高速五轴铣头式机床结构设计与动态性能分析优化(1) - 图文-

1、北京机械工业学院硕士学位论文高速五轴铣头式机床结构设计与动态性能分析优化姓名:刘芳申请学位级别:硕士专业:机械制造及自动化指导教师:杨庆东20070301 第2章五轴铣头的结构设计和分析 为了减小摩擦力,保证直线运动精度,我们采用了直线滚动导轨,每根导轨上装有三个滑块。该滚动导轨副具有承载大、刚度高、摩擦系数小等特点,因此可适应高速运动且大幅降低驱动功率。本文设计的使机床实现五轴联动功能的适应多面体和曲面零件加工的五轴铣头结构又被称为万能铣头,因为它不但能够实现了一次装夹工件就可以完成多个工序加工的任务,还能够实现加工各种复杂的曲面目的,大大提高了机床的自动化水平和工作效率,可以广泛的应用于航

2、天,航空、兵工、发动机、造船、机车,汽车模具、电机、汽轮机、机床等行业。主要用于有色金属和合金材料等构成的结构件和板类零件以及汽车模具模型、发动机叶片、大型水泵叶片、舰船推进器叶片、飞机螺旋桨等各种螺旋体、球体类零件的精密加工。五轴铣头要实现A、c两个旋转数控坐标轴的功能,并且这两个坐标轴既可单独运动又可联动,具有很大的灵活性,且加工性能好。安装专用刀杆及附件,可以加工平面,斜面、螺旋面、沟槽、花键、弧形槽等等。通过转动的主轴头,机床可实现铣削空间前半球任意角度的加工。铣头上的主轴系统采用电主轴结构,电主轴又称内装式电机主轴单元,电主轴将转子和机床主轴的旋转部件做成一体,把机床主传动链的长度缩

3、短为零, 第2章五轴铣头的结构设计和分析目前进行虚拟设计的三维实体建模采用cAD工具软件完成,此类软件比较多,诸如:Pro/ENGINEER,UG,INvENloR,SOLIDwORKS等等。本课题利用美国参数技术公司(Par姗e砸cTedulologycorporati,简称PTc公司开发的Pm,ENGINEER软件平台,采用目前应用最为广泛的建模技术基于特征的参数化建模技术建立加工中心的虚拟模型。下面是主要零部件的三维实体模型: 第2章五轴铣头的结构设计和分析 在机床产品的开发过程中应用虚拟装配技术可以检验枫床的静态干涉、做可装配性评估和优化装配过程。虚拟装配仿真技术的核心任务是用可视化手

4、段研究和解决产品的可装配性问题。根据用户对装配仿真的需要程度和产品的复 第2章五轴铣头的结构设计和分析 通过对五轴铣头结构虚拟装配建模、虚拟装配、干涉检验和相对应的干涉检验报告进行分析,发现装配模型多处存在装配干涉点,这对有关零部件进行及时的修改设计提供了依据,为提高设计质量提供了保证.利用虚拟装配建模和虚拟装配可以给设计者直观感受,达到较高模拟精度,为管理、设计、工艺等人员整体把握加工中心零部件结构提供了帮助。同时也为加工中心后续的机构仿真及动力学分析、有限元建模及热变形分析和模态分析等分析研究奠定了基础。 第3章五轴铣床的有限元分析 网格划分好的铣头套如图3.j所示,有6593个节点,32

5、89个单元.分别对其在自由无约束和约束的情况下进行模态分析,固有频率和振型如下图: 第3章五轴铣床的有限元分析 铣头套(自由固有频率振型描述第一阶181.9Hz铣头套下面两翼张开和收缩,即沿相反的方向绕X轴转动第三阶357。l Hz铣头套绕Y轴扭转,两翼沿相反的方向第四阶419.2Hz铣头套绕Y轴扭转同时绕x轴摆动。 第3章五轴铣床的有限元分析 铣头套(约束固有频率振型描述第三阶193.7Hz铣头套下面两翼张开和收缩,即沿相反的方向绕X轴转动支撑架的分析过程同铣头套。37第3章五轴铣床的有限元分析 支撑架(自由固有频率振型描述38第3章五轴铣床的有限元分析 图3.“支撑絮一阶振型囤圈3.15支

6、撑架=阶振型圈 支撑架(约束固有频率振型描述第3章五轴铣床的有限元分析对单件的分析不能全面反映零件的动态性能,尤其是装配好后零部件的质量分布是否合理,部件之间结合面的参数选择是否正确都会直接影响装配好的零部件乃至整个结构的的动态性能,本文选择模态频率较低的铣头套和蜗杆装配组合单元为例介绍部件的有限元分析过程同时分析影响其动态特性参数的主要因素,为优化整体结构设计提供一定的参考依据。将铣头套和蜗杆座的三维实体模型在Pro/E中按实际的安装关系进行虚拟装配得到铣头套和蜗杆座的装配模型,导入有限元分析软件ANsYs wO鼬(BENcH中,设置单元类型、单元常数、材料特性参数等后划分网格,得到铣头套和

7、蜗杆座的有限元模型有22652个单元和39633个节点,如图3.18所示。 柏第3章无轴铣床的有限元分析 图3.19铣头套一蜗杆座一阶振型图翻3.20铣头套蜗杆座二阶振型图 围3.21镜头套蜗杆座三阶振型图图3.22铣头套蜗杆座四阶振型图4l第3章五轴铣床的有限元分析表3.8铣头套蜗杆座模态分析铣头套一蜗杆座固有频率振型描述第一阶186.4Hz铣头套下面两翼张开和收缩,即沿相反的方向绕x动扭转第四阶418.9Hz铣头套绕X轴的摆动。由铣头套一蜗杆座部件的模态分析结果可以看出,对部件影响较大的零件是铣头套,铣头套固有频率较低,动态性能较差在一定程度上制约了铣头套一蜗杆座部件的固有频率,另一方面从振型比较来看,振型由于增加了蜗杆座而发生了变化,使得铣头套一蜗秆座部件的质量偏重于加蜗杆座一侧来,质量分布不均和结构的不对称很有可能是导致整体结构动态性能较差的关键因素。最后将所有分析过的零件装配起来按相同的步骤对其进行模态分析: 第3章五轴铣床的有限元分析 装配体固有频率振型描述第一阶126.7Hz铣头套和蜗杆座绕X轴摆动,铣头套两翼方向一致第三阶208.4Hz铣头套和蜗杆座绕X轴摆动,铣头套两翼摆动方向相反第四阶281.1Hz铣头套和蜗杆座绕Z轴扭转。由上述分析可知,无论是单件还是组件的分析中都可以看出铣头套是最薄弱的环节,要想提高整个五轴联动铣