龙门五面体加工中心关键部件的动力学分析研究

摘要

高速度、高精度、高效率和高刚度已成为当今数控机床发展的主要方向，普通龙门机床一般只能进行单面加工，当加工零件的另一个表面时，需要加装一个直角转换头或者调转零件的加工面后重新装夹，这不但增加了机床操作者的劳动强度，影响加工效率，并且重新定位装夹也降低了零件的加工精度，为了弥补这些不足，龙门五面体加工中心便应运而生。五面体加工中心一次装夹就能实现工件五个表面的加工，提高了零件的加工精度和加工效率，因此五面体加工中心成为当前数控机床行业重点研究的对象之一。
　　 五面体加工中心机械结构复杂，各结构部件刚度要求也很高。本文针对目前国内五面体加工中心结构刚度设计的问题，以广州某数控机床公司开发生产的VMC23250型龙门五面体加工中心为研究对象，运用动力学方法对其关键部件进行分析，通过分析计算结果对机床的静动态性能进行评估，进而对其进行改进优化，寻求改进后的设计方案。论文的具体内容如下:
　　 1.基于机床动力学的分析理论，建立龙门五面体加工中心关键部件的力学模型，并对其进行受力计算，为后续的动力学分析提供合理的边界条件以及刚度计算依据。
　　 2.从龙门五面体加工中心的结构特点出发，进行机床结构建模、虚拟装配以及创建力学模型，对机床的关键部件进行动力学特性分析，得出固有振动频率和振幅等情况。通过对机床关键部件的静动刚度分析评估机床结构的稳定性。
　　 3.针对机床横梁结构存在的一般问题，本文创新性提出了一种预拱型横梁结构，设计了拱形结构实验台，并进行静动态特征仿真实验分析，，借助相似性原理研究机床横梁预拱结构的设计问题。
　　 研究结果表明:改进后横梁结构的静动刚度都有了明显提高，基本满足龙门五面体加工中心高刚度的设计要求，提高了机床的工作性能，对弥补我国在五面体加工中心方面相对缺乏较深入的研究有一定现实意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外机床动力学研究基本现状

1.2.1 机床动力学研究的基本问题

1.2.2 龙门机床关键部件的动力学问题

1.3 课题来源和研究对象

1.4 论文的主要内容和研究路线

第二章 机床动力学研究基本原理

2.1 机床动力学研究的内容

2.2 有限元分析法简介

2.2.1 有限元法的基本思路

2.2.2 有限元分析的主要步骤

2.3 机床结构的动力学分析

2.3.1 结构件的力学分析

2.3.2 结构件的模态分析

2.4 本章小结

第三章 龙门五面体加工中心的有关设计结构

3.1 龙门五面体加工中心的结构特点

3.2 龙门五面体加工中心的虚拟建模

3.3 几个关键零部件的虚拟模型

3.3.1 主轴箱

3.3.2 横梁

3.3.3 立柱

3.3.4 其他零部件

3.4 本章小结

第四章 龙门五面体机床关键部件静动态分析

4.1 机床横梁最大工作载荷的确定

4.1.1 机床横梁的受力模型

4.1.2 机床相关参数的确定

4.1.3 五面体机床横梁的受力分析

4.1.4 作用在横梁工作线上的载荷

4.2 机床主轴箱静动态分析

4.2.1 主轴箱静力学分析

4.2.2 主轴箱模态分析

4.3 机床横梁静动态分析

4.3.1 横梁静力学分析

4.3.2 横梁模态分析

4.4 机床横梁部件静动态分析

4.4.1 横梁部件静力学分析

4.4.2 横梁部件模态分析

4.5 本章小结

第五章 横梁预拱结构的实验台设计与仿真分析

5.1 横梁预拱结构的提出

5.2 横梁预拱结构的设计技术方案

5.3 拱形结构实验台的设计及静动态性能仿真分析

5.3.1 拱形结构实验台的设计

5.3.2 实验台的静动态性能仿真分析

5.4 基于实验仿真研究的机床预拱结构横梁的设计研究

5.4.1 拱形横梁结构的设计

5.4.2 拱形横梁部件静动态分析

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢