本文選題：精密臥式加工中心 + 靜、動剛度��； 參考：《天津大學》2016年博士論文

【摘要】：精密臥式加工中心作為裝備制造業(yè)的“工作母機”,其發(fā)展水平對我國的裝備制造業(yè)的整體水平有著直接的影響。整機靜動剛度是保證其加工精度的關鍵因素。目前國內的靜動剛度設計多基于經(jīng)驗進行類比設計,缺乏系統(tǒng)化、定量化、快速滿足用戶需求的設計方法。為此,本文以用戶需求的整機靜動剛度為目標,系統(tǒng)地研究了精密臥式加工中心整機靜動剛度正向設計方法,取得了如下成果:1.提出了一種新的表示精密臥式加工中心部件靜剛度的方法。即將部件特定位置處的靜剛度值作為靜剛度系數(shù)來表征部件靜剛度,這些位置既與末端靜剛度直接相關,又能夠代表部件自身。這種方法有助于在設計初期僅有整機基本尺寸的情況下將靜剛度的物理模型抽象成數(shù)學模型,也能夠成為將來部件詳細結構設計的目標。2.以靜剛度系數(shù)表征部件靜剛度為基礎,利用多體系統(tǒng)理論,建立了整機靜剛度模型。在建模的過程中,考慮到了結構件的柔性,將影響因子加入其中來描述一個位置受到的作用力對另一個位置的變形的影響。通過與整機靜剛度實驗進行對比,驗證了模型的正確性。該模型能夠適用于機床設計的骨架模型階段,定性和定量的反映了“框中框”式精密臥式加工中心的靜剛度特性,同時也反映出了機床的基本尺寸對整機靜剛度的影響。3.提出了精密臥式加工中心整機靜剛度匹配設計的方法。在骨架模型階段,以用戶需求的整機靜剛度為目標,利用整機靜剛度數(shù)學模型進行匹配設計,得到各部件靜剛度值。在匹配過程中,采用試驗設計的方法分析了各部件靜剛度對整機靜剛度的貢獻率,發(fā)現(xiàn)了其中的薄弱環(huán)節(jié)。通過仿真實例,說明了該匹配方法的可行性和有效性。4.基于CAD/CAE聯(lián)合仿真分析平臺,利用NSGA-II優(yōu)化設計方法計算出了與靜剛度值相對應的結構件外形結構設計和內部筋板布局。進而計算出了常用的結構件靜剛度所對應的所有結構方案,形成了結構件的結構方案數(shù)據(jù)庫。這樣,以整機靜剛度為目標,匹配得到了各部件的靜剛度,并以這些部件靜剛度為目標,選出了各結構件的結構方案,最終完成了整機靜剛度的正向設計。5.構建了整機參數(shù)化模型,利用CAD/CAE聯(lián)合仿真分析平臺研究了各結構件質量對整機固有頻率的影響規(guī)律;采用試驗設計的方法進行了各結構件質量對整機固有頻率的貢獻率分析,發(fā)現(xiàn)了床身質量,尤其是后床身質量是影響整機固有頻率的關鍵環(huán)節(jié),進而提出了整機動剛度匹配設計方法:在整機靜剛度匹配設計完成的情況下,以給定的整機一階固有頻率為目標,利用床身質量等與一階固有頻率的函數(shù)關系,確定出滿足要求的床身質量與結構尺寸。上述研究成果為精密臥式加工中心的正向設計提供的理論支撐,并開發(fā)出了相應的正向設計軟件,應用于企業(yè)的精密臥式加工中心設計當中。
[Abstract]:As the "working mother machine" of the equipment manufacturing industry, the development level of the precision horizontal machining center has a direct impact on the overall level of the equipment manufacturing industry in China. The static and dynamic stiffness of the whole machine is the key factor to ensure the machining accuracy. At present, the static and dynamic stiffness design in China is based on experience, lacking of systematic, quantitative and rapid design methods to meet the needs of users. Therefore, aiming at the static and dynamic stiffness of the whole machine, this paper systematically studies the forward design method of the static and dynamic stiffness of the whole machine in the precision horizontal machining center. The results are as follows: 1. A new method for representing static stiffness of precision horizontal machining center parts is presented. The static stiffness at a particular position of the component is taken as the static stiffness coefficient to characterize the static stiffness of the component. These positions are directly related to the static stiffness of the end and can also represent the component itself. This method can be used to abstract the physical model of static stiffness into a mathematical model when the basic dimensions of the whole machine are only available at the beginning of design, and it can also become the target of the detailed structural design of components in the future. The static stiffness model of the whole machine is established by using the theory of multi-body system based on the static stiffness coefficient which represents the static stiffness of the components. In the process of modeling, considering the flexibility of the structure, the influence factor is added to describe the effect of the force acting on one position on the deformation of the other position. The correctness of the model is verified by comparing with the static stiffness experiment of the whole machine. This model can be used in the frame model stage of machine tool design. It reflects the static stiffness characteristics of the "frame in frame" precision horizontal machining center qualitatively and quantitatively, and also reflects the influence of the basic size of the machine tool on the static stiffness of the whole machine. The design method of static stiffness matching for the whole machine of precision horizontal machining center is put forward. In the stage of skeleton model, the static stiffness of the whole machine is taken as the target, and the matching design is carried out by using the mathematical model of the static stiffness of the whole machine, and the static stiffness values of each component are obtained. In the matching process, the contribution rate of the static stiffness of each component to the static stiffness of the whole machine is analyzed by the method of experimental design, and the weak links are found. The feasibility and effectiveness of the matching method are illustrated by a simulation example. Based on CAD / CAE joint simulation and analysis platform, the shape and structure design and internal stiffener layout of structural parts corresponding to static stiffness are calculated by using NSGA-II optimization design method. Then, all the structural schemes corresponding to the static stiffness of structural components are calculated, and the database of structural schemes is formed. In this way, the static stiffness of each component is matched with the static stiffness of the whole machine, and the structural scheme of each structural part is selected with the static stiffness of these components as the target. Finally, the forward design of the static stiffness of the whole machine is completed. The parameterized model of the whole machine is constructed, and the influence of the quality of each structural part on the natural frequency of the whole machine is studied by using the CAD / CAE joint simulation and analysis platform, and the contribution rate of the quality of each structural part to the natural frequency of the whole machine is analyzed by the method of experimental design. It is found that the quality of the bed, especially the mass of the back bed, is the key link that affects the natural frequency of the whole machine, and then the matching design method of the whole maneuvering stiffness is put forward: when the static stiffness matching design of the whole machine is completed, Aiming at the given first order natural frequency of the whole machine, the mass and structure size of the bed are determined by using the function relationship between the mass of the bed and the natural frequency of the first order. The above research results provide theoretical support for the forward design of the precision horizontal machining center, and develop the corresponding forward design software, which can be applied to the design of the precision horizontal machining center in the enterprise.
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG659

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本文編號：2106622