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直驱式A/C轴双摆角数控万能铣头结构有限元分析

作　者: 鲍鑫
导　师: 郑鹏
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 双摆角铣头 力矩电机 有限元 模态分析 热误差补偿模型
分类号: TG547
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着现代制造业的快速发展,五轴联动数控加工技术的研究在国内已取得了较大进展。具有高精度、高刚度并能实现高速加工的五轴联动数控加工中心已成为现代加工技术的实现目标。因此,对五轴联动高档数控机床系统及其核心功能部件进行研究开发,并将该类核心功能部件国产化,对提高我国装备制造水平,提升综合国力,具有重要的意义。直驱式A/C轴双摆角数控万能铣头是五轴联动数控铣床的核心部件,其A/C轴均采用力矩电机直接驱动,省去了齿轮、蜗轮蜗杆等中间传动环节,使其具有结构紧凑、精度保持性高、故障率低等诸多优点。而双摆角铣头的结构和性能在很大程度上决定了整台机床的性能,因此对双摆角铣头的结构和热特性进行分析和研究,以达到优化铣头的目的,就显得尤为重要。本课题对双摆角铣头的热特性、静力学特性、动态特性进行了分析,具体分析如下:对直驱式A/C轴双摆角数控万能铣头进行了结构特性分析,阐述了铣头结构和优缺点。通过Pro/Engineer三维图形软件建立了双摆角铣头的整体结构模型,在不影响分析结果的前提下对模型进行必要简化,并将模型导入有限元分析软件ANSYS中,建立有限元模型。对双摆角铣头热特性进行了分析,确定了铣头在热平衡工作状态下的稳态温度场,并进行了热—结构耦合分析,计算了A/C轴的热变形量;分别在理想状态和实际状态下建立了热误差补偿数学模型,建立了热误差补偿系统,并根据模型设置了热误差补偿执行程序;对双摆角铣头进行了整体静力学分析,得出了在外加载荷作用下双摆角铣头总体及沿X,Y,Z方向的变形量及刚度;对双摆角铣头进行模态分析,得出了铣头前三阶的固有频率和振型。对全文的分析结果进行了总结,分析结果及数据为双摆角铣头结构的改进和优化提供依据。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章 绪论  11-19
  1.1 引言  11
  1.2 课题来源及研究的目的和意义  11-12
    1.2.1 课题来源  11-12
    1.2.2 课题研究的目的和意义  12
  1.3 国内外机械结构与热性能有限元分析的发展现状和发展趋势  12-14
    1.3.1 国内发展现状和发展趋势  12-13
    1.3.2 国外发展现状和发展趋势  13-14
  1.4 课题主要研究内容及研究方法  14-19
    1.4.1 课题主要研究内容  14-15
    1.4.2 研究方法  15-19
第二章 双摆角铣头设计与优化  19-25
  2.1 双摆角铣头简介  19-21
  2.2 双摆角铣头主要参数  21-22
  2.3 嵌入式可调温度补偿设计  22
  2.4 直驱力矩电机设计  22
  2.5 直驱双摆角铣头与传统机械传动结构比较  22-23
  2.6 本章小结  23-25
第三章 双摆角铣头热特性分析  25-48
  3.1 有限元热分析理论  25-29
    3.1.1 热力学第一定律  25
    3.1.2 温度场  25-26
    3.1.3 温度梯度  26-27
    3.1.4 热流密度  27
    3.1.5 导热微分方程  27
    3.1.6 热分析传导方程  27-28
    3.1.7 热边界条件  28-29
  3.2 双摆角铣头热变形机理  29-30
  3.3 双摆角铣头ANSYS有限元热特性分析  30-33
    3.3.1 双摆角铣头物理特性参数  31
    3.3.2 前处理  31-33
    3.3.3 施加载荷  33
    3.3.4 求解  33
    3.3.5 后处理  33
  3.4 双摆角铣头A/C轴稳态热分析  33-36
  3.5 双摆角铣头热-结构耦合分析  36-38
  3.6 理想状态双摆角铣头热变形量分析及建模  38-39
  3.7 理想状态双摆角铣头刀具热补偿  39-40
    3.7.1 双摆角铣头刀具半径补偿  39-40
    3.7.2 双摆角铣头刀具长度补偿  40
  3.8 实际状态双摆角铣头热变形量分析及建模  40-44
    3.8.1 实际状态双摆角铣头热误差分析  41-42
    3.8.2 实际状态双摆角铣头热误差补偿建模  42-44
  3.9 双摆角铣头热误差补偿系统的建立  44-45
  3.10 热误差补偿在实际加工中的实现  45-47
  3.11 本章小结  47-48
第四章 双摆角铣头总体刚度与模态分析  48-60
  4.1 结构静态特性分析  48
  4.2 双摆角铣头ANSYS总体刚度分析  48-53
    4.2.1 双摆角铣头网格划分  48-50
    4.2.2 双摆角铣头整体变形分析  50-53
  4.3 模态分析  53-54
    4.3.1 模态分析应用  54
  4.4 双摆角铣头ANSYS模态分4析  54-58
    4.4.1 双摆角铣头模态分析网格划分  55-56
    4.4.2 双摆角铣头模态分析模型  56
    4.4.3 双摆角铣头振动特性  56-58
  4.5 本章小结  58-60
第五章 结论  60-61
参考文献  61-63
在学研究成果  63-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属切削加工及机床 > 铣削加工及铣床 > 程序控制铣床和数控铣床
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