数控龙门铣床力学特性分析与多目标优化

摘要

数控龙门铣床是机械加工的工作母机，是军工业、交通运输业和电力工业等领域重要的加工设备。随着对产品精度要求的提高，数控龙门铣床需要更好的综合性能来满足零件的加工精度。利用传统经验设计的数控龙门铣床的结构质量笨重，没有充分发挥结构的优点，因此，需要采用现代设计方法对数控龙门铣床结构进行优化设计。本文以国内某公司生产的数控龙门铣床为研究对象，研究了数控龙门铣床结构的静动态特性，对结构进行了改进与优化。本文研究的主要内容如下：
　　1.建立了数控龙门铣床结构的三维模型与有限元模型。根据原有数控龙门铣床设计图纸，采用Solidworks软件建立了数控龙门铣床的三维模型。分析了数控龙门铣床极限加工工况，利用有限元简化的原则建立了数控龙门铣床结构的有限元仿真模型。
　　2.研究了数控龙门铣床关键零部件及整机的力学特性。对数控龙门铣床横梁、立柱与整机进行静动态特性分析，得到了在极限工况下的变形与应力分布情况，获取了前6阶振型及固有频率，找到了薄弱环节，为后续结构改进和优化设计提供依据。
　　3.改进了数控龙门铣床整机结构的力学特性。根据数控龙门铣床整机的静动态性能分析，找到整机的薄弱环节，对整机进行了结构改进。
　　4.优化了数控龙门铣床关键零部件的力学特性。根据数控龙门铣床横梁与立柱部件的静动态分析结果，结合正交试验、响应面模型和遗传算法对6个尺寸参数进行多目标优化设计。优化后横梁最大变形量基本不变，一阶固有频率增加了5.52％，质量减少了11.68%。优化后立柱一阶固有频率基本不变，最大变形量减少了4.39%，质量减少了10.45%。
　　5.验证了零部件优化后对整机静动态性能改善的效果。将横梁和立柱结构优化后的模型重新装配成整机，分析了优化后整机的静动态特性，并与原整机模型性能进行对比分析，优化后整机将避免了共振的发生，且x、y和z向刚度分别提高了12.47%、10.16%、26.37%，前4阶固有频率分别增加了28.72%，7.03%，18.02%，2.60%，整机质量减少了1480kg，比原整机质量减少比重为5.24%，提高了整机的静动态性能且同时减小了质量，达到优化的目的。

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第一章 绪论

§1.1 引言

§1.2 课题研究背景和意义

§1.3 国内外研究现状

§1.4 本文主要研究内容

第二章 数控龙门铣床关键零部件及整机静态特性研究

§2.1 引言

§2.2 数控龙门铣床简介及三维模型的建立

§2.3 结构静力学有限元求解方法

§2.4 切削力计算及极限工况的确定

§2.5 数控龙门铣床关键零部件静态特性分析

§2.6 数控龙门铣床整机静态特性分析

§2.7 本章总结

第三章 数控龙门铣床关键零部件及整机动态特性研究

§3.1 引言

§3.2 结构动力学有限元求解方法

§3.3 数控龙门铣床关键零部件动态特性分析

§3.4 数控龙门铣床整机模态分析

§3.5 本章总结

第四章 基于响应面法的关键零部件多目标优化设计

§4.1 引言

§4.2 多目标优化的基本理论

§4.3 遗传算法及其基本原理

§4.4 结构的优化设计流程

§4.5 横梁的尺寸优化设计

§4.6 立柱的尺寸优化设计

§4.7 整机性能对比分析

§4.8 本章总结

第五章 总结与展望

§5.1 研究工作总结

§5.2 展望

参考文献

附录

致谢

作者在攻读硕士学位期间主要学术成果