高速立式加工中心進給系統(tǒng)的可靠性及優(yōu)化研究.pdf

1、作為制造業(yè)的基礎(chǔ)裝備的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),高速立式加工中心已成為制造業(yè)的高新技術(shù)發(fā)展方向之一。提高加工中心的工作性能,不僅要求加工中心具有良好的動靜態(tài)性能,還要具有高可靠度的保障才能進行周期長高效率地工作。為此,對高速加工中心進行動靜態(tài)性能、可靠性的研究已成為設(shè)計研究的必要環(huán)節(jié)。加工中心進給系統(tǒng)是機床的關(guān)鍵部位,直接影響整個機床的加工性能。本課題的研究可以最大程度地提高進給系統(tǒng)性能和抗共振的可靠度,所做的研究可以為加工中心的其他部件及整機的性能

2、分析提供了技術(shù)支持。
　　 國內(nèi)對機床結(jié)構(gòu)可靠性及優(yōu)化的研究與工程應(yīng)用已取得了很多的進展,但對加工中心進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析、抗共振可靠性和優(yōu)化設(shè)計方面的研究還仍然有許多理論和技術(shù)問題需要解決。
　　 結(jié)合國家項目,本文是對DVG850高速立式加工中心進給系統(tǒng)進行有限元分析、抗共振可靠性分析及優(yōu)化問題的研究。根據(jù)收集到某企業(yè)生產(chǎn)的加工中心在實際使用過程中的故障數(shù)據(jù),分析得出進給系統(tǒng)是引起加工中心發(fā)生故障的主要部位之一,其中加

3、工精度超差是引起進給系統(tǒng)發(fā)生故障的主要因素。而機床在進行加工時,由共振引起的振動是導(dǎo)致加工精度超差的主要因素之一。
　　 針對加工中心進給系統(tǒng)這一薄弱環(huán)節(jié)及其失效原因,根據(jù)加工中心的設(shè)計經(jīng)驗,結(jié)合DVG850高速立式加工中心電主軸轉(zhuǎn)速的實際加工情況,以X軸方向為例設(shè)計出了網(wǎng)筋結(jié)構(gòu)、直筋結(jié)構(gòu)、斜筋結(jié)構(gòu)和斜圓筋結(jié)構(gòu)的四種結(jié)構(gòu)類型的高速立式加工中心進給系統(tǒng)模型。基于ANSYSWorkbench12.0的軟件平臺對該四種結(jié)構(gòu)進給系統(tǒng)模型

4、進行了靜態(tài)特性分析,分析得出該四種模型結(jié)構(gòu)進給系統(tǒng)的各方向的變形量,計算出四種進給系統(tǒng)的靜剛度并進行各個方向剛度的對比分析,選出最優(yōu)模型,結(jié)果表明,在加工中心X方向進給系統(tǒng),其網(wǎng)筋結(jié)構(gòu)進給系統(tǒng)模型的靜剛度最大。
　　 對網(wǎng)筋結(jié)構(gòu)、直筋結(jié)構(gòu)、斜筋結(jié)構(gòu)和斜圓筋結(jié)構(gòu)的四種結(jié)構(gòu)類型的高速立式加工中心進給系統(tǒng)模型進行可靠性概率設(shè)計,得出了四種進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的前8階固有頻率及相應(yīng)的陣型圖,經(jīng)分析得出,網(wǎng)筋結(jié)構(gòu)進給系統(tǒng)的前三階固有頻率值最高

5、。引用了模糊可靠性理論,建立隸屬函數(shù),在提取模態(tài)頻率后,將模糊函數(shù)的隸屬函數(shù)編制的APDL語言程序應(yīng)用到可靠度分析計算中進行抽樣,計算出四種結(jié)構(gòu)進給系統(tǒng)模型的抗共振的模糊可靠度,經(jīng)分析得出,四種結(jié)構(gòu)類型的抗共振的模糊可靠度最大的是網(wǎng)筋結(jié)構(gòu)進給系統(tǒng),即為98%。綜合分析可得出網(wǎng)筋結(jié)構(gòu)的進給系統(tǒng)的靜態(tài)特性與抗共振的可靠性比其它三種結(jié)構(gòu)類型更優(yōu)。
　　 運用拓撲優(yōu)化理論,對高速立式加工中心的進給系統(tǒng)最優(yōu)模型網(wǎng)筋結(jié)構(gòu)進給系統(tǒng)進行了拓撲優(yōu)

6、化設(shè)計,為了提高該進給系統(tǒng)的抗共振的可靠度,在拓撲優(yōu)化時設(shè)定以前3階固有頻率的加權(quán)平均函數(shù)為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),體積為約束函數(shù)。得出拓撲偽密度云圖,并結(jié)合加工中的裝配尺寸的情況,對進給系統(tǒng)進行材料布局的改進,設(shè)計出了優(yōu)化后的新模型,提高進給系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)性能。
　　 對優(yōu)化后的高速立式加工中心進給系統(tǒng)模型進行靜態(tài)特性分析,并將其分析結(jié)果靜剛度與優(yōu)化前的模型靜剛度進行對比分析,其X方向的靜剛度提高了10.3%,在Y方向的靜剛度提高了