考虑结合部特性的激光切割机力学性能研究及其结构优化

摘要

与传统机械加工相比，激光切割具有切削速度快、噪声小、应用范围广等优点，因此被广泛应用于汽车制造、石油化工和航空航天等领域。目前，国内的激光切割设备厂家大多采用关键部件外购并二次组装的生产形式，导致设备的投入高，生产效率低，而组装后的设备静动态性能都比较差，加工精度也不高。因此研发具有自主知识产权的、高效的、动静态特性良好的激光切割机床，可以大幅度提高钣金的生产效率。
　　论文通过对国内外成熟产品的调研，确定了激光切割机的设计要求、整体布局和主要技术参数等指标，基于模块化设计的原理对激光切割机进行了模块划分，并着重阐述了切割机关键部分的设计过程与关键零部件的选型。
　　在对切割机整机建立有限元建模时，利用等效弹簧模型和刚度矩阵的方法，模拟了结合部的接触关系，利用Hyper mesh进行前处理，最终得到了整机的有限元模型。采用此模型分析了切割机在重力场的变形情况，又提取多工位的变形情况作为对比，找出了变形最大的工位;通过整机模态分析得到了了整机的前六阶固有振型，使之与刚性固连的整机模型的分析结果做了对比，得到整机薄弱环节;对整机进行谐响应分析，获取道其在X、Y、Z方向上的幅频特性曲线，为加工参数的选取提供了依据。
　　在仿真分析的基础上，又对激光切割机的龙门架结构进行了多目标的优化设计，基于中心复合实验法，建立了龙门架结构目标尺寸输入与结构响应输出的响应面模型，利用此模型并考虑各个设计变量对目标函数和约束函数的灵敏度影响，最终得到了龙门架结构的最优设计点，完成了其自身的优化目标;对优化后的整模型重新分析，验证了优化的合理性。
　　本课题研究内容可为激光切割设备的研发提供方法，并为研究此类设备的静动力学特性与优化设计提供理论基础，有助于提高激光切割机生产质量降低生产成本。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究目的与意义

1．2 激光切割机概述

1．2．1 激光加工介绍

1．2．2 激光加工设备发展及应用现状

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国内外机床动力学的研究现状

1．3．2 国内外机床结构优化研究现状

1．4 本文主要内容及组织结构

第2章 激光切割机床的结构设计与零部件的选型

2．1 设计对象与设计要求

2．2 总体结构布局设计

2．3 机床总体模块划分

2．4 机床关键部分的设计与部件的选型

2．4．1 移动式龙门架的设计

2．4．2 床身与底座的设计

2．4．3 Z轴装置的设计

2．4．4 传动方案设计与传动零部件的选型

2．5 本章小结

第3章 考虑结合部的机床整机有限元模型建立

3．1 机床主要结合部概述

3．2 直线滚动导轨动力学建模

3．2．1 直线滚动导轨结合面建模方法

3．2．2 等效弹簧刚度的计算与弹簧分布点的布置

3．3 滚珠丝杠与螺母结合部的动力学建模

3．3．1 滚珠丝杠副受力坐标系变换及刚度矩阵理论

3．2．2 单一滚珠的刚度矩阵与总刚度矩阵的求解

3．2．3 机床各个滚珠丝杠副结合面的建模计算

3．4 轴承结合部动力学建模

3．4．1 轴承结合部动力学建模方法研究

3．4．2 等效弹簧刚度的计算与弹簧分布点的布置

3．5 固定结合部的动力学建模

3．6 考虑结合部特性的整机有限元模型建立

3．7 本章小结

第4章 激光切割机力学特性分析及其影响因素研究

4．1 激光切割机的静力学分析

4．1．1 切割机在重力场下的静变形

4．1．2 切割机移动部件所处位置对整机静态特性的影响研究

4．2 激光切割机的动力学分析

4．2．1 考虑结合部特性的整机模态分析

4．2．2 结合部刚性固连的整机模态分析

4．2．3 激光切割机的频率响应分析

4．3 结合部等效弹簧刚度值对机床动态特性的影响研究

4．4 本章小结

第5章 激光切割机薄弱环节的优化设计

5．1 龙门架结构的多目标参数优化

5．1．1 多目标优化设计的数学模型

5．1．2 优化设计变量的确定

5．1．3 中心复合实验设计与响应面模型的建立

5．1．4 龙门架结构优化结果

5．2 优化前后的机床整机的静、动力学特性对比

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢