铣削加工中心数字化样机开发与仿真研究

论文摘要

中国的制造业面临着巨大的机遇和严峻的挑战,而机床工业是装备制造业的核心,关系到国家的经济命脉和安全。传统的机床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,不能满足企业对质量、效率以及成本的综合要求。而数字化样机技术作为机床产品设计开发的一项全新技术,它的出现和发展给传统的机床产品设计方法带来了一次革命。应用这项技术,工程师在建立机床的数字化数字模型之后可以对它进行各种计算机仿真分析,在产品设计阶段发现其中的潜在问题和不足之处,并快速修正设计错误、改进设计方案。因此,在机床产品设计过程中应用数字化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。数控机床是改造传统产业并构造数字化企业的重要基础装配。作为一种结构复杂且高度自动化的机电产品,它的设计对于运动性能、动力学性能、机械结构性能以及加工性能等方面都有着严格要求。为了保证数控机床的设计质量,缩短设计周期并有效降低设计成本,要将数字化样机技术应用到该产品的整个设计流程中。本文以TH5650立式铣削加工中心为研究对象,运用大型三维软件UG建立了数控铣床的三维数字化模型,并通过计算机图形交换格式将所建立的几何模型导入到UG Motion模块及有限元分析软件ANSYS Workbench和数控加工仿真软件VERICUT中,建立它的运动仿真模型,有限元模型以及加工仿真模型。以基于运动学和动力学仿真的UG Motion模块验证分析了影响机床爬行的主要因素,对TH5650立式铣削加工中心进行了运动平稳性分析,从而给出了数控铣床进给系统的优化建议。在ANSYS Workbench有限元分析软件平台上,采用模态分析技术获得机床结构的模态固有频率和主振型,实现对机床结构的改进和优化设计。在完成仿真分析之后全面评估了数控铣床的运动及动力性能、结构性能以及加工性能,为设计提供了质量保证,也为铣床的改进提供了可靠的依据。它不仅可以大大降低设计开发费用,而且能够在保证铣床最终质量的前提下大大缩短设计周期,加快铣床的上市速度,给委托企业带来巨大的经济效益。本文所采用数字化样机技术有效地实现了数控铣床的建模与仿真,这种方法不只是适用于数控铣床的设计开发,其它机床产品也可以应用同样的方法和思路,并且还可以推广到其它一些复杂机械系统的研究、设计和开发,因此本文的研究方法及结论具有较强的工程实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景情况及来源
• 1.2 课题的主要内容与研究方法
• 1.3 数字化样机技术简介
• 1.3.1 数字化样机的概念
• 1.3.2 数字化样机的特点
• 1.3.3 数字化样机技术的应用
• 第2章 TH5650的数字化建模与装配
• 2.1 TH5650立式铣削加工中心的结构分析
• 2.1.1 数控机床的组成及特点
• 2.1.2 TH5650立式铣削加工中心的机械结构分析
• 2.2 数字化建模及装配的软件平台
• 2.2.1 CAD造型软件的比较与选择
• 2.2.2 UG软件介绍
• 2.3 TH5650立式铣削加工中心的数字化建模
• 2.3.1 数字化建模技术基本理论
• 2.3.2 TH5650立式铣削加工中心主要零件的数字化建模
• 2.4 TH5650立式铣削加工中心的数字化装配
• 2.4.1 数字化装配技术基本理论
• 2.4.2 TH5650立式铣削加工中心整机的数字化装配
• 2.5 本章小结
• 第3章 TH5650铣削加工中心的加工仿真
• 3.1 概述
• 3.2 数控机床加工仿真概述
• 3.3 VERICUT软件介绍
• 3.4 TH5650数控铣床加工仿真模型的建立
• 3.4.1 数控铣床几何模型的建立
• 3.4.2 数控铣床运动的定义
• 3.4.3 数控铣床的刀具定义
• 3.5 TH5650数控铣床的加工仿真
• 3.5.1 仿真工件的建立
• 3.5.2 工件的刀具路径验证
• 3.5.3 数控铣床的加工仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 TH5650立式铣削加工中心运动仿真
• 4.1 运动仿真概述及UG Motion运动仿真模块简介
• 4.1.1 运动仿真概述
• 4.1.2 UG Motion运动仿真模块简介
• 4.2 数控机床运动平稳性分析
• 4.3 爬行现象的理论分析
• 4.4 分析比较影响运动平稳性的主要因素
• 4.4.1 刚度变化对机床爬行的影响
• 4.4.2 驱动速度对机床爬行现象的影响
• 4.4.3 动静摩擦系数只差对机床爬行现象的影响
• 4.5 TH5650立式铣削加工中心数字化样机的运动平稳性分析
• 4.5.1 数控铣床运动模型的建立
• 4.5.2 数控铣床的运动仿真
• 4.6 本章小节
• 第5章 TH5650的结构动力学分析
• 5.1 引言
• 5.2 有限元理论及软件介绍
• 5.2.1 有限元基本理论
• 5.2.2 有限元分析软件ANSYS Workbench介绍
• 5.3 机床结构动力学概述
• 5.3.1 动载荷的概念
• 5.3.2 结构动力学的分类
• 5.4 支撑部件的动力学分析
• 5.4.1 支撑件的动态分析简介
• 5.4.2 模态分析的基本理论
• 5.5 底座的模态分析
• 5.5.1 模型建立
• 5.5.2 底座网格的划分
• 5.5.3 加载并求解
• 5.5.4 提取分析结果
• 5.6 工作台的谐响应分析
• 5.6.1 谐响应分析简介
• 5.6.2 模型的建立
• 5.6.3 激振力的计算
• 5.7 工作台的模态分析
• 5.8 数控铣床整机模态分析
• 5.9 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢