龙门加工中心进给系统动态特性分析及结构优化

摘要

进给系统是数控机床的重要组成部分，进给系统的设计要符合特定的条件，从而确保进给系统具有优异的静动态性能，最终保证数控机床的几何精度、运动精度以及加工精度。随着数控机床不断向高精度、高速度发展，进给系统的振动成为制约加工中心性能改善及加工精度提高的重要因素之一。因此，对进给系统进行动态特性研究与结构优化一直受到机床制造厂商和专家学者们的广泛关注。
　　本文结合国家重大科技专项“高速龙门五轴联动加工中心”课题(2012ZX04006-011)，采用实验测试与仿真分析相结合的方式建立进给系统的虚拟样机，开展进给系统的动态特性分析与结构优化工作。完成的主要工作如下:
　　首先，建立进给系统动力学虚拟样机，仿真进给系统在不同条件下的运动，获得动力学参数。利用Ansys与Adams创建进给系统动力学虚拟样机模型，利用谐响应分析得到工作台X向的固有频率。并对切削以及快速进给条件下的进给系统进行了动力学分析，得到丝杠的驱动力矩，进行了进给系统电机匹配性研究。同时分析了丝杠副接触刚度、轴承轴向刚度以及工作台质量对工作台振动频率的影响。
　　其次，结合仿真模型与实验测试对进给系统的振动特性进行分析研究，获得其模态参数。利用东华DH5922N信号采集分析系统完成了切削激励与快速进给条件下的进给系统各部分的振动响应的测试与分析，通过实测发现工作台振动加速度信号中的强迫与固有频率振动的成分，与仿真得到的固有频率进行对比，可以为虚拟样机建立的准确性提供参考。设计了模态测试方案，完成了模态测试;建立了较为准确的进给系统有限元模型，进行了模态分析，得到进给系统前六阶模态振型与频率，确定进给系统变形较大的部位，为下一步的进给系统结构优化提供指导。
　　最后，利用Workbench对进给系统进行结构与拓扑优化，提高伺服进给系统动态特性。对工作台内部筋板结构进行了尺寸优化，在工作台不增重的前提下提高了工作台的固有频率和刚度。对进给运动传动链中丝杠螺母副以及丝杠两端的支承轴承副的轴向刚度对工作台振动频率的影响程度进行了分析。对床身轴承座安装部位处的筋板结构进行了拓扑优化，提高了丝杠支承轴承的轴向支承刚度。
　　本研究对优化龙门加工中心进给系统和改善机床静动态性能，进而提升机床的加工质量具有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 数控机床进给系统动态特性分析研究现状

1．3 数控机床进给系统结构优化设计研究现状

1．4 任务来源及主要研究内容

1．4．1 任务来源

1．4．2 主要研究内容

第2章 龙门加工中心进给系统动力学建模与仿真

2．1 进给系统动力学仿真模型的建立

2．1．1 进给系统几何模型的建立

2．1．2 丝杠与轴承副接触刚度的施加

2．1．3 约束与摩擦的施加

2．2 进给系统与伺服电机匹配性研究

2．2．1 进给系统负载等效转动惯量的匹配

2．2．2 切削工况下负载转矩的匹配

2．2．3 最大加速条件下负载转矩的匹配

2．3 进给系统X向振动特性研究

2．3．1 进给系统X向振动特性

2．3．2 传动刚度与工作台质量对进给系统X向振动的影响

2．4 本章小结

第3章 龙门加工中心进给系统振动测试与模态分析

3．1 龙门加工中心进给系统振动测试

3．1．1 振动测试原理方案与设备

3．1．2 振动测试结果与讨论

3．2．1 模态测试原理方案与设备

3．2．2 模态测试结果与讨论

3．3 龙门加工中心进给系统仿真模态分析

3．3．1 进给系统有限元模型的建立

3．3．2 仿真结果及模型验证

3．4 本章小结

第4章 龙门加工中心进给系统结构优化设计

4．1 工作台结构尺寸优化设计

4．1．1 研究对象及数学模型

4．1．2 尺寸优化及灵敏度分析

4．1．3 优化结果及性能对比

4．2 龙门加工中心进给运动传动链的刚度优化

4．2．1 优化模型的建立

4．4．2 优化结果

4．3 丝杠支承结构拓扑优化设计

4．3．1 拓扑优化模型的建立

4．3．2 优化结果与模型重构

4．3．3 优化后结构性能对比

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与任务