三坐标数控龙门铣床床身减重设计研究及限元分析

毕业设计论文课题名称 龙门铣床有限元分析 学 院 机械学院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 年 月 日引言龙门铣床简称龙门铣，是具有门式框架和卧式长床身的铣床。龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都比较高，适用于在成批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。龙门铣床的外形与龙门刨床相似，区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀刀架而是带有主轴箱的铣刀架，并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动，而是进给运动，而铣刀的旋转运动是主运动。龙门铣床是用途广泛的重型机床，主要用于钢铁、能源、化工、桥梁、铁路、汽车、军工、模具及机床行业的大型金属零件的各种平面铣削：如水平面、垂直面、斜面及各种平面组成的导轨面。如对机床进行变型设计，还可以设计成带镗削功能的龙门镗铣床，在横梁上配上磨头还可以进行零件的磨削加工。本机床具有如下特点：、独特的横梁升降系统设有必要的安全连锁装置，以保证机床的运行安全，稳定性以及重复定位精度。、立铣头在横梁上的移动、侧铣头在立柱上上下移动均采用变频无级调速，有利于选取合理的切削参数，使用较方便。、工作台工作进给由伺服电机控制，调速范围更宽可以满足所有的铣削要求，并且按钮站上还设有手动脉冲发生器可以精度对刀实现微米级的铣削精度。AbstractLongmen milling machine referred to Longmen milling, milling machine with portal frame and the horizontal length of the bed. Longmen milling machine can simultaneously process the surface with multiple cutters, the machining precision and the production efficiency is higher, suitable for processing large workpiece in batch and mass production of the plane and inclined plane. Longmen CNC milling machine processing can also be space curved surface and some special parts.Longmen milling machine appearance with Longmen planer is similar, the difference lies in the cutter frame which is arranged on the cross beam and the column planer tool but not with the main spindle box, and the reciprocating motion of a longitudinal worktable Longmen milling machine is not the main motion, but the feed movement, but the rotary motion is the main movement of milling cutter.Longmen heavy duty machine tool milling machine is widely used, mainly used for various planar milling large metal parts of iron and steel, energy, chemical, bridge, railway, automobile, military industry, mold and machine tool industry: such as rail horizontal plane, inclined plane, and a variety of composition of the surface. As for the variant design of machine tool, Longmen boring and milling machine can also be designed with boring function, grinding on the beam with the grinding head can also be used for parts.This machine has the following characteristics:First, the unique lifting beams system is provided with a safety interlocking device necessary, to ensure the safe operation of the machine, the stability and repeatability of positioning accuracy.II, vertical milling head on the beam, side milling head moving up and down on the column mobile adopts frequency conversion stepless speed regulation, is conducive to the cutting parameter selection is reasonable, the use is more convenient.Third, worktable feed is controlled by a servo motor, a wide speed range and can meet the requirements of all the milling, and button station is also provided with a manual pulse generator can realize precision cutter milling micron.目录一，龙门铣床的介绍和课题背景二，龙门铣床的与应用三，本课题研究内容介绍3.1龙门铣床结构简介3.2机身重量的影响因素四，机身机构优化4.1有限元介绍4.2龙门铣床模型建立4.3有限元分析 4.3.1模型导入 4.3.2模型特性定义 4.3.3网格划分 4.3.4工况条件 4.3.5解析4.4结构优化 4.4.1模型重量优化 4.4.2优化后的解析4.5结果比对五，总结六，参考文献一，龙门铣床的介绍和课题背景龙门铣床简称龙门铣，是具有门式框架和卧式长床身的铣床。龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都比较高，适用于在成批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。龙门铣床的外形与龙门刨床相似，区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀刀架而是带有主轴箱的铣刀架，并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动，而是进给运动，而铣刀的旋转运动是主运动。龙门铣床简称龙门铣，是具有门式框架和卧式长床身的铣床。龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都比较高，适用于在成批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。龙门铣床的外形与龙门刨床相似，区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀刀架而是带有主轴箱的铣刀架，并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动，而是进给运动，而铣刀的旋转运动是主运动。龙门铣床是用途广泛的重型机床，主要用于钢铁、能源、化工、桥梁、铁路、汽车、军工、模具及机床行业的大型金属零件的各种平面铣削：如水平面、垂直面、斜面及各种平面组成的导轨面。如对机床进行变型设计，还可以设计成带镗削功能的龙门镗铣床，在横梁上配上磨头还可以进行零件的磨削加工。二，龙门铣床的与应用龙门铣床是用途广泛的重型机床，主要用于钢铁、能源、化工、桥梁、铁路、汽车、军工、模具及机床行业的大型金属零件的各种平面铣削：如水平面、垂直面、斜面及各种平面组成的导轨面。如对机床进行变型设计，还可以设计成带镗削功能的龙门镗铣床，在横梁上配上磨头还可以进行零件的磨削加工。龙门铣床简称龙门铣，是具有门式框架和卧式长床身的铣床。龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都比较高，适用于在成批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。龙门铣床的外形与龙门刨床相似，区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀刀架而是带有主轴箱的铣刀架，并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动，而是进给运动，而铣刀的旋转运动是主运动。龙门铣床是用途广泛的重型机床，主要用于钢铁、能源、化工、桥梁、铁路、汽车、军工、模具及机床行业的大型金属零件的各种平面铣削：如水平面、垂直面、斜面及各种平面组成的导轨面。如对机床进行变型设计，还可以设计成带镗削功能的龙门镗铣床，在横梁上配上磨头还可以进行零件的磨削加工。本机床具有如下特点：、独特的横梁升降系统设有必要的安全连锁装置，以保证机床的运行安全，稳定性以及重复定位精度。、立铣头在横梁上的移动、侧铣头在立柱上上下移动均采用变频无级调速，有利于选取合理的切削参数，使用较方便。、工作台工作进给由伺服电机控制，调速范围更宽可以满足所有的铣削要求，并且按钮站上还设有手动脉冲发生器可以精度对刀实现微米级的铣削精度。、工作台导轨采用独立手动泵润滑，主丝杠采用独立的自动润滑系统，横梁立柱导轨及横梁立柱丝杆采用手动润滑，整机具有良好的减磨润滑性能。、电器控制采用美国先进技术由交流伺服控制器控制，其机电一体化程度很高。减轻了体力提高了效率。三，本课题研究内容介绍3.1龙门铣床结构简介定义龙门铣床简称龙门铣，是具有门式框架和卧式长床身的铣床。龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都比较高，适用于在成批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。龙门铣床是用途广泛的重型机床，主要用于钢铁、能源、化工、桥梁、铁路、汽车、军工、模具及机床行业的大型金属零件的各种平面铣削：如水平面、垂直面、斜面及各种平面组成的导轨面。如对机床进行变型设计，还可以设计成带镗削功能的龙门镗铣床，在横梁上配上磨头还可以进行零件的磨削加工。本机床具有如下特点：独特的横梁升降系统设有必要的安全连锁装置，以保证机床的运行安全，稳定性以及重复定位精度。立铣头在横梁上的移动、侧铣头在立柱上上下移动均采用变频无级调速，有利于选取合理的切削参数，使用较方便。工作台工作进给由伺服电机控制，调速范围更宽可以满足所有的铣削要求，并且按钮站上还设有手动脉冲发生器可以精度对刀实现微米级的铣削精度。工作台导轨采用独立手动泵润滑，主丝杠采用独立的自动润滑系统，横梁立柱导轨及横梁立柱丝杆采用手动润滑，整机具有良好的减磨润滑性能。电器控制采用美国先进技术由交流伺服控制器控制，其机电一体化程度很高。减轻了体力提高了效率。区别龙门铣床的外形与龙门刨床相似，区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀刀架而是带有主轴箱的铣刀架，并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动，而是进给运动，而铣刀的旋转运动是主运动。结构龙门铣床由门式框架、床身工作台和电气控制系统构成。门式框架由立柱和顶梁构成，中间还有横梁。横梁可沿两立柱导轨作升降运动。横梁上有12个带垂直主轴的铣头，可沿横梁导轨作横向运动。两立柱上还可分别安装一个带有水平主轴的铣头，它可沿立柱导轨作升降运动。这些铣头可同时加工几个表面。每个铣头都具有单独的电动机（功率最大可达150千瓦）、变速机构、操纵机构和主轴部件等。龙门铣床是用途广泛的重型机床，主要用于钢铁、能源、化工、桥梁、铁路、汽车、军工、模具及机床行业的大型金属零件的各种平面铣削：如水平面、垂直面、斜面及各种平面组成的导轨面。如对机床进行变型设计，还可以设计成带镗削功能的龙门镗铣床，在横梁上配上磨头还可以进行零件的磨削加工。本机床具有如下特点：、独特的横梁升降系统设有必要的安全连锁装置，以保证机床的运行安全，稳定性以及重复定位精度。立铣头在横梁上的移动、侧铣头在立柱上上下移动均采用变频无级调速，有利于选取合理的切削参数，使用较方便。工作台工作进给由伺服电机控制，调速范围更宽可以满足所有的铣削要求，并且按钮站上还设有手动脉冲发生器可以精度对刀实现微米级的铣削精度。工作台导轨采用独立手动泵润滑，主丝杠采用独立的自动润滑系统，横梁立柱导轨及横梁立柱丝杆采用手动润滑，整机具有良好的减磨润滑性能。电器控制采用美国先进技术由交流伺服控制器控制，其机电一体化程度很高。减轻了体力提高了效率。卧式长床身上架设有可移动的工作台，并覆有护罩。加工时，工件安装在工作台上并随之作纵向进给运动。龙门铣床还有一些变型以适应不同的加工对象。龙门镗铣床：横梁上装有可铣可镗的铣镗头，其主轴（套筒或滑枕）能作轴向机动进给并有运动微调装置,微调速度可低至5毫米/分。可进行镗孔及铣削作业。龙门钻铣床：横梁上装有动力头，通过接杆装钻头或铣刀，可完成钻孔及铣削作业。龙门铣床床身上装设有X轴导轨，龙门铣床工作台跨越紧固在该床身上。工作台上方活动跨越架设有龙门架，龙门架还包括有：龙门架拖板，龙门架拖板活动夹持于该X轴导轨上。Z轴导轨，装设于龙门架上。横梁，该横梁装设有一Z轴拖板，横梁通过该Z轴拖板而活动夹持于该Z轴导轨上，横梁上还装设有Y轴导轨。铣削装置，龙门铣床铣削装置活动装设于该Y轴导轨上，使该龙门架在数控电路控制系统的控制下，作X、Y、Z三轴的立体空间铣削加工。该数控龙门铣床具有高精度的铣、钻、镗、削等操作。主参数龙门铣床的主参数为工作台面宽度，也有以龙门宽度为参数的。如型号为SK2015-3的数控龙门铣，指龙门宽度为1.5米，工作台长度为3米，换句话说，就是能加工1.5宽，3米长的工件。2种类编辑龙门铣床是用途广泛的重型机床，主要用于钢铁、能源、化工、桥梁、铁路、汽车、军工、模具及机床行业的大型金属零件的各种平面铣削：如水平面、垂直面、斜面及各种平面组成的导轨面。如对机床进行变型设计，还可以设计成带镗削功能的龙门镗铣床，在横梁上配上磨头还可以进行零件的磨削加工。本机床具有如下特点：、独特的横梁升降系统设有必要的安全连锁装置，以保证机床的运行安全，稳定性以及重复定位精度。、立铣头在横梁上的移动、侧铣头在立柱上上下移动均采用变频无级调速，有利于选取合理的切削参数，使用较方便。、工作台工作进给由伺服电机控制，调速范围更宽可以满足所有的铣削要求，并且按钮站上还设有手动脉冲发生器可以精度对刀实现微米级的铣削精度。、工作台导轨采用独立手动泵润滑，主丝杠采用独立的自动润滑系统，横梁立柱导轨及横梁立柱丝杆采用手动润滑，整机具有良好的减磨润滑性能。、电器控制采用美国先进技术由交流伺服控制器控制，其机电一体化程度很高。减轻了体力提高了效率。形式划分按龙门架是否移动，分为龙门固定工作台移动式（约占90%以上）意大利因赛桥式龙门铣和龙门移动式（又称桥式）。桥式龙门铣的特点是占地面积小，承载能力大，龙门架行程可达20米，便于加工特长或特重的工件。按横梁是否在立柱上运动，分为动梁式和定梁式两种；横梁在高架床身上移动称为高架式。系统划分分为普通型和数控型，还有厂家开发出普通铣和数控铣一键式转换的数字智能化龙门铣，更为灵活实用。能力划分分为轻型、中型和重型（超重型）龙门铣。 3性能特点编辑龙门铣床具有足够的刚性，效率高，操作方便，结构简单，性能全面性等特点。其具体的性能特点根据种类、型号以及厂家各有不同，与所采用的技术有很大关系。以之前提到的SK系列三轴数控龙门铣为例，其性能特点在于：1.立铣头配置TX400重型龙门铣头，双矩形导轨，刚性强；2. 铣头装滚珠丝杠、气动拉刀装置、有伺服电机驱动；3. 侧铣头配置V5型龙门铣头，加装独立润滑装置，升降由普通减速机传动，变频调速；4. 普铣/数控铣一键式转换三轴数控系统，即可编程操作又能利用扩展面板手动操作，在实际机械加工过程中实现性极强；5. 床身进退、横梁上下、立铣头上下均配台湾滚珠丝杠，由伺服电机驱动；6. 配同步带、同步轮；7. 手持式电子手轮单元，方便三轴对刀；8. 独特的横梁升降安全连锁装置，保证机床的重复定位精度；9.台标摆线泵组连续润滑，故障率低。3.2机身重量的影响因素机身重量会影响铣床工作的稳定性，灵活性。也会增加制造工艺复杂程度和加工成本。所以对机身重量的研究至关重要。四，机身机构优化4.1有限元介绍在数学中，有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的部分，这种简单部分就称作有限元。它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。在数学中，有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的部分，这种简单部分就称作有限元。它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。4.2龙门铣床模型建立本设计中模型参考现有龙门铣床建立。重点部分为机身，工作部分，钻头部分，也就是受力部分，为后续做分析做模型基础。建模如下图所示1，机架2，电机3，转动头4，工作板面4.3有限元分析 4.3.1模型导入1ANSYS与Solidworks之间的数据转换使用ANSYS进行有限元分析时，技术人员在进行三维模型的建立过程中耗费了大量的时间与精力。由于ANSYS自带的建模功能非常有限，只能建立一些结构简单的模型。随着ANSYS的应用日益广泛，在很多时候需要对非常复杂的模型进行有限元模型的建立，其需要处理的模型也越来越复杂，ANSYS自带的建模功能显出很多的不足之处。Solidworks作为一款三维CAD软件，其拥有强大的参数化建模能力，可以建立非常复杂的实体模型。因此，如果充分利用Solidworks快速准确建模的特长，把在Solidworks建立好的模型导入到ANSYS中进行分析就可以很好地解决ANSYS建模能力的不足。现在，大多数的技术人员都是利用三维CAD软件建模，通过ANSYS与三维CAD软件之间的图形接口将建立好的模型导入到ANSYS。了解ANSYS与Solidworks之间的导入接口，能有效提高模型质量，简化分析工作，对CAE分析人员有着非常重要的意义。将模型导入ansys软件，如下图所示：进入ansys界面，在model模块中，点击geometry拖进project schematic界面，然后在analysis systems中点击static structural模块，将其拖到刚刚创建的geometry模块上。 4.3.2模型特性定义进入分析模块界面，如下图所示首先对模型进行材质定义，点击model，弹出界面，如下，在assignment框后面选择structural steel。结构钢，点击确认，对材料成功赋予材质。如下图 4.3.3网格划分使用ANSYS进行有限元分析时，技术人员在进行三维模型的建立过程中耗费了大量的时间与精力。由于ANSYS自带的建模功能非常有限，只能建立一些结构简单的模型。随着ANSYS的应用日益广泛，在很多时候需要对非常复杂的模型进行有限元模型的建立，其需要处理的模型也越来越复杂，ANSYS自带的建模功能显出很多的不足之处。Solidworks作为一款三维CAD软件，其拥有强大的参数化建模能力，可以建立非常复杂的实体模型。因此，如果充分利用Solidworks快速准确建模的特长，把在Solidworks建立好的模型导入到ANSYS中进行分析就可以很好地解决ANSYS建模能力的不足。现在，大多数的技术人员都是利用三维CAD软件建模，通过ANSYS与三维CAD软件之间的图形接口将建立好的模型导入到ANSYS。了解ANSYS与Solidworks之间的导入接口，能有效提高模型质量，简化分析工作，对CAE分析人员有着非常重要的意义。众所周知，对于有限元分析来说，网格划分是其中最关键的一个步骤，网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度。在ANSYS中，大家知道，网格划分有三个步骤：定义单元属性（包括实常数）、在几何模型上定义网格属性、划分网格。在这里，我们仅对网格划分这个步骤所涉及到的一些问题，尤其是与复杂模型相关的一些问题作简要阐述。自由网格划分自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术之一，它在面上（平面、曲面）可以自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四面体网格。通常情况下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技术（SMARTSIZE命令）来自动控制网格的大小和疏密分布，也可进行人工设置网格的大小（AESIZE、LESIZE、KESIZE、ESIZE等系列命令）并控制疏密分布以及选择分网算法等（MOPT命令）。点击工程对话框的mesh选项，并设置relvence选项值为100，这样可以得到较高的网格区域，右击，点击mesh，软件自动进行网格划分。互粉成功后如下图所示 4.3.4工况条件对模型进行工况设置，包括固定部分和受力部分。点击supports下的fixed support定义固定载荷，本模型中，设定地面为固定。如下图设置受力载荷，由于西铣床在工作过程中，受到与钻头相反方向的力，为向上和向后的力。可以在铣床支架上定义两个分力，分别为向上和向后。如下图所示： 4.3.5解析对于某些结构，从概念的角度看，可以认为它是几何不变的稳定体系。但如果结构相近的几个主要构件刚度相差悬殊，在数值计算中就可能导致数值计算的较大误差，严重的可能会导致结构的几何可变性忽略小刚度构件的刚度贡献。如出现上述的结构，要分析它，就得降低刚度很大的构件单元的刚度，可以加细网格划分，或着改用高阶单元（BEAM-SHELL,SHELL-SOLID)。构件的连接形式（刚接或铰接）等也可能影响到结构的刚度。充分利用ANSYS MAP分网和SWEEP分网技术，尽可能获得六面体网格，这一方面减小解题规模，另一方面提高计算精度。工况条件设置完毕可以进行解析，点击solve按钮，软件进入解析状态。如下图解析最终结果包括应力，应变，位移。如下图红色部分代表最大的值。由彩虹图可以看出每一部分的值，也可以通过软件设定，看任何部位的分析结果应力张量如右图所示，P为直角坐标系0XYZ中一变形体内的任意点，在此点附近切取一个各平面都平行于坐标平面的六面体。此六面体上三个互相垂直的三个平面上的应力分量即可表示该点的应力状态1。为规定应力分量的正负号，首先假设：法向与坐标轴正向一致的面为正面；与坐 标轴负向一致的面为负面。进而规定：正面上指向坐标轴正向的应力为正，反之为负； 负面上指向坐标轴负向的应力为正，反之为负。三个正面上共有九个应力分量（包括三个正应力和六个切应力）。此九个应力分量可写成如下矩阵形式：应力分量的第一个下标表示作用平面的法向；第二个下标表示应力作用的方向。正应力的两个下标是一样的，故用一个下标简写之。由于切应力互等定理，上列矩阵中对角的切应力是相等的，即：xy=yx, yz=zy, zx=xz。因此，此矩阵为对称矩阵，九个应力分量中六个应力分量是独立的。主应力如果作用在某一截面上的全应力和这一截面垂直，即该截面上只有正应力，切应力为零，则这一截面称为主平面，其法线方向称为应力主方向或应力主轴，其上的应力称为主应力。如果三个坐标轴方向都是主方向，则称这一坐标系为主坐标系。应力张量不变量在求解主应力的过程中会得到以主应力为未知数的三次方程，叫做状态方程2。状态方程的三个系数唯一由主应力确定，而一点的主应力是唯一的，这样就得到了不随坐标变化的三个量，叫作应力张量不变量用一般应力表示为红色部分代表最大的值。由彩虹图可以看出每一部分的值，也可以通过软件设定，看任何部位的