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滚动导轨联接与床身结构方案设计.pdf

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滚动导轨联接及床身结构方案设计选取支承件特征尺寸,采用ANSYS Workbench对其进行尺寸优化,确定床身的最佳结构尺寸;最后,对优化前后床身支承件的静、动态性能进行对比分析,验证新方案的可行性与合理性。结果表明床身新方案与床身原方案静态性能相差不大,在不低于原方案静态性能的前提下,减重6.9%床身新方案与原方案前三阶模态振型基本一致,而新方案前三固有频率比原方案分别提高1 8.3%、7.0%和2.7%,满足了动态性能指标的要求。关键词滚动直线导轨特征参数;响应曲面法;拓扑优化;静动态性能万方数据大连理工大学硕士学位论文Structure Design of Rolling Linear Guide Connection and BedAbstractThe enhancement of national comprehensive strength and competition betweenenterprises has created the need to high speed,hi曲efficiency and high precision in process ofmodem machine t001.And the di场culty we encountered is how to meet the requirements ofstructure and perance with the lowest cost and shortest time.Currently,the structures and specific parameters of conjunction plane for machine tool rail are chosen in termsof machine tool manual and experience,and the local improvement of structure design achine tool continues to follow the er experience.In view of the above problems,howto apply the reasonable and effective to solve these problems is the key research inthis paper.nlis subject comes from the National Science and Technology Major Project of Chinagrant number 20 l 2ZX040 1 OO 11.Based on the research findings and this thesis studies,thestructure layout of the guide rail plane is discussed,aiming at resolving the bottleneck of theconjunction plane of the machine t001.This research also puts forward a novel structuredesign on characteristic parameters of the linear guide pair,handling the dilemma thatthe guide rail design lacks scientific evidence.Furthermore,the structure optimizing design of the machine support parts is obtained by means of analyzing and researching thestructure design and perance analysis.The main research contents have several aspects asfollows1According to the background of this research,this paper explained the researchpurpose and meaning.nle rolling linear guide joint,supporting perance design ofMachine tool and the research of structural design were also reviewed,respectively.Moreover,it briefly summarized the achievement of the rolling guide joint and supportingperance design of Machine t001.This research introduced Finite Element Theory,Optimal Structure Theory,and Response surface function fitting.2The basic structure and classification of profile connection for machine tools wereintroduced briefly.The characteristic parameters of connection face were defined throughresearching and summarizing the layout s of rolling guides.Moreover,the compositeload characteristics of position layout and structure layout for rolling guide could be discussed,through the research on the layout scheme ofrolling linear guide.3The optimization design of characteristic parameters for rolling guides was studiedbased on Response Surface ologyRSM.First of all,the parameters model of rollinglinear guide rail coupling could be established utilizing the Finite Element FME.III万方数据滚动导轨联接及床身结构方案设计ne static and dynamic perance database of characteristic parameters was obtainedaccording to the results of FME analysis.Secondly,tlle RSM,referring to multi.objectivegenetic algorithm and orthogonal experiment coalesced admirably,could be employed toanalysis the feature database of characteristic parameters,developing the optimizationmathematical model under the typical working conditions.And then.the Paretooptimalsolutions of characteristic parameters were acquired based on the mixed influence of thesignificant impact of optimizmion targets for supporting parametersrail span and sliderspacingand the results of sensitivity analysis.4Taking the vertical machining center as all example.the structure design andperance analysis of the bed were calculated.For one thing.the geometry model andphysical model of bed were established under the simulation of the actual working load andconstraints.Subsequently,with the Workbench plat and the topological optimizationtheory,the research of configuration on the bed was carded out,achieving the basicconceptual model of supporting part.Moreover,the structure conation of bed could beobtained,through the selection of plate and stiffened plate.Then,the optimal bed structureWas received adopting the SOfbware ANSYS Workbench to optimize the dimension of the bedstructure.Finally,the contrastive analysis of the original and optimal bed in static anddynamic perance was carried out.The results indicated that the weight of optimal scheme decreased by 6.9%withoutcompromising the static perance compared with the original project.Witll the basicallysame modes of vibration,the third order natural frequencies of the optimal scheme wereincreased by 1 8.3%,7%and 2.7%,respectively,satisfying the dynamic perancerequirements.Key WordsRolling linear guide;Characteristic parameter;Response surface ;Topology optimization;Staticdynamic peranceIV万方数据大连理工大学硕士学位论文目 录摘 要.IAbstract...............Ill1 绪论..11.1课题来源11.2课题研究背景和研究目的11.3机床滚动导轨和支承件研究综述21.3.1滚动导轨联接面研究现状21.3.2支承件结构设计研究现状31.3.3课题组滚动导轨联接与支承件结构设计基础61.4本文的研究工作92 理论基础1 12.1有限单元法理论一1 12.1.1有限单元法的基本思想..112.1.2有限单元法的求解步骤一112.2结构拓扑优化理论..122.2.1拓扑优化方法基本原理..122.2.2结构尺寸参数优化设计方法..132.3函数拟合的响应曲面法..132.3.1函数响应曲面法基本思想..132.3.2函数响应曲面法求解步骤..142.4本章小结..163 滚动导轨联接结构布局性能分析173.1滚动导轨联接面的基本形式..173.2滚动导轨联接结构布局形式..183.2.1加工中心总体布局形式一l 83.2.2滚动导轨联接移动副结构形式一2l3.2.3滚动导轨联接特征参数..223.3滚动导轨联接结构布局性能分析..233.3.1滚动直线导轨副载荷分配..233.3.2滚动直线导轨副等效方式..253.3.3滚动导轨联接结构布局静态性能对比分析..27V万方数据滚动导轨联接及床身结构方案设计3.4本章小结..324 基于响应曲面法导轨联接特征参数优化设计334.1基于响应曲面法特征参数优化设计流程..334.2滚动导轨联接组件静动态性能分析..354.2.1滚动导轨联接特征参数..354.2.2滚动导轨联接组件物理模型..354.2.3滚动导轨联接组件静动态性能分析..364.3基于响应曲面法导轨联接特征参数优化一374.3.1滚动导轨联接特征参数单因子研究..374.3.2滚动导轨联接特征参数多因子研究..384.3.3滚动直线导轨联接特征参数优化结果..424.4本章小结435 立式加工中心床身结构方案设计和性能分析445.1立式加工中心床身结构设计优化指标一445.2基于拓扑优化的床身结构构型一455.2.1床身物理模型建立~455.2.2床身概念模型设计..545.2.3床身结构方案设计一565.3床身静、动态性能分析与对比..605.3.1网格灵敏度分析..605.3.2床身原方案静动态性能分析..615.3.3床身新方案静动态性能分析..625.3.4床身方案性能对比..645.4本章小结一65结 论..66参考文献67攻读硕士学位期间发表学术论文情况一70致 谢71大连理工大学学位论文版权使用授权书一72VI万方数据大连理工大学硕士学位论文1绪论1.1 课题来源本课题来源于“高档数控机床数字化设计关键技术与工具集研发及典型产品应用”NO.2012ZX0401001 1。该项目主要通过研究滚动直线导轨的等效方式及其联接结构布局方案,对典型数控机床进行结构分析,提出了机床支承件的“概念一单元”方法,并研究机床支承件性能与结构设计技术及应用。1.2课题研究背景和研究目的装备制造业为各类机械生产企业提供先进的制造装备,为机械制造工业的生产能力和工艺水平提供硬件技术保证,促进一个国家机械制造业的发展。随着各国的经济受装备制造业影响的增加,对于机床制造业的机械化和自动化技术的要求也不断提高,机床制造业己经渗透到社会的各个行业,其社会价值不言而喻。早在上世纪90年代,兴起的仿制、引进以及凭借机械设计标准和经验性的设计己无法满足现代多样化的加工需求和科学技术的快速发展。因此,如何快速掌握机床结构薄弱环节,研究数控机床设计开发、分析评估、改进优化成为亟待解决的主要问题。机床结构设计主要分为两个部分一是机床联接结构设计,二是机床支承件设计。而支承件的设计又涉及到结构优化设计和性能分析。在长期的发展过程中,数控机床联接的形式越来越多,而对于每种联接形式又有许多不同的结构形式。据相关研究得到机床联接部分占机床总柔度的40%.60%,并产生90%以上的阻尼【2】。而在机床的性能和结构设计的研究中,机床的联接部分不仅对机床整机性能计算而且对支承件的结构优化设计都有很大影响p,引。目前,与国外相比我国在滚动导轨联接结构和机床支承件结构的研究还比较落后pJ,机床联接的静动态性能与支承件的结构布局和刚度有着密切的联系。目前对于机床导轨联接的形式、结构与尺寸的选取一直以来设计人员都是凭借前人总结的经验,没有形成科学的理论体系。机床支承件结构设计还非常依赖于传统的类比设计和经验设计,不能够满足多工况下的性能要求,而且设计的周期较长、成本较高以及结构笨重而导致的数控机床的工作效率低下。近年来随着仿真技术【6】、动态可适应性优化方法【7J和力学传递优化18-10]等的进步促进了结构的自适应动态优化机床结构设计的发展,但是,在实际工程实例中的运用还有所欠缺,需要进一步进行分析和研究。面临以上严峻问题,如何解决目前机床导轨联接结构大多是依据经验和机床手册进行的保守设计的问题,改善机床结构沿用前人经验进行局部改进的问题,己经变得刻不万方数据滚动导轨联接及床身结构方案设计容缓。本文在对滚动直线导轨联接结构布局进行性能分析的基础之上,提出了滚动导轨联接特征参数优化设计方法,并通过该分析方法对某立式加工中心X/Y/Z向导轨联接特征参数进行优化,得到特征参数优化解集,并对床身支承件进行结构优化设计,为机床整机的结构与性能分析提供理论参考。1.3机床滚动导轨和支承件研究综述机床作为制造业的母体己经经过了数百年的发展,而机床支承件是机床的基础件,其体积大、结构复杂并通过固定联接或动联接结构联接在一起,组装成为整机并完成机床特定的运动和加工。我国对数控机床的研究起步较晚,多年来机床的设计大多依靠工程师丰富的经验和判断能力来完成。进入21世纪,随着国家重大专项和科技支撑项目对数控机床扶持的增加,对于数控机床滚动导轨联接和支承零件结构设计的研究也相应增多。与之前传统设计区别在于,设计者们对滚动导轨联接结构的性能进行了大量的理论和试验研究,对于数控机床支承零件来说,充分利用有限元软件和拓扑优化软件等技术进行结构的创新设计。1.3.1滚动导轨联接面研究现状国内外对导轨联接的研究起源于机床产生初期,在机床行业发展初期,导轨的种类比较少,主要以滚动直线导轨和滑动导轨为主。滚动导轨的发展源于数控机床的广泛运用与发展,相比于滑动导轨来说,滚动直线导轨有摩擦系数和重复定位误差较小,灵敏度和定位精度高等优点。主要的研究方法涉及到有限元分析方法【11。131、刚度特性分析方法”17】和试验测试法【18之01。近年来国内外的科研工作者在滚动直线导轨的静态性能、动态性能、摩擦特性和精度等方面也进行了不少的探索与研究。吴文喜等人【21】通过对研究对象的受力分析和变形分析,得到了滚动导轨副的力学模型,并且运用弹性力学和理论力学相结合对直线导轨副的静刚度进行分析和研究。Ohm等人[22】提出了计算垂直刚度的计算模型,该计算方法考虑到了滚动导轨副中滑块的弹性变形和预紧力产生的变形,并通过试验与理论计算结果对比分析。结果分析表明,与预紧力产生的变形相比,滚动导轨副滑块产生变形的导轨副刚度值与实验刚度值基本相符。Hungt231研究了在考虑预加载荷的情况下采用有限元建模的方法来评价机床动态特性和滚动直线导轨稳定性的问题,对于分析不同结构组合形式的动态特性有很好的借鉴意义。温淑花等人【24】运用分形理论对滚动导轨联接面接触刚度进行建模,并讨论其影响因素。结果表明,法向载荷与接触刚度成正相关,与分形特征长度尺度参数成负相关,与分形维数无关。万方数据大连理工大学硕士学位论文蒋书运、祝书龙等【25】基于平面接触理论和赫兹点接触理论对不同的动连接部件的刚度和载荷规律做了研究。研究结果表明,考虑联接件采用线性弹簧进行建模后的整机特性分析结果与不考虑联接件的整机分析结果差别较大。Wu等人【26J采用理论方法与实验验证相结合来研究滚动导轨副接触刚度产生的预加载荷对复杂结构动态特性的影响,滚珠与导轨接触建模中的点对点接触、点对面接触和面对面接触分别进行模态分析,结果分析可知,预加载荷是机床固有频率的重要影响因素,并且两者之间成正相关关系。Khiml27l采用一种矫正的算法来提高滚动直线导轨副的运动精确性和加工精度,并预测和修补工作台的运动精度,归一化传递函数分析得出,机床的运动精度不受预加载荷和接触刚度的影响。大连理工大学白晨光【28】等通过对导轨联接面的刚度进行研究,提出了支承件线轨联接面的评价方法,并对影响机床加工精度的因素进行了研究。Pawel等人【29l通过对导轨副的几何误差建模,分析了该误差对导轨联接部和本身误差的影响特性。以上文献主要是从滚动直线导轨联结面的静力学特性、法向刚度特性、接触刚度特性、模态分析和加工精度等方面进行研究,对于滚动导轨联接的空间结构布局方面和特征参数的选取和优化方面还没有完整的理论体系和科学的研究方法。1.3.2支承件结构设计研究现状机床支承件主要涉及到主轴箱体、立柱、横梁、十字滑台和底座等部件,通过机床联接面组成整个机床。在加工过程中,机床整机的静、动、热性能都与支承件的结构和性能有密切的关系,支承件设计得好坏直接影响到整机的性能和加工精度。机床支承零件功能的多样性致使其结构千差万别,极大地增加了同时兼顾功能与良好性能的支承零件设计难度。特别是,机床中以支承为主要功能的支承类零件,如底座、机架、箱体等,即要承受整机质量又需传递机器工作时的各种作用力,致使该类零件结构复杂,自身重量大,对其整机的静动态性能产生影响。因此,机床支承件的设计着力于获得满足零件高性能、轻量化、低成本的零件结构。如何实现高性能与结构复杂性、高性能与轻量化设计成为机床支承零件设计的瓶颈问题。长期以来机床支承零件结构一直沿用传统的经验与类比设计方法、力学研究方法和拓扑优化结构设计方法。之后,随着理论力学和材料力学以及弹性力学的运用,通过对机床支承零件完成初步结构方案确定,并分析出正确的力学性能,得到符合力学性能要求的筋板的位置和数量的要求,并通过校核试验来判断其是否可行。但是,该方法计算量大,很难得到最优的数值解。以上方法仅仅是从分析的方法入手来确定机床支承零件的局部结构,并没有达到真正的颠覆性的结构设计。3万方数据滚动导轨联接及床身结构方案设计直到上个世纪末,结构优化设计方法被应用到机床等结构的设计中来,以结构、尺寸和形状三层次来寻找满足性能需求的结构的最佳方案。支承件结构拓扑优化利用拓扑理论对支承零件的内部结构进行优化,寻求最适合的传力路径,达到最少材料使用率。其主要运用结构连续体理论设计方法。东南大学的汤文成等【30J充分利用支承零件的本身固有的因素,.引入特殊的机构生成方法。首先通过对导轨的形式和6节点的主模型确定,得到拓扑结构生成总数106种,并对其进行结构的有限元分析和材料成本分析,对其进行垂直刚度和平行刚度的模糊综合评判,最终确定最佳的结构方案。马超等【3l】利用拓扑方法实现了结构的轻量化设计,由物理模型的确定包括载荷求解和边界条件的确定、运用OptiStruct优化软件进行概念模型方案确定,最后,对其进行尺寸优化和工艺改进使得固有频率和结构刚度分别提高17.1%和13.6%,质量减轻9.7%,在保证性能的前提下实现了结构的轻量化设计。刘晓琳【32】采用拓扑优化技术对风电减速齿轮箱进行结构设计,并获得更优的结构。王德伦133】等提出了概念.单元设计方法,完成了齿轮箱的结构设计。随着学科之间相互联系的加深,对于单纯依靠结构设计方法具有很多局限性,因此,将机床支承零件的结构设计与状态空间矩阵、优化算法遗传算法、蚁群算法等相结合的应用越来越多。Mohit Law[34】将联接面的刚度矩阵与阻尼运动方程相结合,将该结构零件的优化设计转化为联接面的刚度矩阵和单元构件之问的函数关系,以材料使用率最少和动性能最高为约束条件和优化目标,对机床立柱零件进行结构优化,将理论和试验方法相结合对比分析多工况下优化前后方案的动刚度和固有频率的大小。M.J.Jakiela【35】将遗传算法运用到连续体结构拓扑优化中,并通过分析单元的连续性,得到了平面连续体结构的寻优过程,减少了大量的数值计算,避免了易产生的棋盘格现象。G.C.Luh等人【36】采用蚁群优化算法来解决结构的组合优化问题,研究了在多种工况和约束条件下结构的组合寻优问题,使得所用材料最少和静动刚度最佳。除了以上涉及到的结构优化方法,近年来,许多其他学科领域的发展对传统结构优化设计方法提供了许多开放性的创新思想,国内外专家学者从中获得到许多启发,并将这些创新的理念与结构优化设计方法相结合,提出了较为新颖的优化设计方法加以利用。1结构的仿生设计和模块化结构单元设计传统结构模型都被看作为连续体,这样在结构设计过程中会增加计算量,从而减少计算效率。结构的仿生设计和模块化结构单元设计方法慢慢的得到了广泛的应用。结构仿生设计主要是将自然界生物的本身特性应用到结构设计方法中来,从起初的个体、功万方数据大连理工大学硕士学位论文能的仿生到后来的信息、生态的仿生发展而来的【了71。模块化的结构单元设计是将连续的结构体看作是由众多相邻的模块单元相连而成,该方法不仅理念新颖,能够提高效率,并且可以保证整机机构和局部结构的性能,提高加工精度和稳定性。目前,许多行业和一些大型复杂的结构件都采用该设计方法。Zhao L等【3 8,”J采用该仿生方法将胸腔结构、叶脉结构、轻质茎杆的夹层结构应用在机床立柱、横梁和工作台的结构设计上,并且通过试验对仿生后的结构进行了验证,获得了性能较好的结构方案。J.Cubo等人m】将鸟类和哺乳动物骨骼的横截面形状的变化应用到结构设计之中。通过分析53类哺乳动物和36类鸟类的横截面形状参数的结构性能和应力的变化研究,为机械工程结构设计方法提供借鉴意义。F.Lil4l】通过从自然界汲取的信息,提出了一种仿生微型机器人的动态优化设计方法。通过对跳跃式昆虫本身结构特征、运动方式的研究,将仿生的微型机器人和跳跃式昆虫的动态特性和优化结果进行对比分析,结果表明能量集成型的微型机器人能够实现连续跳跃的运动方式,从而获得了最佳的运动方案。B.T.Li【42J利用自优化发展原则将自然生态设计中的叶片的形状应用在大型机床的加强筋布局的一种新方法。首先,通过对叶片的几何特征进行数值模拟研得到形态模型的最优性;然后,在此方法基础上将机床立柱结构优化承重结构可以产生不同的加强筋布局,这与传统的拓扑优化方法不同,从而为提高设计效率和通用性机床开发提供了独特的可能性。利用数值分析和实验测试进行了验证,其性能增强,因此对机床结构的加筋布局设计一个好的选择。如图1.1所示。I、l acroscale Meso-scale .、IIcroscale图1.1不同尺寸仿生叶片有限元模型Fig.1.1 Finite element model of leaf lamina in different scales邢俏芳[43J将机床内部结构划分为多个工艺模块单元,并对不同构模块单元进行性能分析,基于互换性原则,对于同构单元模块可以相互替换,在不影响设计结果的情况下减少了设计的成本。罗成等人Ⅲ】运用模块化结构设计提出了六足机器人的思想,通过对万方数据
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