立式加工中心支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計是高端裝備制造業(yè)的重要組成部分。隨著我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級面臨重要戰(zhàn)略機遇，亟需加快數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計進程，快速掌握機床結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，研究數(shù)控機床設(shè)計開發(fā)、分析評估、改進優(yōu)化成為亟待解決的主要問題?；诖耍菊n題提出立式加工中心支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。它是以支承件為基礎(chǔ)，通過分析涵蓋靜聯(lián)接與動聯(lián)接的支承系統(tǒng)靜態(tài)性能，研究系統(tǒng)靜態(tài)精度對支承件位移參數(shù)的敏感程度，獲取高影響程度支承結(jié)構(gòu)，設(shè)計或優(yōu)化其結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。本課題受國家科技重

2、大專項(NO.2012ZX04010011)資金支持。延續(xù)課題組所提出的支承件模型化設(shè)計、拓撲優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和性能計算與評價的設(shè)計流程，研究支承系統(tǒng)的有限元靜態(tài)分析，在模擬支承系統(tǒng)位移場的基礎(chǔ)上進行支承件與靜態(tài)精度的關(guān)聯(lián)工作，提煉出支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴立式加工中心支承系統(tǒng)的有限元靜態(tài)分析。以三軸立式加工中心為研究對象，具體闡述了有限元法理論基礎(chǔ)，概括有限元靜態(tài)分析的運算方法、計算流程和實

3、例應(yīng)用，涵蓋物理模型建立和螺釘、滾動導(dǎo)軌副有限元等效，模擬切削載荷下機床的靜態(tài)位移場。⑵立式加工中心支承系統(tǒng)的敏感性分析。通過拓撲結(jié)構(gòu)描述機床支承件的相互鄰接關(guān)系，基于齊次坐標(biāo)變換描述各支承件位移參數(shù)與靜態(tài)精度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以敏感性形式完成支承件位移參數(shù)對機床靜態(tài)精度的影響程度。結(jié)果顯示，立柱是該立式加工中心支承系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。⑶立式加工中心整機靜剛度試驗。明確了機床整機的靜剛度測試過程，包括試驗原理、試驗儀器和試驗過程，總結(jié)測試中的注意

4、事項，記錄了梯度載荷下機床的相對位移。通過對試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了支承系統(tǒng)有限元靜態(tài)分析、支承件位移參數(shù)與靜態(tài)精度關(guān)聯(lián)模型的有效性。⑷立式加工中心支承結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。基于敏感性分析結(jié)果，以支承系統(tǒng)靜態(tài)精度影響明顯的立柱為例進行了拓撲優(yōu)化設(shè)計，提出了結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上，將該機床的刀尖最大變形量作為優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，兼顧支承系統(tǒng)的質(zhì)量與固有頻率，建立了支承系統(tǒng)中涉及立柱壁板和結(jié)構(gòu)單元的尺度優(yōu)化設(shè)計方法。最后，立式加工中心支承