数控机床工作台系统结构优化及其可靠性分析

摘要

近年来，随着以汽车工业为代表的机电装备工业和以航空航天为代表的高新技术产业的快速发展，与之相关的机械产品构件变的日趋复杂多样化且更加注重机械加工的精度和效率。机械构件的加工精度和效率与数控机床的精度及可靠性水平变得日益密切，但是由于机床构型更加复杂，在随机因素的作用下极易发生故障或者加工精度降低。
　　本文以数控机床工作台、底座、鞍座为主组成的系统为研究对象，在典型工作状态下，分别进行工作台系统结构的静力学与动力学分析。在静力学分析过程中采用绑定方式建立接触对;在动力学分析过程中考虑接触面对工作台系统精度与性能的影响，采用弹簧阻尼单元建立接触面动力学分析模型。通过对工作台系统结构的静力学和动力学分析，得到系统受力后的最大位移、最大应力以及固有频率与相应振型，由此分析了工作台系统结构在工作过程中的薄弱环节。
　　运用优化设计理论，采用Isight软件集成Solidworks与ANSYS开展工作台系统的动态优化设计，将工作台系统中各个部件的最大位移、一阶固有频率以及重量作为优化目标，分别开展工作台系统结构动态设计与结构优化。同时，通过动态优化获取了设计变量与目标变量的相关关系，以此评价了各个设计变量对目标变量的影响程度。
　　采用最优拉丁超立方试验设计方法进行样本点抽样，结合抽取的样本点，运用响应面方法建立设计变量与目标变量之间的数学模型，探索设计变量与目标变量之间的量化关系并建立以最大位移表示的极限状态方程;采用Monte Carlo与改进的一次二阶矩方法计算各个部件结构的可靠度以及失效概率对各个设计变量均值与标准差的灵敏度，获取了机床工作台系统各部件在加工过程中考虑随机因素时设计变量对其性能的影响权重。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 工程结构优化与可靠性分析基本理论与方法

2．1 工程结构优化简介

2．1．1 优化设计理论及基本过程

2．1．2 基于Isight优化方法

2．2 可靠性分析基本理论与方法

2．2．1 可靠性基本理论

2．2．2 可靠性及可靠性灵敏度分析方法

2．3 本章小结

第3章 机床工作台系统的有限元分析

3．1 机床工作台系统静力分析

3．1．1 数控机床铣削力的计算

3．1．2 工作台系统静力分析过程

3．1．3 静力分析求解及结果分析

3．2 机床工作台系统模态分析

3．2．1 机床结合部刚度和阻尼机理

3．2．2 结合部的动力学建模

3．2．3 结合部的参数识别

3．2．4 模态分析求解及结果分析

3．3 本章小结

第4章 机床工作台系统的结构优化

4．1 优化算法的选择

4．2 机床工作台系统结构优化

4．2．1 工作台结构优化

4．2．2 底座的结构优化

4．2．3 鞍座的结构优化

4．3 机床工作台系统整体结构优化对比分析

4．4 本章小结

第5章 结构可靠性分析

5．1 基于多项式函数的响应面方法

5．2 工作台可靠性分析

5．2．1 响应面函数拟合

5．2．2 误差分析

5．2．3 可靠性分析

5．3 底座的可靠性分析

5．3．1 响应面函数拟合

5．3．2 误差分析

5．3．3 可靠性分析

5．4 鞍座的可靠性分析

5．4．1 响应面函数拟合

5．4．2 误差分析

5．4．3 可靠性分析

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢