高速精密卧式加工中心箱中箱结构的实验研究与优化

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.05MB 66 页 15积分

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摘要

本课题来源于上海市重大装备研制专项(上海市经委立项)，与上海第三机床厂

产学研合作 “SEH-630A 高速精密卧式加工中心”项目(项目编号:0706011)。本论

文基于此项目中涉及的该卧式加工中心的实验测定和箱中箱结构的优化设计而撰

写的。

文章以“SEH-630A”高速精密卧式加工中心箱中箱结构为研究对象，从理论

上分析了箱中箱结构配置的形式。为了更好地研究卧式加工中心的箱中箱结构的

静刚度，利用九点测力法实验对“SEH-630A”高速精密卧式加工中心箱中箱结构

静刚度进行测定研究。

根据九点静刚度测定结果对“SEH-630A”高速精密卧式加工中心箱中箱结构

进行优化设计。在优化设计基础上进行“SEH-630A”高速精密卧式加工中心箱中

箱结构改进设计、优化后的三维建模，特别是龙门架结构优化后三维建模。

箱中箱结构配置形式主要由龙门架和滑鞍两个基础支承件组成，对于龙门架

结构的设计应考虑内部的加强肋的布置形式、截面形状、螺栓布置形式。选择合

理的加强筋的形式、截面形状、螺栓布置形式以实现其刚度的最优化。对于滑鞍

来说，由于对机床精度的影响相对龙门架比较小，可以参考龙门架的形式选择合

理的结构。

最后，利用 ANSYS Workbench 11.0 有限元分析软件对优化前和优化后的龙门

架和箱中箱结构模型实施静刚度有限元分析，对比龙门架优化前后刚度差别，进

一步提出改进方案。

本文针对目前卧式加工中心的静刚度测试方法的不足，介绍了一种新颖的静

刚度的测试方法—九点测力法。该静刚度测试方法实施方法简单，操作方便，对

“T”型的卧式加工中心具有普遍的适用性，为卧式加工中心的静刚度测试提供一

个有益的参考。针对卧式加工中心的箱中箱结构静刚度不足，本文采用了等强度

梁的机构的外形设计，对原龙门架进行优化改进。通过 ANSYS Workbench 有限元

分析，对龙门架的优化改进收到了很好的提高刚度的优化效果。本课题的开展，

有助于进一步探讨龙门架的刚度改进的问题。

关键词：箱中箱结构九点测力法等强度梁有限元分析

ABSTRACT

This topic is from the significant equipment special research of Shanghai, that we

cooperated with the Third Machine Tool Plant among production units-educational

instituation-research institutes association "SEH-630A" high speed precision horizontal

machining center project (project Numbers: 0706011). This paper is based on the

horizontal machining center experimental research and the optimized design of the

box-in-box structure which involved in this project.

The article regards the box–in-box structure in the "SEH-630A" high speed

precision horizontal machining center as the research object and analyzes the

box-in-box structure form of configuration theoretically. In order to research the static

stiffness of the box-in-box structure in the horizontal machining center better, we use

the nine points application of force to test the static stiffness of the box-in- box structure

in the "SEH - 630A" high speed precision horizontal processing center.

According to the results of the static stiffness of the box-in-box structure,we

optimized the box-in-box structure in the "SEH-630A" high speed precision horizontal

machining center. Based on the optimization design of the box-in-box structure in the

"SEH-630A" high speed precision horizontal machining center, we created the 3D

model, especially the 3D model of the optimized portal frame.

The form of the box-in-box structure configuration is mainly constituted by the

two basic supporting parts: one is the portal frame,the other is the saddle. For the portal

frame, we should consider the internal layout forms of the stiffening ribs, cross-section

shape, bolts decorate a form,To get the satisfied stiffness,t’s a wise way to choose the

right cross-section shape, the right decorated form of bolts. For slippery saddle, the

influence on the precision of the machine is relatively small, it can be referenced to the

frame in order to choose the rational structure.

Finally, used ANSYS Workbench 11.0,the finite element analysis software, to

simulate the frame that was optimized and the box-in-box structure model before and

after in the static stiffness finite element analysis. Compared the stiffness of the portal

frame that was optimized before and after in the differences and proposed the further

improvement plan.

In view of the disadvantages of the static stiffness test methods in the present

horizontal machining center, this paper introduces a new static stiffness test method --

nine force measurement method. The implement of the static stiffness test method is

simple and it is very convenient to operate. It can be applied to all the "T" type of

horizontal machining center and also provide a beneficial reference to the test of the

static stiffness in the horizontal machining center. For the shortages of the static

stiffness in the box-in-box structure,this paper adopts the principle of beam of constant

strength. to improve the portal frame. Through ANSYS Workbench software to analysis,

the stiffness of the portal frame has improved a lot and received the very good

optimization effect. The develop of the topic will help to explore the problem that the

stiffness of the portal frame improved.

Key Word：Box –in –Box, Nine Points Application of Force ,Beam of

Constant Strength ,Finite Element Analysis

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 论文研究的背景 ............................................ 1

§1.1.1 加工中心的概述 ........................................ 1

§1.1.2 目前卧式加工中心机械结构配置国内外先进水平 ............ 3

§1.2 本研究课题需要 CAD/CAE 方法及相应软件简介 .................. 4

§1.2.1 CAD 三维设计及 SolidWorks 软件简介 ..................... 4

§1.2.2 基于有限元法 CAE 系统及 ANSYS 软件简介 ................. 5

§1.3 论文研究的内容 ............................................ 7

§1.3.1 课题来源 .............................................. 7

§1.3.2 本论文所要研究的内容 .................................. 7

§1.3.3 本论文具体实现的目标 .................................. 7

第二章箱中箱卧式加工中心静刚度九点测定实验 .......................... 8

§2.1 箱中箱卧式加工中心的静刚度测定实验方法设计 ................ 8

§2.1.1 重心驱动（DCG）与机床箱中箱结构 ....................... 8

§2.1.2 箱中箱结构的卧式加工中心的静刚度指标 .................. 9

§2.2 箱中箱卧式加工中心的静刚度实验测定 ....................... 11

§2.2.1 箱中箱结构卧式加工中心静刚度检测方法 ................. 11

§2.2.2 箱中箱结构卧式加工中心的静刚度实验 ................... 15

§2.3 箱中箱结构卧式加工中心的静刚度实验结果分析 ............... 16

§2.3.1 卧式加工中心静刚度实验结果分析的材料力学理论 ......... 16

§2.3.2 卧式加工中心静刚度实验检测结果分析 ................... 16

§2.4 提高箱中箱结构卧式加工中心静刚度的建议 ................... 22

§2.5 本章小结 ................................................. 22

第三章箱中箱结构中龙门架结构优化 ................................... 24

§3.1 箱中箱结构式机架的优化设计基础 ........................... 24

§3.1.1 机架定义及其设计准则 ................................. 24

§3.1.2 机架的常用材料及热处理 ............................... 25

§3.1.3 机架的截面形状 ....................................... 26

§3.1.4 机架的肋布置 ......................................... 26

§3.1.5 机架联接结构的设计 ................................... 29

§3.2 箱中箱结构式龙门架的优化设计 ............................. 30

§3.2.1 机械结构的优化设计理论 ............................... 30

§3.2.2 龙门架的等强度设计 ................................... 31

§3.2.3 龙门架结构的优化设计 ................................. 34

§3.3 本章小结 ................................................. 37

第四章有限元仿真分析的基本理论 ..................................... 38

§4.1 弹性力学基本方程 ......................................... 38

§4.1.1 弹性力学基本假定 ..................................... 38

§4.1.2 弹性力学基本方程 ..................................... 38

§4.2 有限单元法基本理论 ....................................... 43

§4.2.1 有限元方法的基本步骤 ................................. 43

§4.2.2 结构静力分析的有限元法 ............................... 44

§4.3 本章小结 ................................................. 46

第五章箱中箱结构静刚度有限元分析 ................................... 47

§5.1 龙门架有限元静刚度分析的实施方案 ......................... 47

§5.1.1 龙门架三维实体模型建立 ............................... 47

§5.1.2 有限元分析工具-ANSYS Workbench ....................... 48

§5.1.3 龙门架有限元模型建立 ................................. 48

§5.2 龙门架有限元静刚度分析 ................................... 49

§5.2.1 龙门架有限元模型的前处理 ............................. 49

§5.2.2 龙门架有限元模型的求解和后处理 ....................... 51

§5.2.3 龙门架在装配体中的有限元静刚度分析 ................... 53

§5.3 龙门架优化前后有限元静刚度对比分析 ....................... 54

§5.3.1 龙门架优化前后有限元静刚度有限元分析 ................. 54

§5.3.2 龙门架优化前后有限元静刚度结果分析 ................... 55

§5.4 本章小结 ................................................. 56

第六章论文总结与展望 ............................................... 57

§6.1 论文总结 ................................................. 57

§6.2 存在的问题与进一步的展望 ................................. 57

参考文献 ............................................................ 59

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 62

致谢 .............................................................. 63

第一章绪论

§1.1 论文研究的背景

§1.1.1 加工中心的概述

装备制造业是为国民经济各行业提供技术装备的战略性产业，产业关联度高、

吸纳就业能力强、技术资金密集，是各行业产业升级、技术进步的重要保障和国

家综合实力的集中体现。装备制造业的发展水平已经成为一个国家制造业的发展

水平和一个国家工业发展水平的重要标志之一。而数控机床是装备制造业的技术

基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业，世界各国都把它放在重要的

地位，其水平则又是衡量一个国家制造业水平高低的标志。

数控机床与普通的机床相比具有比较突出优势，具体体现在以下几个方面[1]：

1. 具有良好的加工柔性。数控机床能够实现自动加工的控制信息是由数字化

信息提供的,除了更换相应的刀具和解决毛坯装夹方式外，只需要重新编制程序，

或者手动输入程序就能实现零件的加工。

2. 加工精度高。数控机床是按以数字形式给出的指令进行加工的，由于数控

装置的脉冲当量普遍达到了 0.001mm,而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差

等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能够达到比较高的加工精度。

3. 生产率比较高。数控机床能够有效减少零件加工所需要的机加工时间和辅

助装夹时间，它不需要频繁地调整机床，零件安装在简单的定位夹紧装置中，能

够节省停机调整时间。

4. 减轻劳动强度，改善劳动条件。使用数控机床进行加工，只需编制好加工

程序，按照程序进行加工，不需要繁重的重复性的体力劳动，工作环境较整洁，

改善了劳动条件。

5. 有利于实现计算机集成制造系统。使用数控机床加工，便于收集各个制造

单元的信息，便于生产管理，从而实现敏捷制造，计算机集成制造。

经过多年发展，我国的数控机床行业在消化吸收国际先进技术基础上，不断

地自主创新，在中低档机床领域已形成具有较强竞争力的产业体系，特别是《国

务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》(国发〔2006〕8号)实施以来，机床行

业特别是数控机床的发展明显加快，自主化水平显著提高，国际竞争力进一步提

升。近年来，我国数控机床的应用范围已经从飞机制造，军工，仪器仪表，汽轮

机等行业扩展到铁路，纺织，机械制造特别是汽车制造等行业。全国约有 90%的

行业在应用数控机床。对数控机床特别是高档的高速精密加工中心的需求不断扩

高速精密卧式加工中心箱中箱结构的实验研究与优化

大。市场前景看好。

加工中心是一种功能较全的数控加工机床。它把铣削、镗削、钻削、攻螺纹

和切削螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺手段。加工中心设置有

刀库，刀库中存放着不同数量的各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用

和更换。这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。加工中心是一种综合加工能

力较强的设备，工件一次装夹后能完成较多的加工步骤，加工精度较高，就中等

加工难度的批量工件，其效率是普通设备的 5～10 倍，特别对形状较复杂，精度

要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。尤其是对于必需采用工装和

专机设备来保证产品质量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工装和专

机。这会为新产品的研制和改型换代节省大量的时间和费用，从而使企业具有较

强的竞争能力。

加工中心的最早出现的是镗铣加工中心，主要可分为立式（竖直主轴）和卧

式（水平主轴）。随后又出现了钻铣加工中心、车铣加工中心和复合加工中心。钻

削加工中心主要进行钻孔，也可进行小面积的端铣。机床多为小型、立式。工件

不复杂，所用的刀具不多，故常用转塔来代替刀库。转塔常为圆形，径向有多根

主轴，内装各种刀具，使用时依次转位。复合加工中心的主轴头可绕 45°轴自动

回转。主轴可转成水平，也可转成竖直。当主轴为水平，配合转位工作台，可进

行四个侧面和侧面上的孔的加工；主轴转为竖直，可加工顶面和顶面上的孔，故

也称为“五面加工复合加工中心”。镗铣加工中心最先出现，当时就称为“加工中

心”，这个名字延续至今。故而我们一般把“镗铣加工中心”简称为“加工中心”。

卧式加工中心的主轴处于水平状态，通常带有可进行分度回转运动的正方形

工作台。一般具有 3～5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动

坐标，它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，

最适合加工箱体类零件。一般具有分度工作台或交换工作台，可加工工件的各个

侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。有的卧式加工中

心带有自动交换工作台，在对位于工作位置的工作台上的工件进行加工的同时，

可以对位于装卸位置的工作台上的工件进行装卸，从而大大缩短辅助时间，提高

加工效率。与立式加工中心比起来，卧式加工中心实现的功能比较多，立式加工

中心不能加工的工件，卧式加工中心一般都能加工。对于箱体类零件的加工，特

别是对箱体类零件上的一些孔和型腔有位置公差要求的，以及孔和型腔与基准面

(底面)有严格尺寸精度要求的，在卧式加工中心上通过一次装夹加工，容易得到保

证，适合于批量工件的加工。卧式加工中心能够实现其他加工设备难以达到的精

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摘要：

摘要本课题来源于上海市重大装备研制专项(上海市经委立项)，与上海第三机床厂产学研合作“SEH-630A高速精密卧式加工中心”项目(项目编号:0706011)。本论文基于此项目中涉及的该卧式加工中心的实验测定和箱中箱结构的优化设计而撰写的。文章以“SEH-630A”高速精密卧式加工中心箱中箱结构为研究对象，从理论上分析了箱中箱结构配置的形式。为了更好地研究卧式加工中心的箱中箱结构的静刚度，利用九点测力法实验对“SEH-630A”高速精密卧式加工中心箱中箱结构静刚度进行测定研究。根据九点静刚度测定结果对“SEH-630A”高速精密卧式加工中心箱中箱结构进行优化设计。在优化设计基础上进行“SEH-6...

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