高速立式加工中心进给系统的可靠性及优化研究

摘要

作为制造业的基础装备的战略性产业,高速立式加工中心已成为制造业的高新技术发展方向之一。提高加工中心的工作性能,不仅要求加工中心具有良好的动静态性能,还要具有高可靠度的保障才能进行周期长高效率地工作。为此,对高速加工中心进行动静态性能、可靠性的研究已成为设计研究的必要环节。加工中心进给系统是机床的关键部位,直接影响整个机床的加工性能。本课题的研究可以最大程度地提高进给系统性能和抗共振的可靠度,所做的研究可以为加工中心的其他部件及整机的性能分析提供了技术支持。
　　 国内对机床结构可靠性及优化的研究与工程应用已取得了很多的进展,但对加工中心进给系统的结构分析、抗共振可靠性和优化设计方面的研究还仍然有许多理论和技术问题需要解决。
　　 结合国家项目,本文是对DVG850高速立式加工中心进给系统进行有限元分析、抗共振可靠性分析及优化问题的研究。根据收集到某企业生产的加工中心在实际使用过程中的故障数据,分析得出进给系统是引起加工中心发生故障的主要部位之一,其中加工精度超差是引起进给系统发生故障的主要因素。而机床在进行加工时,由共振引起的振动是导致加工精度超差的主要因素之一。
　　 针对加工中心进给系统这一薄弱环节及其失效原因,根据加工中心的设计经验,结合DVG850高速立式加工中心电主轴转速的实际加工情况,以X轴方向为例设计出了网筋结构、直筋结构、斜筋结构和斜圆筋结构的四种结构类型的高速立式加工中心进给系统模型。基于ANSYSWorkbench12.0的软件平台对该四种结构进给系统模型进行了静态特性分析,分析得出该四种模型结构进给系统的各方向的变形量,计算出四种进给系统的静刚度并进行各个方向刚度的对比分析,选出最优模型,结果表明,在加工中心X方向进给系统,其网筋结构进给系统模型的静刚度最大。
　　 对网筋结构、直筋结构、斜筋结构和斜圆筋结构的四种结构类型的高速立式加工中心进给系统模型进行可靠性概率设计,得出了四种进给系统结构模型的前8阶固有频率及相应的阵型图,经分析得出,网筋结构进给系统的前三阶固有频率值最高。引用了模糊可靠性理论,建立隶属函数,在提取模态频率后,将模糊函数的隶属函数编制的APDL语言程序应用到可靠度分析计算中进行抽样,计算出四种结构进给系统模型的抗共振的模糊可靠度,经分析得出,四种结构类型的抗共振的模糊可靠度最大的是网筋结构进给系统,即为98%。综合分析可得出网筋结构的进给系统的静态特性与抗共振的可靠性比其它三种结构类型更优。
　　 运用拓扑优化理论,对高速立式加工中心的进给系统最优模型网筋结构进给系统进行了拓扑优化设计,为了提高该进给系统的抗共振的可靠度,在拓扑优化时设定以前3阶固有频率的加权平均函数为优化的目标函数,体积为约束函数。得出拓扑伪密度云图,并结合加工中的装配尺寸的情况,对进给系统进行材料布局的改进,设计出了优化后的新模型,提高进给系统的静态、动态性能。
　　 对优化后的高速立式加工中心进给系统模型进行静态特性分析,并将其分析结果静刚度与优化前的模型静刚度进行对比分析,其X方向的静刚度提高了10.3%,在Y方向的静刚度提高了22.6%,Z方向的静刚度提高了0.24%;对高速立式加工中心的优化后的进给系统模型进行基于模糊可靠性理论的可靠性概率分析,将其分析结果与优化前模型的分析结果进行对比分析,得出前8阶固有频率除了第6阶和第8阶固有频率略微有所降低,其余各阶固有频率均有提高,特别是前5阶固有频率有了较大程度地提高,提高幅度最大的是9.23%,计算得出优化后的进给系统的抗共振的模糊可靠度为99.986%。