龍門加工中心作為大型數(shù)控加工設(shè)備,其零部件的設(shè)計和性能直接影響機(jī)床的加工精度。在加工過程中的振動和受力是造成加工精度下降的主要原因,劇烈振動甚至?xí)䦟?dǎo)致零部件的損壞,降低機(jī)床的使用壽命。如何在保證零部件和機(jī)床整機(jī)性能的前提下,降低零部件的質(zhì)量是當(dāng)下研究的熱點問題。本文以GL-2013Z龍門加工中心為研究對象,通過整機(jī)的靜、動態(tài)分析得到機(jī)床整機(jī)的性能參數(shù),并對橫梁、滑鞍和床身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,主要內(nèi)容如下:（1）利用Solidworks建立該加工中心整機(jī)三維模型,計算在銑削狀態(tài)下的切削力,并對模型進(jìn)行靜態(tài)特性分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,得到機(jī)床整機(jī)的靜變形量、前六階模態(tài)頻率和振型及頻率響應(yīng)曲線等參數(shù),為零部件的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。（2）根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計理論,并基于ANSYS Workbench平臺對橫梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和筋板選型相結(jié)合的輕量化設(shè)計。然后通過分析和對比選擇“X”型筋板作為新橫梁的筋板,橫梁質(zhì)量減小了2.1%。通過優(yōu)化前后的對比單件及機(jī)床整機(jī)靜、動態(tài)性能,驗證了優(yōu)化設(shè)計的有效性。（3）基于靈敏度分析理論分析了滑鞍關(guān)鍵尺寸對質(zhì)量、一階固有頻率和靜剛度的靈敏度,并通過對分析將對性能影響較大的... 

【文章來源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

加工中心整機(jī)的有限元模型

工程碩士學(xué)位論文13(a)總變形云圖(b)X方向變形云圖(c)Y方向變形云圖(d)Z方向變形云圖圖2.3加工中心三個方向的變形量根據(jù)式(2.2)的計算結(jié)果，加工中心在Y軸方向所受的銑削分力較小，因此，在Y軸方向上的變形最小，加工中心在Y軸方向的剛度最好。X軸和Z軸方向的變形量相對較大，原因是X軸方向承受的銑削分力較大，而Z軸受主軸箱及其組件的重力影響，因此，加工中心在X和Z軸方向的剛度相對較低。從加工中心的變形云圖中不難看出，變形主要來自主軸箱和滑鞍等零部件，而橫梁、床身、立柱和工作臺等結(jié)構(gòu)件的變形均較校因此，可將橫梁等結(jié)構(gòu)件作為輕量化設(shè)計的對象，主軸箱等零部件主要以提高其剛度為主要優(yōu)化目標(biāo)。2.6加工中心整機(jī)模態(tài)分析結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析主要包括對結(jié)構(gòu)的固有振動特性和頻率響應(yīng)特性兩個方面的研究。在工程應(yīng)用中常通過無阻尼下結(jié)構(gòu)的振動分析來研究機(jī)構(gòu)的固有振動特性，依此來確定結(jié)構(gòu)件的固有頻率和振型等性能參數(shù)。結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)的重要設(shè)計參數(shù)。在動態(tài)特性分析中系統(tǒng)所受的載荷不是恒定的，而是隨時間變化的。根據(jù)機(jī)械振動理論可知，當(dāng)物體的固有頻率非常接近或者等于外加激勵的頻率時，可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的劇烈振動。通過模態(tài)分析可以得到橫梁結(jié)構(gòu)的國有頻率和振型，從而更好的了解結(jié)構(gòu)的振動特性。

GL-2013Z龍門加工中心關(guān)鍵零部件的輕量化設(shè)計16(a)第一階模態(tài)振型圖(b)第二階模態(tài)振型圖(c)第三階模態(tài)振型圖(d)第四階模態(tài)振型圖(e)第五階模態(tài)振型圖(f)第六階模態(tài)振型圖圖2.4加工中心前六階模態(tài)振型跟據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，加工中心整機(jī)的一階固有頻率在31Hz左右，前三階振型都表現(xiàn)為以橫梁為主的整體振型，沒有出現(xiàn)局部振動。有研究結(jié)果表明來自環(huán)境的外界干擾頻率都不超過25Hz[41]，因此該機(jī)床由于外界干擾而發(fā)生共振的概率很小，但是其一階固有頻率并不高，因此有必要對機(jī)床的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高其整體性能。2.7加工中心的諧響應(yīng)分析通過諧響應(yīng)分析不僅可以得到系統(tǒng)在受到外界簡諧載荷作用時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)情況，還可以提前預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的持續(xù)動態(tài)性能。機(jī)床在實際生產(chǎn)過程中，由于主軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動，會對機(jī)床產(chǎn)生持續(xù)的激勵作用，因此有必要對機(jī)床做諧響應(yīng)分析。通過諧響應(yīng)分析可以找到系統(tǒng)響應(yīng)的峰值所對應(yīng)的低階頻率，從而驗證結(jié)構(gòu)是否能夠有效避免共振的發(fā)生，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于固定網(wǎng)格和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化自適應(yīng)泡泡法[J]. 蔡守宇,張衛(wèi)紅,高彤,趙軍.  力學(xué)學(xué)報. 2019(04)
[2]基于拓?fù)鋬?yōu)化的變密度點陣結(jié)構(gòu)體優(yōu)化設(shè)計方法[J]. 廖中源,王英俊,王書亭.  機(jī)械工程學(xué)報. 2019(08)
[3]橋式龍門銑床橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[J]. 高志來,邱自學(xué),任東,崔德友,徐新朋.  工程設(shè)計學(xué)報. 2019(01)
[4]基于水平集法的薄板加強(qiáng)筋分布優(yōu)化理論研究[J]. 崔榮華,崔天晨,孫直,張維聲,郭旭.  固體力學(xué)學(xué)報. 2018(06)
[5]動車組車體模態(tài)靈敏度及優(yōu)化設(shè)計研究[J]. 張軍,張曉林,方吉.  機(jī)械工程學(xué)報. 2018(12)
[6]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的機(jī)床滑動結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)識別[J]. 朱堅民,周亞南,何丹丹,鄭洲洋.  振動與沖擊. 2018(07)
[7]汽車方向盤骨架輕量化設(shè)計[J]. 時培成,王克飛,張榮蕓.  機(jī)械設(shè)計. 2018(01)
[8]基于局部相對密度映射的變密度多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[J]. 趙芳壘,敬石開,劉晨燕.  機(jī)械工程學(xué)報. 2018(19)
[9]VL1060立式加工中心床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 鄭文標(biāo),彭晉民.  組合機(jī)床與自動化加工技術(shù). 2017(05)
[10]概念設(shè)計階段機(jī)床基礎(chǔ)大件質(zhì)量的優(yōu)化方法[J]. 陳以磊,邱志惠,郭俊康,洪軍,劉志剛.  西安交通大學(xué)學(xué)報. 2017(07)

碩士論文
[1]龍門式加工中心滑枕部件結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[D]. 馬秉志.浙江工業(yè)大學(xué) 2019
[2]基于拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化的客車骨架輕量化設(shè)計[D]. 王文甲.華僑大學(xué) 2018
[3]面向增材制造的空間結(jié)構(gòu)節(jié)點拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[D]. 陳敏超.浙江大學(xué) 2018
[4]銑車復(fù)合加工中心直驅(qū)擺頭動力刀架支架輕量化設(shè)計[D]. 高雙.蘭州理工大學(xué) 2018
[5]QYJ-16型臥式加工中心床身結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性分析及優(yōu)化設(shè)計[D]. 張業(yè)成.蘭州理工大學(xué) 2017
[6]數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁動力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計[D]. 羅黎.東南大學(xué) 2015
[7]基于靈敏度和有限元分析的龍門加工中心橫梁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計[D]. 張森.南通大學(xué) 2014
[8]加工中心十字滑臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及靜剛度試驗[D]. 宮玉林.大連理工大學(xué) 2010



本文編號：2994469