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高速立式加工中心主轴箱静动态性能研究

作　者: 陆君
导　师: 文怀兴
学　校: 陕西科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 主轴箱敏感度静态分析动态分析优化设计虚拟样机
分类号: TG502
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 103次
引　用: 2次
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内容摘要

高速加工中心的高切削速度、高进给速度和高加工精度已成为国内机床领域的发展方向。“高速立式加工中心”成为“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项中优先支持的项目,是国家中长期科学和技术发展规划的目标。研究加工中心的工作性能(良好的静态性能和动态特性)对提高机床的安全和精度有重要的指导作用,主轴箱直接影响主轴系统甚至整个机床的加工性能,为此,对高速加工中心主轴箱等基础部件进行静、动态性能的研究已成为设计的必要环节。所采用的方法也可以应用在其他部件和整机的性能分析中,为提高机床整体性能提供了技术支持。本文首先介绍了课题的研究背景及主轴系统国内外的发展状况和静、动态特性研究水平,对主要基础结构部件主轴箱进行拓扑设计并进行了受力分析；其次,介绍了主轴系统的工作原理,在相同工况下对不同设计方案进行力学分析,最后对结构进行优化分析。根据设计要求建立新的主轴箱三维有限元模型,按照主轴箱的运动方式、固定方法对有限元模型的自由度进行约束,采用有限元软件自定义的单元、网格进行模拟。通过静力分析,模态分析,谐响应特性分析,敏感度分析等得到主轴箱在特定载荷工况下的静刚度值、动刚度值、固有频率以及相应的振型等理论数值,为高速加工中心的设计提供了可靠的理论依据。将有限元分析的结果与机床设计要求进行对比,并参考相关的设计经验对模型进行了局部改进。利用Pro/E优化设计模块,通过敏感度分析将参数化设计变量进行筛选,找出影响设计目标的主要设计变量,删除不合理尺寸区间,避免错误的发生、减少分析时间、提高优化速度和准确性,为实现主轴箱最优化设计奠定了基础。利用软件Pro/ENGINEER建立主轴箱虚拟样机系统,并导入ADAMS中进行运动仿真与振动分析。通过分析结果显示出了构件各结点在工作过程中的试验数据,对主轴系统的运动参数进行修正后,将主轴箱替换为柔性体,完成振动分析,得出主轴箱在主轴系统中的振动受连接刚度及阻尼的影响,因此对其进行有效的调节可提高产品的质量。再次对主轴箱改进前和改进后的主轴系统进行分析,可明显看出改进后的主轴箱在主轴系统中的频率提高,可避免共振的发生,调整各连接刚度可提高系统的稳定性。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-16
  1.1 高速机床主轴箱等部件的研究概况及发展趋势  10-13
    1.1.1 主轴系统的研究  11-12
    1.1.2 机床静、动态特性分析现状  12-13
  1.2 课题研究背景及主要内容  13-15
    1.2.1 课题背景及来源  13-14
    1.2.2 主要技术指标  14
    1.2.3 论文的主要内容  14-15
  1.3 主轴箱结构分析的目的及意义  15-16
2 主轴箱结构设计  16-24
  2.1 箱体的建模技术  16-17
    2.1.1 pro/E建模技术  16
    2.1.2 基于ANSYS的拓扑优化技术  16-17
  2.2 箱体的结构设计  17-19
  2.3 主轴箱模型方案的确定  19-20
  2.4 主轴箱部件结构  20-22
  2.5 主轴系统切削力计算  22
  2.6 本章小结  22-24
3 主轴箱结构的静刚度分析  24-34
  3.1 主轴箱热刚度机理  24-26
  3.2 箱体主要图元温度场分析  26-27
  3.3 主轴箱静态设计原理  27-28
  3.4 主轴箱有限元刚度分析  28-32
    3.4.1 建立简化的实体模型  28
    3.4.2 定义单元类型及材料属性  28-29
    3.4.3 施加约束载荷及求解  29-32
  3.5 本章小结  32-34
4 主轴箱动态性能分析  34-44
  4.1 动态性能分析的有限元法  34-35
  4.2 主轴箱模态分析  35-38
    4.2.1 模态分析方程  35-36
    4.2.2 边界条件  36-37
    4.2.3 施加有限元边界条件并求解  37-38
    4.2.4 计算结果分析  38
  4.3 谐响应分析  38-42
    4.3.1 谐响应分析方程  39
    4.3.2 激振力的确定  39
    4.3.3 求解与结果分析  39-42
  4.4 本章小结  42-44
5 主轴箱优化设计  44-56
  5.1 结构优化设计  44-45
  5.2 主轴箱结构敏感度分析  45-51
    5.2.1 局部敏感度分析  46-49
    5.2.2 全局敏感度  49-51
  5.3 主轴箱优化分析及改进  51-54
  5.4 本章小结  54-56
6 主轴箱系统的动力学分析  56-64
  6.1 主轴系统虚拟样机的建立  56-59
    6.1.1 仿真模型前处理  56-57
    6.1.2 ADAMS中的虚拟样机模型设置  57-59
  6.2 柔性体主轴箱振动性能分析  59-63
  6.3 本章小结  63-64
7 结论与展望  64-66
致谢  66-68
参考文献  68-72
攻读学位期间发表的学术论文目录  72-74

高速立式加工中心主轴箱静动态性能研究

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