直驱式A/C双摆角铣头结构特性分析与关键部件优化设计

论文摘要

以五轴联动数控机床为代表的高档数控机床是一个国家工业发展水平的标志,是当今机床工业发展的热点和重点。其中,双摆角铣头是五轴联动数控机床的核心部件,是五轴联动数控机床市场竞争的焦点之一,而且,双摆角铣头的精度在很大程度上决定了整台机床的加工精度。因此,对双摆角铣头结构特性进行分析和关键部件优化成为设计时的必要环节。首先,本文分析了直驱式A/C双摆角铣头总体结构布局、驱动系统结构、驱动控制方案和散热润滑系统结构。根据双摆角铣头结构布局,运用多体运动学理论,建立了整机几何运动误差模型,并评估了双摆角铣头几何误差对加工精度的影响。其次,基于双摆角铣头结构几何模型,根据大型复杂结构的简化原则以及连接轴承的杆单元等效原理,建立了双摆角铣头A轴摆角不同位置时的有限元模型,并分析了A轴摆角的摆动对结构静态特性的影响,结果表明在切削力作用下,电主轴末端位移由于A轴的摆动而存在波动。然后,为了评估交变铣削力载荷和热载荷对双摆角铣头的影响,进行了动态特性分析和热分析。以有限元法模态分析基本理论、谐响应分析基本理论为指导,分析了双摆角铣头动态特性,得到了整机固有特性和在铣削力作用下的稳态响应,双摆角铣头除零频外各阶固有频率随A轴的摆动而波动,并且整机动态性能由其结构薄弱环节C轴组合轴承决定,提高C轴轴承刚度有利于整机的动态特性。以有限元法热分析理论和热弹性力学分析理论为指导,说明了热边界条件的处理方法和热分析、热-结构耦合分析的步骤,并对双摆角铣头整机进行了稳态热分析和热-结构耦合分析,得到了整机稳态温度分布和热变形。最后,说明了结构优化方法的适用性和选择原则,并且针对双摆角铣头关键零部件万向架的特征选用了拓扑优化方法对其进行减重优化设计。说明了拓扑优化方法的原理和步骤,并且,采用ANSYS软件拓扑优化模块对万向架进行了优化,优化改进后,在刚度、强度满足设计要求的情况下,万向架质量减少可达21%,优化效果明显,有利于提高整机特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外双摆角铣头研究现状
• 1.3 国内外精密机床几何运动误差建模研究进展
• 1.4 国内外精密机床设计方法研究进展
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 直驱式A/C 双摆角铣头结构方案分析及几何运动误差建模
• 2.1 引言
• 2.2 直驱式A/C 双摆角铣头结构方案
• 2.2.1 直驱式A/C 双摆角铣头驱动系统布局
• 2.2.2 力矩电机驱动及控制方案
• 2.2.3 直驱式A/C 双摆角铣头散热润滑系统方案
• 2.3 直驱式A/C 双摆角铣头几何运动误差建模
• 2.3.1 双摆角铣头低序体阵列
• 2.3.2 双摆角铣头实际运动变换矩阵
• 2.3.3 双摆角铣头几何运动误差模型
• 2.3.4 双摆角铣头几何误差分析评估
• 2.4 本章小结
• 第3章 直驱式A/C 双摆角铣头静态特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限元法静力分析基本理论
• 3.3 直驱式A/C 双摆角铣头有限元模型的建立
• 3.3.1 单元选择
• 3.3.2 模型简化
• 3.3.3 轴承杆单元等效
• 3.3.4 网格划分
• 3.4 直驱式A/C 双摆角铣头静力分析
• 3.4.1 C 轴连接套扭转刚度分析
• 3.4.2 主轴座扭转刚度分析
• 3.4.3 双摆角铣头整机静力有限元法计算及结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 直驱式A/C 双摆角铣头动态特性及热特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 直驱式A/C 双摆角铣头模态分析
• 4.2.1 有限元法模态分析基本理论
• 4.2.2 双摆角铣头整机模态有限元法计算及结果分析
• 4.3 直驱式A/C 双摆角铣头谐响应分析
• 4.3.1 有限元法谐响应分析基本理论
• 4.3.2 双摆角铣头整机谐响应有限元法计算及结果分析
• 4.4 直驱式A/C 双摆角铣头热特性分析
• 4.4.1 有限元法热特性分析基本理论
• 4.4.2 双摆角铣头热特性有限元法计算及结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 万向架拓扑优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 结构优化方法选择
• 5.3 万向架拓扑优化
• 5.3.1 拓扑优化求解算法
• 5.3.2 拓扑优化过程
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢