韵刚度质量比、良好的动态特性、较小的热变形和内应力并且便于制 造装配等特性m l 。所以减轻机床床身重量，提高床身刚度对提升机床性能有着积极的意 义。通过观察车削中心的结构，与床身有联接关系的部件主要有床鞍、主轴箱和尾座， 下面就对床鞍系统、主轴箱、尾座等部件进载荷分析以确定床身的受力情况a ( 1 ) 床鞍系统受力分析 床鞍系统与床身的联接结构如图3 1 0 所示，其中床鞍通过滑动导轨与床身相联接、 刀架与床鞍通过线轨相联接。整个系统所受的外部载荷为系统重力、切削力、丝杠牵引 力、导轨的支反力。 图31 0 床鞍系统受力分析 f i g 3 1 0 f o r c ea n a l y s i s o f t h es a d d l e 大连理工大学硕士学位论文 以床鞍中心为原点，导轨平面为x o z 平面建立坐标系，如图3 1 1 所示。根据车削 中心制造与验收技术要求( 附录a ) ，将图3 1 l 中床鞍受力及力作用点位置符号描述如 表3 4 。 a 图3 1 l 床鞍受力分析图 f i g 3 11 f o r c ea n a l y s i sd i a g r a mo f t h es a d d l e 表3 4 床鞍受力分析表 t a b 3 4 f o r c ea n a l y s i st a b l eo f t h es a d d l e 建立床鞍系统的力平衡方程： 数控车削中心复杂零件结构设计方法研究 g 1 + c + = 0 g 2 + c + + 死y = 0 ( 3 2 0 ) f f + q = 0 床鞍系统的力矩平衡方程： m x = 一f c z f f f y f g 2 z g + q y q = m “+ m b m ，= 乃砟一z p + g l z g + = m _ y ( 3 2 1 ) m z = 一c 乓+ e 砟+ g l 圪一g 2 k = e 2 一髟y e 2 式中：砟、乓、z f 为切削力坐标；x e 、为丝杠牵引力坐标；k 、圪、z 0 为 床鞍系统重心坐标；e 为导轨跨度。 根据3 1 节中对车削中心切削载荷的分析及附录a 中车削中心最大切削抗力试验可 以得出： r a x = 一g 1 一c 凡r = 一詈( 一斥+ e 坼+ g l 圪一g 2 埘一半 ( 3 2 2 ) ：詈( 一c 耳+ e 砟+ g l 圪一g 2 耐一半 力矩m x 主要依靠m 彳、m b 来平衡，而峨向a 、b 两条导轨分解的过程属于静不 定问题，需要根据变形协调关系进行分解。将m x 平均分配到a 和b 两个导轨平面平面， 依此为原则得到结果如下： = = 峨2 ( 3 2 3 ) m 爿】，= m j , 。 在得到各导轨面所受的载荷及力矩之后，利用3 2 1 中滑动导轨载荷分析方法，求 得床鞍系统的载荷结果如下表3 5 所示。 表3 5 床鞍处导轨压强分布 t a b 3 5t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fs l i d i n gg u i d ea tt h es a d d l e 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 主轴箱及尾座受力分析 在车床正常切削工作过程中，主轴箱固定在床身的前端。刀具与工件之间的切削力 一方面通过床鞍传递给床身导轨，另一方面通过主轴箱和尾座传递给床身，如图31 2 所示。床鞍的受力分析在前面已经计算清楚并且估算出了主切削力、背向切削力和进 给切削力的大小。这里主要计算主轴箱和尾座如何将这三个力传递给床身。 削3 1 2 切削力分析 f i g 31 2c u t t i n g f o r c e a n a l y s i s 对加工工件来分析，其属于主轴箱一端固定尾座一端铰支的静不定梁结构，如图 31 3 所示，利用材料力学理论对其进行受力分析； 图3 1 3 工件受力分析 f i g , 31 3 f o r c ea n a l y s i s o f t h e p a r t 数控车削中心复杂零件结构设计方法研究 耻c 愕口叫 耻一c 愕a 2 何叫 。2 4 恐x = 乃参科叫 坞r ：一只万a 2 ( 3 ，一口) ( 3 2 5 ) 荔f c l 荔aa 2 兽 2 6 ， 坞= 孚c 2 詈一3 等+ 多 “叽 表3 6 床身载荷工况表 t a b 3 6t h el o a dc a s et a b l eo f t u r n i n gc e n t e rb e d 主轴箱受力分析 主轴箱与导轨的联接属于一种典型的螺栓组联接，通过前面的分析，得知主轴箱系 统主要承受工件的支反力，以及左端受到的皮带紧边拉力，如图3 1 4 所示。 工件的支反力主要利用公式( 3 2 4 ) 的计算结果，压轴力的计算如下所示： e = p xl 0 0 0 ( 3 2 7 2 7 )匕= ) 1 ， 大连理1 ：人学硕士学位论文 v ：! ：型：竺( 32 8 ) 6 0 1 0 0 0 式中：p 为土轴电机功率； 为电机转速；d 为飞轮卣径。利用上式可以计算出土 轴箱的压轴力c 。 嘲31 5 主轴箱受力分析图 f i g31 5f o r c e a n a l y s i sd i a g r a mo f t h eh e a d s t o c k 将主轴箱与床身之 建立主轴箱的力和力矩平衡方程，将士轴箱联接螺栓纽所受的复杂受力状态简化成 横向载荷、轴向载茼、转矩载荷、倾覆力矩载荷四种简单受力状态，然后利用3 23 中 螺栓联接载荷的确定方法分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓中心区域 数控车自呻心复杂零件结构设计方法研究 的集中联接载荷，然后将他们的向量相加，得到主轴箱联接螺栓组中每个螺栓区域的联 接载荷，结果如表3 7 所示。 袭37 主轴箱联接载荷表 t a b3 7 c o u p l i n g l o a d t a b l e o f t h e h e a d s t o c k 尾座受力分析 尾座在车床工作过程中起辅助支撑功能，该部件工作时靠快速夹紧机构固定于床身 下侧的两条轨上主要承受切削力在尾座一端的分力及尾座自身的重力，如图31 6 所示。 切削力在尾座一端的分量主要依靠公式( 32 5 ) 的计算结果，在不同工况下对应不同的 尾座载荷。 图3 1 6 尾座受力分析 f i g31 6f o r c e a n a l y s i s d i a g r a m o f t h e t a l l s t o c k 大连理工大学硕士学位论文 尾座和导轨的联接与床鞍和床身之间的联接类似。不同之处在于尾座靠夹紧固定而 床鞍靠丝杠与床身之间产生作用力，能够相对滑动。为了简化尾座部分的受力分析，只 尾座与导轨的压紧面施加轴向载荷来平衡尾座的顶紧力，其他载荷的计算采用与床鞍载 荷分析相同的方法，如图3 1 7 所示。 c 图3 1 7 尾座受力分析图 f i g 3 17 f o r c ea n a l y s i sd i a g r a mo ft h et a i l s t o c k 对表3 6 所示的几种工况载荷分别进行计算，比较不同工况条件下尾座对工件的支 承载荷，取其中最大的工况3 作为尾座部分的有效载荷。再利用3 2 1 中滑动导轨载荷 分布的计算方法，对尾座进行载荷分析建立尾座部分的力学模型，所得结果如下表3 8 所示。 表3 8 尾座处导轨压强分布 t a b 3 8t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fs l i d i n gg u i d ea tt h et a i l s t o c k 3 3 2 滑板力学模型 滑板是床鞍系统的重要组成部件，主要起着联接刀架与床鞍，实现刀架在x 轴方向 移动的作用。刀架通过螺栓联接在滑板的正面，滑板与床鞍之间依靠直线滚动导轨和滑 块进行联接，如图3 1 8 所示。 数拉车削中心复杂零件结构设计方法研究 娘嵇 黪秽 建立刀架系统的力和力矩平衡方程，将刀架联接螺栓组所受的复杂受力状态简化成 横向载荷、轴向载荷、转矩载荷、倾覆力矩载荷四种简单受力状态，然后利用3 23 中 螺栓联接载荷的确定方法分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓中心区域 的集中联接载荷，然后将他们的向量相加，得到刀架联接螺栓组中每个螺栓区域的联接 载荷，结果如表3 9 所示。 大连理工大学硕士学位论文 表39 滑板联接载荷表 t a b3 9 c o u p l i n g l o a d t a b l eo f b e ds l i d e 滑板的约束及即为直线滚动导轨对滑板的约束，依据3 32 中对直线滚动导轨联接 方式的分析，我们约束滑板与滑块联接处的法向及切向，对丝杠联接处进行轴向约束。 3 4 数控车削中心床身及滑板有限元分析 为了解数控车削中心现有床身及措板结构的强度刚度、固有频率等特性，为后续设 计提供参照和比较，首先对数控车削中心床身及滑板进行有限元计算。 3 41 床身有限元分析 ( 1 ) 床身静态特性有限兀分析 通过前几节对机床加工方式、部件的联接关系、各部件受载状况的分析，明确了数 控车削中心床身的载荷、约束等边界条件。利用p r o e 软件建立床身的三维模型，导入 a n s y s 软件，定义材料属性，划分网格，并施加载荷、约束等边界条件，建立数控车削 中心床身有限元模型，对床身静态特性进行有限元分析。 一。， ?_ 囝32 1 床身有限元模型 f i g32 1 t h e f i n i t ee l e m e n t m o d e lo f t u r n i n gc e n t e r b e d 数控车削中心复杂零件结构设计方法研究 通过对数控车削中心床身进行有限元分析得，床身位移云图如图3 2 2 所示。 “。“ ， ， 隧 图32 2 床身位移云图 f i g32 2 t i l ed e f o r m a t i o no f t u m i n gc e n t e r b e d 提取主轴箱、床鞍、尾座部分的变形量，以及床身最大应力形成床身原始模型的静 态性能袁，表31 0 所示。 表31 0 床身静刚度性能 t a b3i os t m i cs t i f f n e s so f t u m t a g t e n o rb e d 庸身性能害毽嚣嚅挚尾蛊挚t 轰警 计算结果 0 0 0 5 8 0 600 0 6 4 5 7 0 0 0 1 5 4 66 6 2