六主轴数控车床床身有限元分析与结构优化

论文摘要

随着数控车床向高速度、高精度、高效率方向的迅速发展,除了要求机床体积小、重量轻、成本低、使用方便和具有良好的工艺性外,还着重要求机床具有愈来愈高的加工性能。机床的加工性能包括加工质量和切削效率两个重要的方面。在经济高速发展的当代,谁的产品生产率高,生产成本低,谁将占领市场,赢得竞争优势。沈阳创新数控的CK2120X6六主轴数控车床是我国自主研发第一台多主轴数控车床,它的研制成功意义重大,将改变发达国家对我国进口多主轴数控车床的限制和技术引进壁垒,多主轴数控车床的加工性能与其动态性能紧密相关。事实证明,随着机床加工性能的不断提高,对机床动态性能的要求也愈来愈高。床身是机床的一个重要基础部件,因此床身动态性能直接影响到机床的加工精度和加工质量。数控车床床身一般为具有筋板的箱式结构,床身内部筋板的布置以及筋板开孔的尺寸对机床动态性能有巨大的影响。合理地选择筋板的布置形式和筋板出砂孔的尺寸,不但可以提高床身的动态性能,而且可以节约材料和降低生产成本。本文以CK2120X6六主轴数控车床床身为例,对影响床身动态性能的因素进行了探究。首先建立床身的有限元模型,并对其进行模态分析,找出床身的薄弱环节。再以改变床身的内部结构为出发点,提高床身的固有频率和模态振型。即先提出床身的四种筋板布局方案并对其进行模态分析,以床身结构固有频率为优化目标,从中选取合理的筋板布局形式;然后提取床身的典型元结构并进行结构优化设计,找出合理的结构优化参数;最后以元结构优化结果为依据,提出该床身结构的优化方案,并对方案进行分析。分析结果表明,床身薄弱部位加筋板和改变筋板上出砂孔的形状和大小是实现其动态优化设计的有效途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 多轴数控机床国内外发展概况
• 1.1.1 数控机床发展概况
• 1.1.2 数控多主轴机床发展概况
• 1.2 多轴数控机床存在的问题
• 1.2.1 几何误差对加工精度的影响
• 1.2.2 热变形对加工精度的影响
• 1.2.3 振动对加工精度的影响
• 1.2.4 伺服系统对加工精度的影响
• 1.3 选题的目的及意义
• 第二章 机床结构动态分析理论及软件基础
• 2.1 结构模态分析
• 2.1.1 结构模态分析的概念
• 2.1.2 模态分析理论
• 2.2 有限元方法及其在机械结构动力学分析中的应用
• 2.2.1 有限元方法概述
• 2.2.2 有限元方法的基本解题步骤
• 2.2.3 机械结构动力学分析的有限元法
• 2.3 基于动力学分析的机床结构优化
• 2.4 动力学分析的软件支撑条件
• 2.4.1 ANSYS软件的主要功能及特点
• 2.4.2 ANSYS结构分析的过程
• 2.4.3 Solidworks三维实体建模软件
• 第三章 床身结构的有限元建模
• 3.1 建模的几个基本问题
• 3.2 床身结构建模方法
• 3.3 圆角对拉压变形影响的验证
• 3.4 床身有限元模型的建立
• 3.5 有限元模型单元的选取和网格生成
• 第四章 床身的动态特性分析
• 4.1 模态分析的基本思想
• 4.2 模态分析的一般过程
• 4.3 CK2120X6 车床床身的模态分析
• 4.3.1 三维模型的导入及网格划分
• 4.3.2 加载并进行求解
• 4.3.3 模态扩展
• 4.3.4 观察求解结果
• 4.4 模态结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 床身结构改进设计
• 5.1 结构改进设计的基本思想
• 5.2 床身筋板优化布局
• 5.3 基于元结构的床身变量化结构分析
• 5.3.1 元结构的概念
• 5.3.2 筋格出砂孔形状和尺寸与筋格固有频率的关系
• 5.3.3 筋格边长和筋格筋板厚度对筋格固有频率的影响
• 5.4 床身优化方案
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在校研究成果
• 致谢