数控机床立柱的CAD-cam设计

数控机床立柱的 CAD CAM 设计 目录 摘 要 I 第一章 绪论 1 1 1 课题背景及研究的意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 国外研究现状 2 1 2 2 国内研究现状 3 1 3 机床设计的发展现状 4 1 3 1 机床设计发展的几个阶段 4 1 3 2 现代机床设计思想 5 1 3 3 机床设计思想的新发展 6 1 4 研究设计主要内容 6 第二章 数控机床立柱优化设计 7 2 1 优化设计概况 7 2 2 优化设计理论基础 8 2 3 利用有限元法进行优化设计的步骤 9 2 4 有限元优化程序基本步骤 11 2 5 选择优化工具 12 2 6 查看设计序列结果 13 2 7 立柱受力分析 15 2 8 立柱模型的几种肋板布置方式 16 2 9 最终设计方案及验证 17 2 10 立柱的参数化建模 18 第三章 数控机床立柱的三维 CAD 建模 19 3 1 CAD 的概念与特点 19 3 2 三维几何造型方法 20 3 3 立柱结构概述与建模 21 3 3 1 立柱的结构概述 21 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 3 3 2 立柱的建模 21 3 3 3 立柱配套零件的建模 31 第四章 零件的加工 42 4 1 零件的数控工艺分析 42 4 2 加工路线的制定 42 4 3 刀具的选择 43 4 4 切削用量的选择 43 4 5 数控程序编制 44 4 5 1 工件坐标系的设置 44 4 5 3UG 对链轮轴的加工步骤及示意图 44 4 5 4 编写程序 45 4 5 5 斯沃加工仿真 45 第五章 总结与展望 48 参考文献 49 致 谢 50 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 I 摘 要 随着机械工程技术的发展 装备制造 交通运输 石油化工 航空航天及国防军 工等对数控机床的需要越来越大 要求也显著提高 为了保证机床具有良好的静动刚 度 动态特性 精度保持性及加工工艺性 降低成本获得较高的经济效益 需要在机 床的设计过程中 对机床的结构进行动力学仿真 以便能准确的发现薄弱环节 实现 机床结构的动态设计和优化 立柱作为弹性系统的元素之一 它直接影响零件表面成 形运动轨迹的准确性 因此它的静动态性能将直接影响零件的加工精度 表面质量和 车床的生产率 本文以数控立式车床的立柱为研究对象 研究其结构的静动态特性和 提高其抗振性和稳定性的主要方法 对数控立式车床的立柱结构进行实体建模的基础 上 对其进行了分析 找出立柱结构的薄弱环节 确定需要改进的地方 针对分析得 出的结论 在分析软件中对数控立式车床的立柱结构进行了参数化建模 然后在保证 其精度要求和动态特性条件下 本着提高经济效益 节约成本的目的 对其进行针对 性的结构优化 并对优化方案进行了比较验证 关键词 立式车床 立柱 结构分析 优化设计 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 II Abstract With the development of mechanical engineering technology equipment manufacturing transportation petrochemical aerospace and national defense and war on the increasing need for CNC machine tools requirements are also significantly increased To ensure the machine has a good dynamic and static stiffness dynamic performance precision and processing of retention lower cost higher economic benefits need to machine design process the structure of the machine dynamics simulation in order to accurately identify areas of weakness Column as the elastic element of the system which directly affect the part surface forming trajectory accuracy SO it s static and dynamic performance will directly affect the machining accuracy surface quality and productivity of lathes Thisarticle Vertical Lathe column for the study to study the structure of static and dynamic characteristics and improve its anti vibration and stability of the main method through the analysis was the column structure to harmonic displacement under the effect of cutting force frequency curve in order to study its static and dynamic characteristics identify the weak links column structure determine the need for improvement Finite element analysis for the conclusion in the ANSYS engineering analysis software on Vertical Lathe column vertical structure of the parametric modeling and then ensure its accuracy and dynamic characteristics of conditions in line with improving economic efficiency The purpose of cost savings their conduct targeted optimization and optimization schemes are compared verify Keywords Vertical Lathe Vertical prop structure analysis Optimize design 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 III 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 1 第一章 绪论 1 1 课题背景及研究的意义 当今世界 工业发达国家对机床工业高度重视 竞相发展机电一体化 高精 高效 高自动化先进机床 以加速工业和国民经济的发展 长期以来 欧 美 亚在国际市 场上相互展开激烈竞争 已形成一条无形战线 特别是随着微电子 计算机技术的进 步 数控机床在20世纪80年代以后加速发展 各方用户提出更多需求 四大国际机床 展早已成为各国机床制造商竞相展示先进技术 争夺用户 扩大市场的焦点 中国加 入WTO后 正式参与世界市场激烈竞争 今后如何加强机床工业实力 加速数控机床产 业发展 实是紧迫而又艰巨的任务 1 随着世界科技进步和机床工业的发展 数控机床作为机床工业的主流产品 已成为实 现装备制造业现代化的关键设备 是国防军工装备发展的战略物资 数控机床的拥有 量及其性能水平的高低 是衡量一个国家综合实力的重要标志 加快发展数控机床产 业也是我国装备制造业发展的现实要求 根据中国机床工具工业协会组织用户调查表 明 航天航空 国防军工制造业需要大型 高速 精密 多轴 高效数控机床 汽车 摩托车 家电制造业需求高效 高可靠性 高自动化的数控机床和成套柔性生产线 电站设备 造船 冶金石化设备 轨道交通设备制造业需求高精度 重型为特征的数 控机床 IT业 生物工程等高技术产业需求纳米级亚微米级超精密加工数控机床 工 程机械 农业机械等传统制造行业的产业升级 特别是民营企业的蓬勃发展 需要大 量数控机床进行装备 当今数控机床的发展 除了要求机床重量轻 成本低 使用 2 方便和具有良好工艺可能性外 还着重要求机床具有愈来愈高的加工性能 随着现代 数控机床日益向着高速化 高性能 高精度方向发展 传统的设计方法己无法满足数 控机床发展的要求 数控机床床属于大型机械设备 在整个机床的各个组成部分中 机床立柱是一个 极其重要的大件 它起着支撑工件和连接工作台 床身等关键零部件的作用 数控机 床立柱结构的设计尺寸和布局形式 决定了其本身的各个动态特性 往往由于立柱结 构设计不合理 导致立柱的刚度不足 产生各种变形 振动 加工时刀具与工件间产生 相对变形和振动 也使零件加工精度降低 立式车床用于加工径向尺寸大而轴向尺寸 相对较小 形状复杂的大型和重型工件 如各种盘 轮和套类工件的圆柱面 端面 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 2 圆锥面 圆柱孔 圆锥孔等 亦可借助附加装置进行车螺纹 车球面 仿形 铣削和 磨削等加工 与卧式车床相比 立式车床主轴轴线为垂直布局 工作台台面处于水平 平面内 因此工件的夹装与找正比较方便 这种布局减轻了主轴及轴承的荷载 因此 立式车床能够较长期的保持工作精度 大量加工实践证明 将卧式车床立起来使用 变 成了立式车床 反倒显示出了更多的优越性 如占地面积小 排屑更加方便 承载能力 增加等 同时立式车床还具有很好的主轴旋转精度和较强的切削能力 更加有利于实 现生产的自动化 所以对立式车床的使用和需求也越来越多 立柱是数控立式车床重 要结构部件之一 其结构特性对立式车床的性能影响很大 主要体现在加工精度 抗 振性 切削效率 使用寿命等方面 因此 立柱结构的静 动态性能是决定整机性能 的重要因素之一 由于立柱结构形状较复杂 采用一般方法对其进行静 动态特性计 算比较困难 如何对立柱等部件进行精确 合理 科学可行的计算 是机床结构设计 过程中需要迫切解决的重要课题 3 因此 在设计数控机床立柱结构时 考虑立柱的动态特性显得尤为重要 针对这些因 素 有必要对数控机床的立柱部分进行结构优化 本课题对数控机床的立柱部分进行 优化设计有重要的实际意义 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 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 Optimal synthesis ofcompliantmechanisms using subdivision and commercial FEA 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 床身结构设计的各个阶段均有结构 分析的参与 床身结构分析贯穿了整个设计过程 这样确定的床身结构设计方案 基 本就是定型方案 4 2 结构优化的思想被用于设计的各个阶段 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 3 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 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 5 随着工业的发展 对数控机床的要求越来越高 在机床的设计中 需要对其组成部件 进行严密的分析与计算 车床床身等支承件的重量要占车床总重量的20 到30 因 此对支承件的单位重量刚度提出较高的要求 在重量轻的条件下 需保证支承件具有 足够的静刚度 所以对支承件材料的分布 支承件壁厚和开孔位置的合理性提出了要 求 有必要进行分析计算 1 2 2 国内研究现状 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 涉及内容很多 包括静力学 结构非线性分析 拓扑优化 模态分析 动力学分析等 目前有限元方法在机床结构设计中的应用主要有以下几个方面 6 1 静力学分析 这是对二维或者三维机床零件承载后的应力和应变的分析 是有限 元在机床设计中最基本 最常用的分析类型 2 模态分析 这是动力学分析的一种 用于研究结构的固有频率和各振型等振动特 性 进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷 3 谐响应分析和瞬态动力学分析 这两类分析也属于动力学分析 用于研究机床对 周期载荷和非周期载荷的动态响应 4 热应力分析 用于研究结构内部温度的分布 以及机床内部的热应力 5 接触分析 用于分析两个结构件接触时的接触面状态和法向力 7 国内的机床结构优化设计主要是应用在刚度和强度分析方面 广西大学陈文锋 毛汉 领 MXBS 1320型高速外圆磨床动态性能的试验研究 一文中 对MXBS 1320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 此外 还有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 份有限公司对内圆磨床M2120A床身结构进行有限元分析 得到床身前几阶的固有频率 和振型 分析床身的内部筋板布置对结构动态特性的影响 张海伟 利用动态实验分 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 4 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 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ANSYS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XK713数控铣床轴箱结构以减轻重量为目标进 行优化设计 通过优化设计及分析 主轴箱结构重量减轻了23 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ESO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 一文中 在确定精密机床床身合理结 构的基础上 利用ANSYS有限元软件提供的APDL参数化设计语言和优化设计方法 以床 身的肋板布置和肋板厚度为设计参数 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 8 1 3 机床设计的发展现状 1 3 1 机床设计发展的几个阶段 机床设计和其它机器设计一样 也经历了由静态分析向动态分析 由定性分析向 定量分析 由线性分析向非线性分析 由安全设计向优化设计 由手工计算向自动化 计算的发展过程 1 经验设计阶段 二十世纪40年代以前 因受当时理论水平和试验手段的限制 主要是用一些具有不同条件系数的经验公式进行计算 并辅以 类比法 来确定零部 件结构和尺寸 这种设计方法盲目性比较大 往往导致机床尺寸增加 重量偏大 特 别是为了保证某些动态性能 更会引起不应有的加大结构尺寸现象 2 理论分析计算与试验研究相结合的设计阶段 二十世纪40年代至60年代初期 它首先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 9 3 计算机辅助设计阶段 二十世纪60年代中后期以来 随着计算机的广泛应用和 先进测试技术的发展 使得在机床设计中可以主要利用分析计算法来计算机床的静态 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 5 和动态应力 变形等 机床设计思想的主要内容是 把实际问题简化为模型 根据提 供的数据和选定的目标函数 用计算机进行分析 计算并选定最佳方案 1 3 2 现代机床设计思想 本世纪初以来随着科学技术的飞速发展 对机床产品的质量要求越来越高 新材 科 新技术的应用也同时有了很大发展 国内外出现了许多新型设计理论和方法 这 些都使得现代机床设计思想进入了一个以试验研究及理论计算为基础的较高级阶段 研究设计程序 规律及设计思维和工作方法 不仅寻求产品本身的最佳化 还要实现 从产品设计到制造 试验 检验的全过程以至整个系统的最佳化 现代机床设计思想 是与现代科技发展相适应的一种先进的设计思想 其主要内容包括 9 1 设计对象系统化 把设计对象即机床产品视为一个系统不仅关注其组成单元要 素 还要考虑边界 环境和输入输出等特征 避免传统设计的那种局部 孤立地处理 问题 而是整体 系统地对待设计对象 这还有助于引入系统论 信息 论和控制论等现代科学理论 用系统观点进行全方位设计 2 设计内容完善化 现代机床设计思想已超出常规的运动设计 动力设计和结构 设计范畴 扩展到概念设计 可靠性设计和宜人性设计等更加完善的内容 使机床产 品实用 经济 美观及舒适 具有更强的竞争力 3 设计目标最优化 现代机床设计思想追求的是目标最优化 不仅是对某项设计 参数的单一目标优化 而且要对系统的诸多参数进行多目标的整体优化 利用计算机 求得理论上的精确解即最佳方案 使产品设计在各项技术性能 可靠性及经济性等方 面实现最优效果 4 设计问题模型化 简化模型是对设计问题的高度概括和抽象 数学模型是最适 于分析和研究的一种形式 通过数学模型就可把工程问题与数学理论紧密结合起来 借助计算机对设计问题进行定量运算和优化处理 并可应用动态设计和动态仿真等现 代设计技术 10 5 设计过程动态化 现代机床设计思想更加注重产品的动态性能 在设计阶段就 要对产品动态性能进行预测和优化 动态设计首先要建立系统的动力学数学模型 并 通过验算或实际测试加以验证 然后用计算机对模型进行动态分析 修改某项参数 比较相应结果 直至达到满意的动态性能 最后获得最优动态设计方案 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 6 6 设计手段计算机化 计算机辅助设计 CAD 已成为现代设计方法中必不可少的 设计手段和强大支柱 在初步设计阶段 可进行方案的分析 选择 评价和决策 在 技术设计阶段 可进行结构和参数确定 运动 动力或其他特性分析 材料选择 成 本计算 参数优化和绘图等工作 在工作图设计阶段 可绘制零件图 标注尺寸及公 差配合 编制 存贮和管理各种技术文件 1 3 3 机床设计思想的新发展 目前 世界先进制造技术不断兴起 超高速切削 超精密加工技术等技术的广泛 应用 柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟 对机床加工技术提出 了更高的要求 当今机床研究正朝着高速度高精度化 多功能化 智能化 数控编程 自动化等方向发展 其中 CAE 计算机辅助工程分析 融入机床设计整个过程 尤其是 设计阶段 是提升机床性能 加快机床研发过程的有效手段 10 1 4 研究设计主要内容 本设计主要是在 CK5116 数控立式车床立柱的基础上对其进行优化设计 提出自 己的方案 本设计的目标是让其在重量更加轻加工精度更加高的情况下还不影响其刚 度 在本设计中要对现有的立柱进行优化 达到自己预期的目标 在此基础上对其经 行二维三维绘图建模 并将其装配 最后完成验证 达到预期目的 1 立柱调查 分析其结构 2 确定自己的方案 3 绘制二维零件图 4 三维建模 5 零件装配 6 主要零件分析建模 7 对重要零件加工仿真 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 7 第二章 数控机床立柱优化设计 2 1 优化设计概况 通过一般调查得知 CK5116 数控立式车床立柱为整体铸造加工得到 高 2480mm 长 1410mm 宽 800mm 顶板厚 35mm 底板厚 40mm 左右侧板壁厚 40ram 后侧壁厚 35mm 总重 9000kg 立柱采用长方形中空结构 立柱内部纵向筋 板将里面分成三部分 导轨布置在另一侧 三层横向筋板又将每一部分分成四部分 纵向筋板前壁厚 40ram 后壁厚 25mm 横向壁厚为 25mm 底部采用 10 个螺栓与 床身相连 本文依据兰州机床厂设计的二维图纸 用UG 对其进行三维造型设计 得到车床立柱的 CAD 模型如图 2 1 但是本章当中我所做的设计是借鉴已经有实际 加工能力的立柱经行分析 再将其结构经行优化设计 最后设计出真正属于自己的 作品 本次设计也是以 CK5116 为基本参照对象 熟悉其中的各部件的作用及其设 计思路 最后将它结构优化 具体的设计过程如下 图 2 1CK5116 数控立式车床立柱 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 8 2 2 优化设计理论基础 选取设计变量 列出目标函数 给定约束条件后便可构造最优化设计的数学模型 任何一最优化问题均可归结为如下的描述 即 在满足给定的约束条件下 选取适当 的设计变量x 使其目标函数f x 达到最优值 其数学模型为 设计变量 n T n EXx xxX 21 在满足约束条件 2 1 pvXhv 2 1 0 2 的最优值 q j f u xfwxf muXg 1 2 1 0 2 目标函数的最优值一般可用最小值 或最大值 的形式来体现 因此 最优设计的 数学模型可以简化表示为公式如下 2 3 在结构设计中常以减小质量为目标 最优设计的目标函数为质量 这问题就成为求 目标函数的最小值 最优化问题求优过程的求解方法大致分为两类 一是解析法 二是数值计算法 由于计算机的发展和其自身工作的特点 它在解决最优问题时 一般采用数值计算法求解 本章用ANSYS 程序优化立柱 也是采用数值计算法来求 解 下面主要介绍利用数值计算法寻优的过程 1 首先初选一个尽可能靠近最小点的初始点 从出发按照 定的原则寻 0 x 0 x 找可行的方向和初始步长 向前跨出一步达到Xl 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 9 2 得到新点后在选择一个新的函数值快速下降的方向及适当的步长 从 1 x 点出发再跨出一步 达到点 并依此类推 一步步的向前探索 并重复数值 1 x 2 x 计算 最终达到目标函数的最优点 在中间过程中每一步迭代形式为 k 0 1 2 2 4 1 1 kk kkkk xfxf sxx 式中 第 k 步迭代计算所得的点 k x 第 k 步迭代计算步长 k 第 k 步迭代计算的探索方向 k s 3 没向前跨完一步 都应检查所得到的新点能否满足预订的计算精度 即 如果满足 即函数值的下降量已达到精度要求时 则认为X 忙 J 为局部最小点 否则应以 x M 为新的初始点 按上述方法继续跨步探索 2 3 利用有限元法进行优化设计的步骤 优化设计的主要步骤可以表述如下 1 生成优化循环所用的分析文件 分析文件是一个 ANSYS 的命令流输入文件包含一个完整的分析过程 前处理 求解 后处理 包含一个参数化的模型 用参数定义模型并指出设计变量 状态 变量和目标函数 由这个文件可以自动生成优化循环文件 并在优化计算中循环处 理 7 A 参数化建立实体模型 PREPT ANSYS 优化的基本要求就是要将模型参数化 即用参数 优化变量 DV 而不 是数字建立分析模型 结果也必须用参数来提取 用于状态变量 SV 和目标函数 OBJ 优化设计中只能使用数值参数 设计变量作为参数建立模型的工作是在 PREP7 中完成 这些变量的初值只是在设计计算开始用到 在优化循环过程中会改 变 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 10 B 求解 SOLUTION 求解器用于定义分析类型和分析选项 施加载荷 指定载荷步 完成有限元计 算 C 参数化提取结果 POSTl POST26 提取结果并赋值给相应的参数 这些参数一般为状态变量和目标函数 提取数 据的操作用 GET 命令实现 D 生成数据库命令流文件 将数据库内部的命令流写到文件 Jobname LGW 中 生成当前模型所用的所有命 令 2 建立优化过程中的初参数 在完成分析文件的建立后 就可以开始进行优化分析 初始参数的确定有两种 情况 一是现有设计的初始参数 二是通过搜寻设计域产生一定量的可行设计 也 就是说 从产品用途等因素出发 选择最好优化起点 例如 随机搜寻技术可以通 过给定设计变量的随机值产生随机设计 只选择其中的可行解 将其作为优化过程 的起点 这将可能使优化结果收敛全局最优解 10 3 进入优化处理器 指定分析文件 首次进入优化 OPT 处理器 数据库中的所有给定参数自动作为设计序列在分 析文件中 PREP7 和 OPT 命令必须出现在第一个非零字符处 这一点在生成循 环文件是很关键 4 声明优化变量 指定哪些参数是设计变量 哪些参数是状态变量 哪个参数是目标函数 ANSYS 中允许有不超过 60 个设计变量和不超过 100 个状态变量 但只能有一个目 标函数 5 选择优化方法或优化工具 ANSYS 程序提供两种优化方法 零阶方法和一阶方法 零阶方法 只要求因变 量 状态变量和目标函数 的值 而不求它们的导数 使用所有因变量的逼近 用曲 线拟合来建立目标函数和设计变量之间的关系 由约束的优化问题转换为非约束的 优化问题 该方法通用 可以有效的处理绝大多数的工程问题 并且速度快 精度 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 11 不如一阶方法好 一阶方法 使用因变量的一阶偏导数来决定搜索方向并获得优化 结果 此方法精度很高 尤其是在因变量变化很大 设计空间也相对较大时 但是 消耗的机时较多 优化工具是搜索和处理设计空间的技术 ANSYS 程序中可用的 优化工具有单步运行 随机搜索法 等步长搜索法 乘子计算法 最优梯度法 例 如 随机搜索法 它可进行多次循环 每次循环设计变量随机变化 它主要用来研 究整个设计空间 并为以后的优化分析提供合理解 最优梯度法 用一个指定设计 为参考点 并且稍稍改变每个 DV 以计算目标函数和状态变量对设计变量的梯度 确定局部设计敏感性 这三个要素是测试优化设计对DV 的微小变化的敏感性 这 便于控制后面的优化设计 7 进行优化分析 所有的控制选项设定好以后 就可以进行分析了 在执行时 优化循环文件会 根据分析文件生成 循环在满足下列情况时终止 收敛 中断 不收敛 但最大循 环次数或者最大不合理解的数目达到了 分析完成 进行收敛检查 在每次循环结 束时都要进行收敛检查 如果前面的最佳设计是合理的而满足下列条件之一时 问 题就是收敛的 A 目标函数由最佳合理设计到当前设计的变化应小于目标函数允差 B 最后两个设计之间的差值应小于目标函数允差 C 从当前设计到最佳合理设计所有设计变量的变化值应小于各自的允差 D 最后两个设计所有设计变量的变化值应小于各自的允差 若指定的循环次 数达到了或连续的不合理设计到了指定值 通常为7 次 则求解过程会在收敛前 终止 8 查看设计序列结果 优化循环结束以后 查看设计序列 可以选择列出所有参数的数值 也可以只 列出优化变量 可用图显示指定的参数随序列号的变化 可以看出交量是如何随迭 代过程变化的 用 POSTl 或 POST26 了对分析结果进行后处理 选出最佳设计序列 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 12 2 4 有限元优化程序基本步骤 在利用 ANSYS 进行优化设计时 其前处理过程与前面章节中的静力分析相似 而优化的过程主要在通用后处理器中进行 其步骤为 POSTl ETABLE VOLU VOLU ETABLE SMAX l NMISC 1 ETABLE SMAX J NMISC 3 ESORT ETAB SMAX I 1 GET SMAXI SORT MAX ESORT ETAB SMAX J 1 GET SMAXJ SOPT MAX SMAX ABS SMAXI ABS SMAXJ 获取最大应力值并参数化表示 NSORT U SUM 0 0 ALL 定义位移状态变量 GET DMAX SORT MAX SSUM GET VOLUME SSUM ITEM VOLU STATUS PARM 列表显示内存变量的值 FINISH 退出后处理模块 LGWRITE SCRATCH LGW 宏程序定义结束 OPT 进入优化处理模块 OPANL SCRATCH LGW 定义优化设计文件 SCRATCH OPVAR T1 Dv o 02 0 025 OPVAR D5 Dv 3 5 1 定义设计变量 OPVAR SMAX sv 0 S XUYONG 定义应力状态变量 约束 OPVAR DMAX sv VALUE 定义位移状态变量 OPVAR VOLUME OBJ 定义目标函数 OPTYPE SUBP 使用子模型近似优化设计方法 OPSUBE30 1 最大优化设计 30 个循环 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 13 OPPRNT ON 显示优化过程中的详细情况 OPEXE 用子模型近似优化法开始优化 OPLIST ALL 1 1 显示设计集中的参数 2 5 选择优化工具 选择一阶优化工具 First Ooder 优化 它使用因变量对设计变量的偏导数 在每次迭代中 计算梯度确定搜索方向 并用线搜索法对无约束问题最小化 指定 最大迭代次数为 30 搜索时后一步步长与前一步步长百分比为100 设计变量 计算梯度先前分差的百分比为 0 2 2 6 查看设计序列结果 显示最优设计序列菜单路径 Main Menu Design opt Design sets List 得到 最优设计序列见表2 1 立柱体积与优化设计序列号之间的关系曲线见图2 3 表2 1立柱最优设计序列 m 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 14 图2 3 体积的收敛曲线图 图2 4最大应力收敛曲线图 图2 5侧壁D1值的变化曲线 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 15 图2 6后壁D2值的变化曲线图 2 7 立柱受力分析 图2 7为立柱结构的受力分析图 因为立柱导轨共有多个面受到横梁带来的外力和 扭矩 情况复杂 加载时将加工过程产生的切削力施加在横梁上 再通过横梁将力传 递到立柱上 这样可以避免直接在立柱上加载而带来的误差和加载不完全的因素 图2 7立柱结构受力情况示意图 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 16 2 8 立柱模型的几种肋板布置方式 机床设计中防止颤振和畸变的主要措施是提高板壁刚度 确切的说是提高固有频 率 加强肋板的作用是转移和分散立柱承受的各向载荷到肋板上 图a b分别为立柱 立体布置肋板 图2b是十字立体肋板 其特点是在箱体立式空间内布置肋板 然后挖 空清砂孔 以达到质量均衡 所占空间较大 图2c为内部无肋板结构 图2d肋板沿立 柱四周侧边布置 图2e f则为侧壁布置肋板的两种方式 分别为侧边布置米型和侧壁 布置井字形肋板 如下图所示 图a 菱形肋板 图b 十字肋板 图c 三层式肋板 图d 空心式 图e米型肋板 图f多层次式肋板 图2 8各种肋板结构图 通过对以上各种类型肋板的静力模态分析得 静力分析 用于计算在固定不变的载荷作用下结构的响应 如支反力 位移 应变 应力 它主要从静力学 静力平衡条件 几何学 位移协调条件 物理学 胡克定理 三方面对结构进行分析 对应的力学知识主要为材料力学 结构力学 弹性力学 由 于结构的不同 静力分析分为线性分析和非线性分析如大变形 塑性 蠕变 接触分 析等1221 传统的结构分析方法往往局限于简化条件下 用解析法求解问题 即将产 品简化为许多便于计算的 平面结构 或进行截断 分解成单个零件 在运用材料力学 弹性力学等相应的理论进行分析 从中得出一些计算公式 按照公式计算各处的参量 由于计算模型构造得非常简单 计算结果往往与实际情况相差很大 随着数学工具和 计算机技术的普及和发展 人们发现另一种求解途径 有限元法 实践证明 有限 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 17 元法是一种非常有效的数值方法 在有限元分析过程中 模型处理 载荷及边界条件 单元网格的划分是关键环节 其处理方法的直接影响计算结果的精确度 表 2 1静力分析表 筋板形式 等效应力变量 最大值Pa n最小值 a n 侧壁十字布置筋板 5 8831e6 9 6997e 52870 6 0 侧壁井子筋板布置 4 4258e6 6 381e 54560 1 0 立体菱形散板布置 7 4295e6 7 1239e 54874 9 0 立体十字筋板布置 7 4575e 006 8 0359e 53339 89 0 表2 2 模态分析表 阶数侧壁十字筋板侧壁井字筋板立体菱形筋板立体十字筋板 1152 17152 89158 1151 2157 15159 1163 55155 12 3331 55366 24413 9392 32 4387 33389 57668 34646 79 5522 03555 65685 04671 62 6581 76587 87698 54778 57 立柱质量 Zr 394 76422 61499 83493 57 2 9 最终设计方案及验证 确定最终设计方案 根据有限元分析的结果 最终方案确定为内部井字形结构 外部在原方案的基础上进行修改 加强筋厚20 高度1150 其它确切的参数在后面的建 模过程当中详细列出 本方案也通过强度 刚度计算 基本符合现代设计理念 各向 性能也均能达标 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 18 2 10 立柱的参数化建模 通过静态分析和动态分析 可以看出立柱结构整体的刚度和强度较好 立柱结 构尺寸均匀 内部筋扳布置有序 抗振性较强 所以 将主要针对立柱的外壁壁厚 对其进行优化 利用 ANSYS 软件通用前处理器 PREP7 建立立柱的参数化模型 为 了便于分析 提高计算机运算的速度 在建模时对立柱的内部结构进行了简化 忽 略了一些导角和圆孔 保留了原先的导轨 外壁及内部竖向相交的筋扳和三层横向 筋扳 如图 2 8 所示 图 2 8 立柱整体模型 立柱的材料为HT250 材料各项同性 介质均匀 弹性模量E 120GPa 泊松比 u 0 25 密度 7350 具体的设计参数以图纸的形式完成 将会在副本中展出 3 mkg 本次设计顺带设计了立柱相关配合的其它零件 本文中将会对立柱的详细建模过程做 出说明 具体建模过程将会在第三章中写出 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 19 第三章 数控机床立柱的三维 CAD 建模 3 1 CAD 的概念与特点 计算机辅助设计 CAD Computer Aided Design 是从上世纪 50 年代开始的 随着计算机及其外围设备的发展而形成的一门技术 是计算机科学与工程科学技术 之间跨学科的边缘科学 是现代设计方法的一个重要方面 也是近年来我国大力推 广的一项新技术 在传统设计中 设计者根据设计任务的要求 参考已有经验和资料 进行构思 设计方案 建立设计模型计算 分析 绘图 反复修改等过程 最后设计出满足要 求的方案 并绘出图样和编制设计文件 在设计过程中 有创造性的思维劳动 有 综合性的分析及判断 也有复杂的计算和精密的绘图等 工作量大 而且要做很多 重复性的繁琐劳动 要有设计者来完成所有环节的工作 设计效率低 CAD 是指设计者以有高速计算能力和显示图形的计算机为工具 用各自的专业 知识对产品进行的规划 分析计算 综合 模拟 评价 绘图和编写技术文件等设 计活动的总称 设计者的创新能力 想象力 经验和计算机高速运算的能力 图形 显示与处理能力相互有机结合 综合运用多学科的相关技术 进行产品描述及设计 极大的提高设计工作的效率 为无图纸化生产提供了前提 计算机辅助设计能利用 计算机运算速度快 计算机精度高 存储信息量大 逻辑推理能力强等优点 代替 人工进行计算与绘图 并通过人机交互 最大限度地发挥设计人员的创造力 改变 单独由设计者进行全部设计工作的情况 人与计算机密切配合 各尽所长 发挥人 的主导作用 CAD 的特点为 1 大大的减少了设计计算 制图和制表所需的时间 提高了设计工作效率 缩短设计周期 加快产品的更新换代 2 可以从诸多设计方案中进行比较 选出最佳方案 提高设计质量 并可以 在设计时预估产品的性能 3 图样输出格式统一 质量高 修改设计方便 4 使设计人员从繁琐重复的设计劳动解放出来 以便将精力投入到新技术开 发 现代设计方法的研究之中 进行计算机所不能替代的创造性工作 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 20 5 有利于产品的标准化 系列化 通用化 加速产品的开发和投产过程 使 新产品更快的投入市场 提高市场的竞争能力 6 有利于计算机辅助制造的发展 通过CAD CAM 集成化 实现产品设计和 制造的一体化 3 2 三维几何造型方法 人类的现实世界是一个有众多类型三维几何形体构成的集合体 因此人们在设 计某一物体时 其最初的构思是从三维空间出发的 但在以往设计中设计信息却是 通过二维图纸来表达的 这对于复杂的物体来说 往往难以描述清楚 并且对后继 的机构几何关系和运动关系的分析 应力应变和数控加工等方面无法提供强有力的 支持 为了满足工程实际的需要 上世纪60 年代以来人们开始致力于研究和发展 三维几何造型技术 三维几何造型技术的发展主要经历了线框造型 曲面造型和实 体造型等几个阶段 而目前人们研究较多的特征造型以及参数化 变量化造型则是 在实体造型的基础上发展起来的 线框造型是 CAD CAM 技术发展过程中最早应用的三维模型 这种模型是有一 系列空间点 直线和曲面组合而成 用来描述产品的轮廓外形 并在计算机内部产 生相应的三维映像 线框模型在计算机内部是以边表和点表表达和存储的 由于它 仅仅给出物体的框架结构 没有表面信息 故不能显示物体的真实图像 曲面造型是在线框造型的基础上增加面与边的有关信息 用物体的表面来表示 其基本形状 它给出顶点的几何信息及边与顶点 面与边之问的二层拓扑信息 面 造型表示的几何对象 其表面可以由若干块平面 二次曲面或参数自由曲面组成 包含各个曲面片的类型 几何参数 插值和拟合的算法以及面间交线的计算方法 虽然曲面造型比线框造型具有较丰富的形体信息 但未指明物体是实心还是空心 某部分是内部还是外部 只能用于物体外壳的描述 三维实体 UG 造型是关于物体几何信息和拓扑信息的完整描述 实体造型也称 体素造型 主要研究如何方便地定义形状简单的几何形状 即体素 以及如何经 过适当的布尔几何运算造出所需的复杂形体 并在图形设备上输出其各种视图的方 法 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 21 三维模型代表了 CAD 技术发展的主流 与二维模型相比具有显著的优越性 波音飞机公司在 777 新型客机的设计中 全面应用了三维实体模型技术 到1991 年约有半数零件 6 万多件 的 50 细节采用的是三维实体设计 在设计中排除了 50 的差错 省去了部分样机制造 美国麦道飞机用UG II 软件来建立整个飞机 的电子样机 完全省去了实物模拟和试切工序 国外历史较久的CAD 软件 如 CASAM CATIA UGII Inergraph 等 一般都有三维线框 曲面 实体三种建模方 法 且出现了将三种模型有机结合起来 统一灵活使用 三维与二维模型相互协调 一致的趋势 后起的软件如 IDEAS PRO E 等则侧重于实体模型 主要用体素拼 合等局部操作来构造复杂的形体 本次三维造型全用UG 造型 3 3 立柱结构概述与建模 3 3 1 立柱的结构概述 1 机床立柱的作用 加工中心立柱主要是对主轴箱起到支撑作用 满足主轴 的 Z 向运动 目前普遍采用的是双立柱框架结构设计形式 对于大中型的移动立柱 固定于滑座上 因为立柱是连接床身与主轴 刀库的重要部件 所以它的设计必须 得到重视 对于主轴来讲 正确的安装立柱对于加工中心加工出合格的零件有着不 能忽视的作用 而立柱的安装主要反映在其与工作台的垂直度上 2 机床立柱材质 常见的为 HT250 这种材质强度 耐磨性 耐热性均较好 减振性良好 铸造性能较优 需进行人工时效处理 除此之外经常用到的还有 HT200 HT300 或球墨铸铁 根据不同工作要求而定 3 机床立柱加工要求 机床立柱加工要求主要体现在其导轨面的精度及硬度 检验标准与机床床身导轨面相当 一般不超过3 道 导轨硬度根据材质不同 淬 火完成后分别为 HT250 HRC46 50 HT300 HRC48 52 淬火深度 2 5 3mm 3 3 2 立柱的建模 1 底座 为了保证立柱的稳定度 使立柱能与机床其它部件紧密结合 在加工 过程中充分保证其精确度 在此设计中 底座建模如下 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 22 图 3 1 底座草图 本人设计底座厚度为 50mm 通过计算其强度足以满足生产需求 将其草图拉伸得 图 3 2 底座三维图 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 23 为了能使立柱与其它部位能紧密结合 将其打表面打沉头孔 边缘均匀布局 总共打 七个孔 示意图如下 图 3 3 立柱螺纹孔 2 立柱结构设计如下 草图如下 图 3 5 导轨槽 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 24 有此图可以大体了解立柱的基本框架 此次立柱的设计参用一般的中空方式 用 于减轻其自身的质量 中空部分本人设计了重锤 将放于中空部分 右边部分凸出的 部分用于安装两个支架 画出三维图如下 图 3 6 内部肋板 右边凸出的部分是导轨 导轨是金属或其它材料制成的槽或脊 可承受 固定 引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置 导轨表面上的纵向槽或脊 用于导引 固定机器部件 专用设备 仪器等 导轨又称滑轨 线性导轨 线性滑轨 用于直线 往复运动场合 拥有比直线轴承更高的额定负载 同时可以承担一定的扭矩 可在高 负载的情况下实现高精度的直线运动 3 顶部螺纹孔 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 25 图 3 7 螺纹孔 此螺纹孔采用 M12 1 75 的标准 它的作用是通过螺栓将左右支架固定在立柱表面 左右支架是承担链轮的重要部件 一定是稳固可靠的 4 凹槽的建立 凹槽草图如下 图 3 8 凹槽 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 26 通过拉伸 并且求差得出自己所设计的定长度的凹槽 其三维图形如下 图 3 9 凹槽三维图 凹槽里面装载电动机轴 时期在旋转和伸缩时具有足够的空间 5 固定板 用来固定轴承座 其草图如下 图 3 10 固定板草图 通过拉伸得其三维效果图 数控机床立柱的 CAD CAM 设计 27 图 3 11 固定板三维图 固定板是安装在凹槽里面 是用来固定轴承座的装置 从其正面看 正面有四个 螺纹孔可知 它是通过螺栓将轴承座固定于此 6 加强筋的设计 加强筋 加强肋 在塑胶部件上是不可或缺的功能部分 加强筋有效地如 工 字 铁般增加产品的刚性和强度而无需大幅增加产品切面面积 但没有如 工 字铁般出 现倒扣难於成型的形状问题 对一些经常受到压力 扭力 弯曲的塑胶产品尤其适用 此外 加强筋更可充当内部流道 有助模腔充填 对帮助塑料流入部件的支节部分