铣车复合加工中心直驱转台动静态特性分析及结构优化

摘要

随着科学技术的发展，高档数控机床正向高速度、高精度、高效率、复合化方向发展，具有诸多优点的铣车复合加工中心是现代数控机床发展方向之一。相比其他类型机床，它的车削主轴与动力刀架上的铣刀主轴合运动，能够实现以铣代车的功能，是当今数控技术得到较大发展的条件下产生的一种高速切削技术。同时，它可以实现复杂零部件一次装夹，完成全部加工工序，大幅度提高了加工精度和生产效率。
　　铣车复合加工中心功能部件-直驱静压转台是关键功能部件之一，它的驱动精度高、反应灵敏、输出扭矩大、可靠性高，具有很高的动态响应速度和高加速度、高刚度、高定位精度、高承载能力。定量分析直驱静压转台具有良好的静动态特性及其轻量化设计等关键技术，成为铣车复合加工中心急需解决的问题之一。本文应用计算机建模与仿真技术，针对直驱静压转台理论建模、静力学分析、动力学分析及结构尺寸优化等方面进行深入研究，可以为加工中心直驱转台的设计提供理论依据。本文的主要研究内容如下:
　　(1)通过研究直驱转台的结构特点，建立了直驱转台的力学模型。根据直驱转台的力学模型，结合有限元软件，推导了主、辅静压导轨的油膜刚度计算公式和双列圆柱滚子轴承径向刚度计算公式，并计算了最大铣削力和最大车削力。
　　(2)根据有限单元位移法的求解原理，制定了用于求解与评价转台静动态特性的有限元流程图。根据流程图，进一步阐述了结构非线性静力学理论、模态理论以及谐响应理论，为后续的研究提供理论支撑。
　　(3)针对轴承结合部和静压支承对转台系统静动态特性的影响，提出弹簧单元方法模拟轴承结合部和静压支撑的方法。根据静力学理论，并综合考虑轴承结合部和静压支承的影响，仿真了直驱转台铣削工况和车削工况的静态特性，获得了不同工况下的静刚度结果。结果表明，转台的静刚度满足设计要求。根据模态理论对直驱转台进行模态分析，获得了前6阶固有频率及相应的振型。结果表明，直驱转台的运行频率远小于直驱转台的低阶频率，不会发生共振。为了解油膜厚度对转台固有频率影响，计算了不同油膜厚度相对应的前6阶固有频率。结果表明，油膜厚度对转台的前两阶固有频率影响较小。根据谐响应理论，计算了空载工况和满载工况下直驱转台的谐响应，获得了两种工况X、Y、Z方向位移的幅频特性曲线及动刚度值。空载工况的结果表明，激振频率为80Hz时X方向切削力对Z方向加工精度影响较大;激振频率为80Hz时Y方向切削力对X方向加工精度影响较大;激振频率为280Hz时Z方向切削力对Y方向加工精度影响较大。满载工况的结果表明，激振频率为80Hz时X方向切削力对Z方向加工精度影响较大;Y方向切削力对X方向加工精度影响较大;激振频率为80Hz、505Hz时Z方向切削力对Z方向加工精度影响较大。
　　(4)为提高直驱转台动静刚度和动态响应特性，需对其进行结构尺寸优化。根据多目标优化原理及直驱转台静动特性仿真结果，确定目标函数、约束函数、设计变量，并用中心复合实验方法确定试验点，用Kriging方法构造设计变量与目标函数之间的响应模型，用灵敏度分析方法验证设计变量的有效性和重要程度大小，用遗传算法对建立的数学模型进行求解。最后，通过求解计算，获得了直驱转台的最优结构尺寸。即在满足直驱转台动静刚度前提下，使直驱转台的质量减轻了153kg。因此，相比优化前的直驱转台，优化后的直驱转台不仅节省了制造成本，还改善直驱转台的动态响应特性。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 直驱转台技术及其国内外研究现状

1．2．1 直驱转台的特点

1．2．2 转台国内外研究现状

1．3 课题研究的目的和意义

1．4 本文主要内容

第2章 数控转台结构简介及其工作参数计算

2．1 直驱转台结构简介

2．2 关键技术分析

2．2．1 直接驱动技术

2．2．2 定量开式静压导轨及其特点

2．2．3 定量开式静压导轨结构

2．3 静压导轨油膜刚度计算

2．4 切削力计算

2．4．1 铣削力计算

2．4．2 车削力计算

2．5 双列圆柱滚子轴承刚度计算

2．6 本章小结

第3章 有限元静动态特性基本理论介绍

3．1 有限单元法基本理论概述

3．2 结构非线性静力分析的理论基础

3．3 模态分析的理论基础

3．4 谐响应分析的理论基础

3．5 本章小结

第4章 转台有限元模型建立与静动特性计算及其分析

4．1 有限元模型建立

4．2 转台静态分析

4．2．1 铣削工况

4．2．2 车削工况

4．3 转台模态分析

4．3．1 模态分析

4．3．2 油膜压力对固有频率的影响

4．4 转台谐响应分析

4．4．1 空载直驱转台的谐响应分析

4．4．2 满载直驱转台的谐响应分析

4．5 本章小结

第5章 转台动静态多目标优化

5．1 优化设计概述

5．2 优化设计基本理论

5．3 优化方法确定

5．4 优化设计的基本步骤

5．5 转台优化模型的建立

5．5．1 转台设计变量的确定

5．5．2 优化数学模型确定

5．5．3 试验点及响应面模型确定

5．5．4 灵敏度分析

5．5．5 优化过程及结果

5．6 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文