基于虚拟样机技术的超精密磨床进给系统设计

论文摘要

超精密硅片磨床进给系统是磨床中一个关键部件,其结构性能不仅直接决定了进给系统定位精度和磨床的加工精度,而且对磨床整机工作性能影响也很大。作为一种结构复杂且高精度的机电产品,为了获得良好的进给、加工精度,进给系统的设计对于其结构的静、动、热力学性能、运动学性能等方面都有着严格要求,所以必须采用现代设计手段来提高和确保产品设计质量及最终性能。传统的产品设计开发流程一般为方案设计、图纸设计、制造实物样机和实物样机试验直至产品投产上市,该过程周期过长,成本费用过高。虚拟样机技术是一项近年来广泛应用的产品设计开发新技术。在产品设计过程中应用虚拟样机技术可以减少对实物样机的依赖,这样不仅可以降低开发成本,缩短产品开发周期,而且可以提高设计质量和产品性能,增强企业的竞争力。本文以超精密磨床进给系统为研究对象,采用Pro/E建模软件建立了其三维虚拟数字模型,并在该模型的基础上分别建立进给系统的有限元零部件模型、运动学仿真模型。文中应用ANSYS软件对进给系统机械零部件进行有限元性能分析,获得了超精密磨床各零部件的承载刚度、内部应力、应变、固有频率、振型、动态响应、热变形等相关参数,以分析数据为基础,完成了对各部分结构的优化设计及设计方案定型,并确定了砂轮齿数及电主轴转速等振源参数。此外,还应用ADAMS软件对进给系统进行运动学仿真,在仿真分析中考虑了丝杠柔性和摩擦阻尼对系统进给运动的影响,通过对砂轮进给加速度和速度曲线分析,研究了爬行现象对定位精度和加工精度的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 国内外超精密硅片磨床现状概述
• 1.2 虚拟样机仿真技术及应用
• 1.2.1 传统模式下的产品开发过程
• 1.2.2 现代模式下的产品开发过程
• 1.2.3 数字化虚拟样机技术
• 1.2.4 国内外结构有限元分析应用概况
• 1.2.5 国内外多体仿真技术应用概况
• 1.3 课题背景及意义
• 1.4 本论文主要研究内容
• 2 超精密硅片磨床进给系统结构设计及三维数字样机搭建
• 2.1 超精密硅片磨床进给系统的结构设计
• 2.2 超精密硅片磨床进给系统的主要设计参数指标
• 2.3 超精密硅片磨床进给系统三维数字样机的搭建
• 2.4 本章小结
• 3 基于数字化虚拟样机的结构有限元分析
• 3.1 有限元思想
• 3.2 有限元结构分析及优化设计
• 3.3 常用机床结构有限元分析类型
• 3.3.1 结构静刚度分析
• 3.3.2 结构动刚度分析
• 3.3.3 结构热刚度分析
• 3.4 超精密硅片磨床进给系统结构有限元分析任务
• 3.5 本章小结
• 4 超精密硅片磨床进给系统结构有限元分析及优化
• 4.1 ANSYS有限元分析步骤
• 4.1.1 三维模型生成
• 4.1.2 选择单元类型
• 4.1.3 有限元网格划分
• 4.1.4 设定边界条件
• 4.1.5 定义分析类型
• 4.1.6 求解设置及计算
• 4.2 床身动力学分析及优化
• 4.2.1 床身模态分析
• 4.2.2 床身立柱壁厚优化
• 4.3 立柱动力学分析及优化
• 4.3.1 立柱模态分析
• 4.3.2 筋板减重孔优化
• 4.4 主轴座动力学分析及优化
• 4.4.1 主轴座模态分析
• 4.4.2 静力平衡计算
• 4.4.3 吊耳位置对主轴座承载刚度的影响
• 4.5 丝杠刚度计算及动力学分析优化
• 4.5.1 不同安装方式下丝杠刚度计算及模态分析
• 4.5.2 滚珠丝杠热、结构耦合分析
• 4.5.3 滚珠丝杠谐响应分析
• 4.6 传感器结构分析及优化
• 4.6.1 传感器本体刚度设计
• 4.6.2 传感器本体热、结构耦合分析
• 4.6.3 传感器螺栓刚度设计计算
• 4.7 超精密磨床进给系统部件动力学分析
• 4.8 超精密硅片磨床进整机动力学分析
• 4.8.1 整机模态分析
• 4.8.2 超精密磨床热、结构耦合分析
• 4.9 超精密磨床振源频率分析和砂轮齿数分析
• 4.10 本章小结
• 5 基于数字化虚拟样机的多体运动学仿真
• 5.1 多刚体动力学
• 5.2 多体动力学
• 5.3 进给系统低速爬行分析
• 5.3.1 爬行现象
• 5.3.2 爬行机理分析
• 5.3.3 爬行对磨床加工性能的影响
• 5.4 超精密硅片磨床进给系统运动学仿真任务
• 5.5 本章小结
• 6 基于ADAMS的超精密硅片磨床进给系统运动学仿真
• 6.1 ADAMS基本分析流程介绍
• 6.2 Pro/E环境下进给系统模型建立
• 6.3 ADAMS环境下进给系统多刚体模型的建立
• 6.4 创建约束副
• 6.5 定义电机驱动
• 6.6 施加气缸平衡作用力
• 6.7 ADAMS/Flex模块
• 6.8 柔性丝杠MNF文件的创建
• 6.9 进给系统刚柔耦合样机的建立
• 6.10 定义进给系统主要分析参数
• 6.11 进给仿真与结果分析
• 6.12 减小低速进给爬行现象的优化措施
• 6.13 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢