（机械设计及理论专业论文）数控立式车床横梁的有限元分析及优化设计.pdf

t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n do p t i m i z i n gd e s i g n d e s i g no f c n cb e a m sv e r t i c a lp r o p b y f ur o n g k a i b e ( s h e ny a n gi n s t i t u t eo fc h e m i c a lt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rh us h i ju n m a y ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：彳冬条舢 日期：庐o - 1 年 5 月26 日 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校自权保留夕 ：向圈家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 彳惑粜害一 日期：歹一1 年f 月z6 日 日期：1 年 r 月z 易日 3 7 施加边界条件和载荷2 3 3 7 1 切削力的计算2 3 3 7 2 横梁的受力分析2 4 3 7 3 施加边界条件和载荷2 4 3 8 解计算与分析结果2 4 3 8 1 刚度分析2 4 3 8 2 应力分析2 5 3 9 本章小结2 6 第4 章c k 51 1 6 数控立式车床横梁有限元模态分析2 8 4 1 引言2 8 4 2 模态分析理论基础2 8 4 3 模态分析的基本步骤2 9 4 4 横梁结构有限元模态分析3 0 4 4 1 建立模型3 0 4 4 2 设置分析类型和选项3 0 4 4 3 施加动力分析载荷并求解3 0 4 5 本章小结3 3 第5 章c k 5116 数控立式车床横梁有限元谐响应分析3 4 5 1 引言3 4 5 2 谐响应理论基础3 4 5 3 谐响应分析方法介绍3 6 5 4 谐响应分析的基本步骤3 7 5 5 横梁结构的谐响应分析3 8 5 5 1 建立模型3 8 5 5 2 选择分析类型和选项3 8 5 5 3 施加载荷约束及求解3 8 5 5 4 谐响应计算结果分析4 0 5 6 本章小结4 1 第6 章 c k 51 1 6 数控立式车床横梁优化设计4 2 6 1 引言4 2 6 2 优化设计理论基础4 2 6 2 1 优化设计中常见术语4 2 6 2 2 优化设计注意事项4 4 6 2 3 优化设计的全过程4 4 6 3 优化设计中的有限元方法4 5 6 3 1 优化设计中有限元方法概述4 5 6 3 2 利用有限元法进行优化设计的步骤4 6 6 4 横梁机构的优化设计4 9 6 4 1 横梁参数化建模4 9 6 4 2 声明优化变量4 9 6 4 3 有限元优化程序基本步骤( 以程序的形式表示) 5 0 6 4 4 选择优化工具5 0 6 5 本章小结5 4 结论与展望5 5 参考文献5 7 致诱 6 0 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 1 i i i 摘要 横梁是c k 5 1 1 6 立式车床重要的部件。横梁是通过立柱相连接的，并承受着横 梁内、外的各种载荷。横梁结构设计的不合理会使车床精度难以保障并产生材料 浪费。所以横梁的动、静态特性是其结构设计、改进和优化的基础，是确保整车 性能优良的关键因素之一。 论文以c k 5 11 6 立式车床横梁为研究对象，分析论证了强度、刚度、振动及结 构优化等问题，主要内容如下： ( 1 ) 在保证充分反映横梁结构实际结构力学性能的前提下，对横梁模型进行一 定的简化处理，大幅度节约运算时间。在分析单元数量、质量、布局的前提下， 用实体单元s o l i d l 8 5 对整个机体进行了离散化处理，建立了横梁机体的有限元模 型。 ( 2 ) 在静态分析方面，针对横梁实际工作中常出现的弯曲和扭转两种工况进 行了分析计算，得出了横梁此工况下的应力云图和变形云图及其应力最大和变形 最大的危险位置。 ( 3 ) 在动态分析方面，对横梁进行了模态分析和谐响应分析。在模态分析中 获取了横梁在约束条件下的固有频率和振型，通过谐响应分析确定在周期地面激 励下横梁上不同点的最大振幅及其对应的频率范围，为改进横梁提供参考依据。 ( 4 ) 对横梁进行了参数化建模，并运用a n s y s i o o 中的优化模块，以横梁壁厚 尺寸为设计变量，以应力为约束条件，以横梁的总体积为目标函数对横梁结构进 行了优化，得到各尺寸的最优值，使横梁质量减少。 关键词：立式车床；横梁；有限元分析；优化设计；a n s y s a b s t r a c t b e a m sa r ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so fv e r t i c a ll a t h ec k 5 1 16 c o l u m n sc o n n e c t e d b yb e a m s ，a n du n d e rt h eb e a m si n s i d ea n do u t s i d et h ev a r i o u sl o a d s i fb e a m s s t r u c t u r ei su n r e a s o n a b l e ，i ti sd i f f i c u l tt oe n s u r et h ea c c u r a c y , a n dt h em a t e r i a lw i l lb e w a s t e d s ot h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a m si st h e g r o u n d w o r ko fd e s i g n ，i m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o no fb e a m ss t r u c t u r e ，w h i c hi s o n ek e yo fe n s u r i n gb e t t e rp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ea u t o m o b i l e i nt h i sp a p e r ，ak i n do fv e r t i c a ll a t h ec k 5 1 16b e a m si st a k e nf o rt h er e s e a r c h o b j e c t a n da l s oa r g u m e n ta n da n a l y s i sq u e s t i o n sa b o u ts t r e n g t h ，s t i f f n e s s ，v i b r a t i o n a n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n m a i n l yr e s e a r c hc o n t e n t sa sf o l l o w s ： 1 ) u n d e rt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gf u l l yr e f l e c tt h ea c t u a ls t r u c t u r eo ft h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h es t r u c t u r eo ft h eb e a m s m o d e l ，s i m p l i f y i n gt h em o d e lt o s a v es i g n i f i c a n tc o m p u t i n gt i m e u n d e rt h ep r e m i s eo fa n a l y s i su n i ti nt h eq u a n t i t y ， q u a l i t y ，l a y o u tw i t has o l i de l e m e n ts o l i d l 8 5o nt h ew h o l ed i s c r e d i t e db o d v ，a n d t h e nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eb e a m si sf o u n d e d 2 ) i nt h es t a t i ca n a l y s i s ，t h em a x i m u md e f o r m a t i o na n ds t r e s so nt h eb e a m su n d e r t h ec o n d i t i o no f b e n d i n ga n dt o r s i o na r ef o u n d ，t h es t r e s s n e p h o g r a ma n d d i s p l a c e m e n tn e p h o g r a mo ft h eb e a m sa r ea l s oc a l c u l a t e d s oi tc a ng e tt h ed a n g e r o u s p o s i t i o no ft h eb e a m s 3 ) i n t h e d y n a m i ca n a l y s i s ，w h i c hi n c l u d e sm o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i c a n a l y s i s i nm o d a la n a l y s i s ，t h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e so ft h eb e a m si s o b t a i n e du n d e rc o n s t r a i n tc o n d i t i o n t h em a xa m p l i t u d ea n dt h e i r c o r r e s p o n d i n g r a n g eo ff r e q u e n c i e sf o rd i f f e r e n tp o i n ta t c y c l ei n c e n t i v eo ft h e g r o u n d a r e d e t e r m i n e dt h r o u g ht h eh a r m o n i ca n a l y s i s a b o v ea l lp r o v i d er e f e r e n c ei n f o r m a t i o n f o ri m p r o v i n gt h eb e a m sd e s i g n 4 ) p a r a m e t r i cm o d e l i n gb e a m si sc o n d u c t e da n da l s ou s i n go p t i m i z a t i o nm o d u l e i na n s y s10 0s o f t w a r et oo p t i m i z et h eb e a m sb ys e e i n gt h eb e a m sh o r i z o n t a l ， l o n g i t u d i n a lc r o s s s e c t i o n a ld i m e n s i o n sa sd e s i g nv a r i a b l e s ， t h ed e f 6 r m a t i o na st h e c o n s t r a i n t sc o n d i t i o na n dt h et o t a lv o l u m eo ft h eb e a m sa so b j e c t i v ef u n c t i o n g e tt h e o p t i m a lv a l u e so fa l lt h eb e a m ss e c t i o nt or e d u c et h eq u a l i t yo ft h eb e a m s k e y w o r d s ：v e r t i c a ll a t h e ；b e a m s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ； a n s y s 插图索引 图2 1 机械c a d 设计过程7 图2 2c k 5 116 型数控立式车床8 图2 3 横梁的实体模型1 0 图2 4 横梁的实体模型剖视图1 1 1 图2 5 横梁的实体模型剖视图2 1 1 图3 1 微元体静力平衡1 3 图3 2 平面问题的变形表示1 3 图3 3a n s y s 中横梁结构模型2 1 图3 4 横梁结构的有限元模型2 2 图3 5 总体位移云图2 4 图3 6x 方向位移云图2 4 图3 7y 方向位移云图2 5 图3 8z 方向位移云图一2 5 图3 9 横梁结构应力分布云图( 俯视图) 一2 6 图3 1 0 横梁结构应力分布云图( 仰视图) 2 6 图4 1 横梁第1 阶模态3 1 图4 2 横梁第2 阶模态。3 1 图4 3 横梁第3 阶模态3 2 图4 4 横梁第4 阶模态3 2 图4 5 横梁第5 阶模态3 2 图4 6 横梁第6 阶模态3 2 图4 7 横梁第7 阶模态3 2 图4 8 横梁第8 阶模态3 2 图4 9 横梁第9 阶模态3 3 图4 1 0 横梁第1 0 阶模态3 3 图5 1 体载荷信息示意图3 9 图5 2 横梁x 、y 、z 方向位移响应曲线( o - 4 0 0 h z ) 4 0 图5 3 横梁x 、y 、z 方向位移响应曲线( 4 0 0 1 1 0 0 h z ) 4 0 图6 1 优化设计过程图4 5 图6 2 优化设计数据流向图4 8 图6 3 横梁结构的参数化建模4 9 图6 4 体积收敛曲线图5 1 图6 5 最大应力收敛曲线图5 2 m 图6 6 侧壁d 1 值的变化曲线图5 2 图6 7 后壁d 2 值的变化曲线图5 3 i v 附表索引 表2 1c k 5 11 6 数控立式车床的主要技术参数。9 表4 1 横梁结构前十阶固有频率、振幅及振型描述3 1 表6 1 横梁最优设计列表5 1 表6 2 最终方案与原始结构静力学对比5 3 表6 3 最终方案与原始结构固有频率对比5 3 v 硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 机床是发展制造业以至整个工业必不可少的复杂生产工具。是整个制造业发 展的基础设备。它既是生产力要素，又是重要商品。随着我国加入世界贸易组织 和全球经济一体化环境的形成，机床行业的市场竞争将会愈演愈烈。目前，国内 的机床设计多半属于经验设计。机床机械结构的设计计算一直沿用一般的结构计 算方法，虽然这些计算公式的导出大多是依据强度方面的理论分析，并辅以试验 方法和测试技术的研究，具有一定的科学依据和可靠性，由于机床结构比较复杂， 仅凭简单的计算工具，在计算时要对计算模型进行很多简化，致使计算精度较差， 由于计算繁冗，时间耗费大，有些项目甚至无法计算。因而长期以来，在许多情 况下仍沿用外推或类比的方法进行机床结构的设计i l j 。 上述比较传统的方法获得的计算结果大多用于不同结构的性能进行定性的分 析和比较上，而在实际结构设计时，仍取较大的安全系数，结果使结构尺寸和重 量加大，不能很好地发挥材料的潜能，机床结构性能难以提高。如果没有有效的 计算方法，有时就无法对结构方案设计提供可靠的依据，只能依靠以往的经验进 行局部修正，无法进行优化设计。随着数控机床产品不断向高精度、高刚度、高 速度方向发展，对数控机床结构静、动态特性的要求越来越高，数控机床产品结 构静、动态特性的分析及其结构参数优化研究就显得越来越重要1 2 。4 l 。由于长期以 来对新技术的应用相对滞后。国内机床产品的总体技术水平与先进国家同类型机 床还有着相当大的差距，劳动生产率低下，在国际市场中竞争力不足，经济效益 不高。在国外高档机床大举进攻中国市场的情况下，我们只有以积极的姿态面对 这一严峻的形势。尽快应用先进的设计技术，快速开发出结构合理、自动化水平 高、加工精度高、低振动、低成本的机床新产品来响应市场，我国的机床工业才 有出路。为了达到这一目的，掌握先进的机床设计方法就显得尤为重要。我国机 床工业的竞争能力的提高也就取决于机床新品的开发和关键技术的研究、掌握、 应用和迅速推广。 许多研究表明，随着机床加工性能的要求不断提高，对机床动态性能的要求 也愈来愈高。机床优良的的加工性能与其动态性能有着紧密的关系。机床工作时 产生的振动，不仅会影响机床的动态精度和工件的表面质量，而且还会降低生产 效率和刀具的耐用度，甚至会降低机床的使用寿命，振动所产生的噪声还会影响 工作环境。对于数控机床来说，振动的威胁是更大的。剧烈的振动将使数控机床 的驱动装置、检测装置不能正常地工作；且因为不像普通机床那样经常有人看管， 数控立式车床横梁的有限元分析及优化设计 因而数控机床产生的振动不易及时发现和采取相应的措施。对机床设计者来说， 如何通过改进设计以提高机床动态性能是一个极重要的问题。传统的机床设计方 法，其特征是经验类比或模仿设计，主要侧重于满足机床静态要求，如运动设计、 静刚度、几何精度等。这种局限于静态要求的传统设计方法已不能适应机床技术 发展的要求。现代机床向高速、高效、高精度、大功率、柔性自动化和智能化方 向发展，尤其是数控机床，对精度、生产效率和柔性的要求也越来越高，其动态 性能已成为技术关键。与此相适应，机床设计必须采用动态分析设计法。其关键 是建立动态性能分析研究的数学模型，利用计算机仿真技术模拟系统的动态特性。 在机床设计、改进阶段，建立动力学模型，可进行动态分析和动态设计；预估机 床结构的动态特性；分析结构的薄弱环节，寻求改进措施；用数字仿真方法，比 较各种设计方案和结构，实现优化设计；提高机床结构设计的成功率。经验表明 通过对机械结构的优化分析，可以得到令人满意的效果。如：达到在原有材料减 少的情况下，使得机械结构的性能不变，甚至更高。使得采用优化设计的企业在 市场竞争中处于优势地位。 1 2 国内外发展状况 1 2 1 国外发展状况 在1 8 世纪末，蒸汽机的出现，生产技术发生了革命性的变化，在加工过程中 出现了各种类型的车床；1 9 世纪末，2 0 世纪初，由于齿轮变速箱的出现，车床技 术有了迅速发展，在3 0 年代，发展起来的六角形车床、多刀车床、仿形车床、单 轴车床、卧式多轴自动和半自动车床己经普及，但是加工范围、加工工序都有很 大的局限性，不能满足现代化生产需要1 5j 。1 9 5 2 年美国帕森斯公司和麻省工学院 研制成功了第一台数控机床，几年后，日本研制出第一台数控车床【副。7 0 年代、 8 0 年代各种数控机床进入了发展全盛时期，数控机床得到了普及和应用。在设计 上的变化也同样在变化。随着计算机在发达国家的应用，计算机辅助设计也顺其 自然的在发达国家率先发展。其中有线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，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1 7 】。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。在机床优化设计方面体现如下特点：设计 与分析平行、结构优化思想被用于设计的各个阶段、大量的虚拟试验代替实物试 验【引。 虚拟设计的使用有其无法替代的优越性，体现在如下方面。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 2 硕十学位论文 计方案中选择最优，减少设计的盲目性，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【9 j 。 1 2 2 国内发展状况 我国的机床工业，是从解放以后才开始迅速发展起来的。在5 0 年代，我国的 机床企业为数不多，并且主要产品是仿制，例如：沈阳第一机床厂，最开始在苏联 的专家帮助下，仿制设计1 a 6 2 ( 苏联型号) 型普通机床，这是当时我国车床工业 中水平最高的普通车床【1 0 】。6 0 年代，我国开始自行开发研制机床，例如：沈阳第一 机床厂研制的c a 6 1 4 0 系列车床，填补了我国机床制造业自制的空白。7 0 年代、8 0 年代，我国不但自行开发研制车床，还开始通过引进德国、捷克的先进车床，消 化、吸收外国的先进技术，走联合设计、合作生产的道路，大大提高了产品设计 与制造的水平【1 1 】。鞍钢机械制造总公司的灵山机械厂，在1 9 9 0 年，从捷克引进的 s k j 5 0 1 0 0 b 型立式车床【1 2 】。目前，我国能够生产从小型仪表机床到重型机床的各 种各样机床，也能生产出各种精密的、高度自动化的、高效率的机床，并且机床 的性能也在逐渐提高，有些机床性能已经接近世界水平。在设计方面，我国在努 力缩短与发达国家的水平。二十世纪4 0 年代至6 0 年代初期，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。随着改革开放，我国科技工作者紧追世界先进设计理念，将 虚拟设计理念引入国内。在这场潮流的变化中，设计检查，实验都将在电脑上得 以展开。本课题优化设计的c k 5 1 1 6 型立式车床也是在这充满进取精神思变的环境 下进行的。 1 3 建模软件介绍 1 3 1 p r o e 软件概述 p r o e 操作软件是美国参数技术公司( p t c ) 旗下的c a d c a m c a e 一体化的三 维软件。p r o e n g i n e e r 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的 三维造型软件领域中占有着重要地位p r o e 作为当今世界机械c a d c a e c a m 领 域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的c a d c a m c a e 软件之一， 特别是在国内产品设计领域占据重要位置。1 9 8 9 年，p t c 公司推出了p r o e 软件的 第一个版本。它已经面世，就一它的尺寸驱动、基于特征设计的实体造型软件深 受用户欢迎。p r o e 软件很快就被广泛应用于自动化、机械、电子模具、汽车、航 空航天、医疗器械等多个领域【1 3 l 。 1 3 2 a n s y s 软件概述 a n s y s 有限元分析软件是a n s y s 有限元公司的主要产品，该公司由j o h n 3 数控立式车床横梁的有限元分析及优化设计 s w a n s o n 博士创建于1 9 7 0 年。该程序的主要的特点是功能齐全，工程应用的覆盖 面广。 a n s y s 结构静力和动力分析：a n s y s 程序中的静力分析包括非线性，如塑 性、蠕变、膨胀、大变形、大应变、及接触面。非线性静力分析通常通过逐步加 载来完成。在a n s y s 中，结构屈曲分类为两类：线性( 特征值) 屈曲和非线性 屈曲。 a n s y s 可求解下列类型动力分析问题：模态、瞬态动力、谐波相应、响应普 及随机振动。 模态分析：模态分析用于抽取结构的自然频率和模态形状。该分析的结果也 有助于确定用于瞬态动力学分析的模态数和积分时间步长，此外，一些瞬态求解 过程需要米台分析的结果。a n s y s 程序还允许作预应力模态分析及在大变形分析 后作模态分析。 瞬态动力学分析：a n s u s 求解瞬态动力问题的方法有3 种：全瞬态动力方法、 凝聚法和模态叠加法。三种方法都基于动力分析的通用运动方程。 谐波相应分析：谐波相应分析用于求解线性结构受正弦变化载荷的影响。 响应频分析：响应频分析可用于求解冲击载荷条件下的结构相应，该分析类 型使用模态分析的结果、连同已知谱，计算每个固有频率点在结构中发生的真实 位移和应力。 随机振动分析：随机振动分析是一种谱分析，用于研究结构对随机激励的响 应，如由喷气发动机和火箭引擎产生的那些激励。 a n s y s 结构非线性分析，在静态和瞬态分析中，a n s y s 程序可考虑多种非 线性的影响，这些非线性可分为三类：材料、几何非线性和状态变化。 材料非线性分析：可模拟各种非线性材料的性质。用非线性应力一应变关系 表征的塑性、多线性、弹性、蠕变、膨胀、粘弹性。非线性材料性质用n e w t o n - - r a p h o n 方法解决。 几何非线性分析：可以解决几何非线性问题例如：大应变、大变形、应力刚 化和旋转软化。 状态变化：许多普通结果表现出一种与状态相关的非线性行为。 1 4 课题研究目的与主要研究内容 1 4 1 本课题的研究目的 本课题对兰州机床厂生产的c k 5 1 1 6 型立式数控车床的横梁部分进行有限元分 析及优化设计。采用动态参数化设计的思想，对数控立式车床的横梁结构进行系 统的动力学分析和仿真，分析、预测横梁结构的静动态特性，尤其是分析结构的 4 硕+ 学位论文 模态特征以提高横梁结构的动态性能。在理论分析的基础上，通过有限元分析和 实体虚拟仿真，获得与横梁结构相一致的动力学特性，得到横梁结构在加工要求 条件下的变形图，给出直观生动的变形量：并求出横梁结构的前十阶模态振型及固 有频率。最后，根据前期分析的结果，提出并确定改进的方案。 通过这项工作以期达到提高该床身动静态特性的目的，即提高该型号立式车 床的抗振性和稳定性，从而提高加工精度、加工质量和切削效率，增加其使用寿 命，适用范围，挖掘更大的市场潜力。同时，提出的一些改进横梁结构的合理方 案，可以为数控立式车床横梁的设计提供一定的理论指导，对于数控立式车床方 案的确定、优化设计以及制造过程发挥着关键的作用。 1 4 2 本课题的研究内容 ( 1 ) 通过对c k 5 1 1 6 数控立式车床横梁的系统分析，找到改进方案。在静力 分析的基础上，利用a n s y s 对横梁进行静刚度分析，得到横梁系统在切削力作 用下的变形图。为以后的优化分析提供有力的理论依据来源。 ( 2 ) 对横梁系统的固有频率、振型，和其在承受随时间按正弦规律变化载荷 时的稳态相应。同样也是为优化分析提供理论来源。 ( 3 ) 通过以上的分析，对横梁进行优化设计。由于以往的设计通常是经验设 计，必能找到节省材料，提高加工精度的设计。 1 5 本章小结 本章介绍力课题研究的国内外背景和意义，以及将用到的软件，最后提出了 课题研究的目的及主要内容。 5 数控立式乍床横梁的有限元分析及优化设计 第2 章c k 5 1 1 6 数控立式车床横梁的三维c a d 建 模 2 1c a d 的概念与特点 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 是2 0 世纪6 0 年代发展起 来的一门新兴的综合性计算机应用技术。计算机辅助设计技术是计算机科学与工 程科学之间的跨学科的综合性科学。计算机辅助设计是以设计者为主体，由设计 者利用计算机辅助设计系统的资源，对产品设计进行规划、分析、综合、模拟、 评价、修改、决策并形成工程文档的创造性活动。设计者的创新能力、想象力、 经验与直觉和计算机的高速运算能力、图形图像显示处理能力、信息检索处理能 力相互结合，综合运用多学科的相关技术完成问题求解、产品的设计及产品的描 述，极大地提高了设计的工作效率，为无图纸生产提供了前提和基础【1 4 l 。 计算机辅助设计为设计者提供了成功且有效地完成设计工作所需的各种资 源，包括建立设计对象的模型、实体设计与图形设计及图像显示、工程计算及优 化、功能模拟及运动模拟、产品设计所需的标准、规范及原材料的性能、工艺参 数等工程数据，数据交换标准、方法及工具，设计者与系统交互作业的用户接口。 计算机辅助设计的工作过程大致是：a 进行功能设计，选择合适的科学原理 或构造原理：b 进行产品结构的初步设计，产品的造型和外观的初步设计；c 从总 图派生出零件，对零件的造型、尺寸、色彩等进行详细设计，对零件进行有限元 分析，使结构及尺寸与应力相适应；d 对零件进行加工模拟，如注塑( 对塑料制 品) 、压铸( 对金属件) 、锻压或机械加工等过程进行模拟，从模拟过程中发现制 造中的问题，进而提出对零件设计的修改方案；e 对产品实施运动模拟或功能模 拟，对其性能做出评价、分析和优化，最终完成零件的结构设计。机械c a d 的 设计过程如图2 1 所示。 计算机辅助设计有如下主要特点【1 5 】： ( 1 ) 提高设计效率：减小工作人员的工作量和劳动强度，结构设计和工程制 图的速度大大提高。尤其对复杂零件的设计可以无级缩放、分级设计、缩短设计 周期、加速产品的更新换代、增强产品的市场竞争力。 ( 2 ) 提高设计质量：利用c a d 软件提供的优化技术和设计计算功能，有限 元分析及装配运动仿真技术，可以减少人为的设计误差，提高设计质量和产品的 可靠性。 ( 3 ) 利于成组设计：可以广泛采用通用件、标准件及标准设计流程。 ( 4 ) 修改设计方便：只需对已存储的图纸做局部修改就可成为新图，在某些 硕十学位论文 先进的辅助设计系统中，修改了装配图则零件图随之自动修改，反之亦然。 ( 5 ) 设计与分析统一：系统有一个描述产品模型的数据库，通过分析，设计 者可以预知产品的性能。 ( 6 ) 易于实现产品数据的标准化：企业的产品数据包括设计、图文、技术文 档等，标准化易于企业积累产品资源，易于继承历史的知识财富，方便产品数据 的存储、传递、转换和理解。 ( 7 ) 易于实现网络的协同设计：设计人员可以借助i n t e r n e t 在不同地点、不 同部门协同设计同一个产品。 ( 8 ) 无图纸化生产的前提：提供c a m 或c i m s 基础数据。 ( 9 ) 为实现p l m 系统提供基础：c a d 技术是产品生命周期管理( p r o d u c t l i f e c y c l em a n a g e m e n t ，p l m ) 的基础，p l m 功能之一即是管理c a d 的数据。 图2 1 机械c a d 设计过程 7 数控立式车床横梁的有限元分析及优化没计 2 2 c k 5 116 数控立式车床 本文所研究的c k 5 1 1 6 型车床是兰州机床厂设计制造的最大车削直径为 1 6 0 0 m m 数控立式车床，车床实物如图2 2 所示。 囊一 【 雾 ；够 ：耘一 ，一琵绷幽 。：溺 酚，”4 圈：耘一 。翰蹈滋缓缓砝，摩 。稳 ；瞄 隧嬲 l 一 ! 霸巴j雾” 。 飞一 霪 一一 一。，。；f r 圈2 20 k 5 1 16 型数控立式车床 2 2 1 结构特点 ( 1 ) 本机床是一种多用途的, 4 z n 车削设备，适用于各类机械加工行业，可进 行内外圆柱面、内外圆锥面、圆弧、公制、英制、径节制、模数制螺纹等。 ( 2 ) 立柱采用对称性结构，座落式安装，型腔不清砂，抗振、吸振能力强、热 稳定好。 ( 3 ) 立柱与工作台结合面充填固化胶，隔热、隔振。 ( 4 ) 横梁采用对称性结构，带分级定位机构，可实现最大行程范围内任意位 置准停；横梁采用具备自锁功能的机械、液压联锁夹紧机构，夹紧安全可靠。 ( 5 ) 主轴采用短主轴形式，径向采用高精度双列向心短圆柱滚子轴承，轴向 采用大型推力球轴承作为滚动导轨，工作台旋转精度高，整机承载能力强。 ( 6 ) 刀架横向移动采用直线导轨，滑枕移动采用滚动导轨块。定位精度高， 精度保持性好。 ( 7 ) 横梁升降采用双丝杆驱动，运行平稳可靠。 ( 8 ) 机床主传动采用自动循环润滑方式，设有流量发讯报警器；其它部件采 用间隙式定时、定量强制润滑方式，并设有多种监视装置，润滑安全、可靠。 8 硕十学位论文 ( 9 ) 切削功率大，加工效率高。 ( 1 0 ) 机床铸件采用优质树脂砂铸造工艺，铸件品质高，确保了机床主要件 具有低变形，高稳定的性能。 ( 11 ) 机床设有数控系统配置及附件配置供用户选择。 2 2 2 主要配置 ( 1 ) 系统配置：本机床采用西门子8 0 2 ds l ( 或华中世纪星h n c 2 1 t ) ；主轴编 码器采用西门子主轴编码器。 ( 2 ) 传动件：滚珠丝杠6 3 1 0 6 ( x 向) 、5 0 0 5 6 ( z 向) 。汉江机床有限公司。 ( 3 ) 直线导轨：h j g dd a 6 5 c 。汉江机床有限公司。 ( 4 ) 滚动块：3 0 7 0 b 。汉江机床有限公司。 ( 5 ) 主轴轴承及主要部件轴承：哈尔滨轴承有限公司可瓦房店轴承有限公司， 还可根据用户要求进行配置。 ( 6 ) 滚珠丝杠轴承：采用洛阳机床研究所滚珠丝杠专用轴承。 ( 7 ) 润滑：采用间隙润滑泵对直线导轨、滚珠丝杠及滚动块等滑动部位进行自 动润滑。所用元件为浙江流遍机械润滑有限公司提供。 ( 8 ) 液压系统：机床横梁夹紧采用液压夹紧，液压站生产厂为：浙江流遍机械 润滑有限公司。 ( 9 ) 减速机：德国进口z f k u o p l a n2 k 3 0 0 双速齿轮箱。 ( 1 0 ) 四爪卡盘：呼和浩特机床附件总厂。 ( 11 ) 排屑装置。 ( 1 2 ) 冷却装置。 2 2 3 主要技术参数 该机床的主要技术参数如表2 1 所示： 表2 1c k 5 11 6 数控立式车床的主要技术参数 序号内容单位参数 1 工作台直径m m 1 2 5 0 2 工件最大车削直径 m m 1 6 0 0 3工件最大高度m m1 0 0 0 4工件最大重量t5 5工作台最大扭矩n m1 1 7 0 0 0 6 垂直刀架最大切削力 k n2 0 7 刀架和滑枕进给量范围 m m m i no 1 2 0 0 0 8刀架快速移动速度 m m m i n 9 0 0 0 9 数控立式车床横梁的有限元分析及优化设计 9刀架水平移动行程m m9 5 0 1 0刀架滑枕移动行程m m1 0 0 0 3 1 5 - - 9 3 2 ( 恒扭矩) 1 1工作台转速范围 r m i n 2 3 3 - - 一3 7 2 ( 恒功率) 1 2垂直刀架进给量范围 m m m i no 1 1 0 0 0 1 3分级定位级数1 0 级 1 4横梁最大行程m m1 0 0 0 1 5横梁升降速度 m m m i n8 2 2 1 6刀 杆截 面m m3 2 3 2 1 7进给电机扭矩n m 3 6 ( z 轴) ；2 7 ( x 轴) 1 8主电 机 功 率k w 3 0 1 9横梁升降电机k w5 5 2 0 机床总重量 t 2 7 2 2 4 横梁结构建模 c k 5 1 1 6 数控立式车床横梁为铸造后切削加工得到，高7 7 0 m m 、长2 8 4 0 m m 、宽 3 5 0 m m ，顶板厚4 0 m m ，底板厚4 0 m m ，左右侧板壁厚3 5 m m ，后侧壁厚3 5 m m ，总重 3 7 5 6 k g ；横梁采用长方形中空结构，导轨布置在另一侧，筋板前壁厚3 5 m m ，后壁 厚2 5 m m ，横向壁厚为2 5 m m ；采用丝杠与立柱相连。 本文依据兰州机床厂设计的二维图纸，用p r o e n g i n e e r 对其进行三维造型设 计，得到车床横梁的c a d 模型如图2 3 一图2 5 所示。 图2 3 横梁的实体模型 1 0 硕士学位论文 图2 4 横梁的实体模型剖视图1 翟”删矽一彬一” j ： 图2 5 横梁实体模型剖视图2 ”搿”7 蟹第”野缨 “0 v l ? t 2 3 本章小结 本章运用p r o e 软件建造了c k 5 1 1 6 型数控立式车床横梁的c a d 模型，实 t ? - f 在虚拟环境中c k 5 1 1 6 车床横梁的三维建模，为横梁的有限元模型的建立， 静力学分析、模态分析、谐响应分析和结构优化做好了准备。 锄驾：嚏； 秽缁哪移 一 姚w喇 黟 獬 璐努蛳 黟 一 隰