龙门五面加工中心床身及工作台刚度有限元分析及结构优化

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.93MB 70 页 15积分

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摘要

数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，随着我国国民经济迅速

发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。我国“十一

五”期间装备制造业发展的目标和重点是“提高重大技术装备的国产化水平”，其

中就包括龙门加工中心等大型高档数控机床。本课题研究内容是产学研合作项目

“XHT2420 龙门五面加工中心”（编号：晋经技术字[2007]136 号）的一部分，采

用设计和计算机辅助工程相结合的方法完成了床身部件和工作台进给系统的设

计，并对床身部件设计方案进行了性能评估。

论文在综合比较分析国内外多面体加工中心工作台进给系统设计技术，综合

借鉴国内外先进机床设计结构和设计分析手段的基础上，采用精密双齿轮-齿条传

动技术，完成了 XHT2420 龙门五面加工中心工作台进给系统的设计。采用基于元

结构的模态分析技术，评估了铸件不同筋板布置情况，对其动力学性能的影响，

在此基础上完成了床身部件的设计。

虚拟建模是虚拟设计的基础，本论文采用基于特征的参数化实体建模技术完

成床身部件的虚拟模型，在此基础上对加工中心虚拟模型进行了动静态干涉检测，

得到干涉检测报告，分析了机床设计方案的可行性。及时发现问题并进行了修正，

确保了设计方案和参数的正确和合理。

在COSMOS 有限元分析软件平台上，对部件进行工作状态下的静力学分析和

动力学模态分析,对设计部件的力学性能进行了评估。根据评估结果，对部件进行

了结构优化。使部件结构在一定条件下达到了较好的动，静态性能。

关键词：龙门五面加工中心工作台进给系统床身部件有限元分

析

ABSTRACT

Now, numeric-control (NC) machine tools have been the developing trend and

technique foundation of the equipment manufacturing. Along with the rapid

development of the national economy in our country, the demands of the upscale NC

machine tools are urgent and great. The emphases and the goal of our country in

equipment manufacturing during the period of “11th Five-Year Plan” are “improving

the domestic manufacture level of the important technique equipment”, where the

five-face gantry machining is included. The contents of this paper is a part of study and

research cooperation item “XHT2420 Five-face gantry machining”, design of the

machining tool bed and table feeding device is finished with computer-aided

engineering, and estimation for the performance of the machining tool bed.

In the base of comprehensive comparing domestic and international design

techniques of the five-face gantry machining table feeding device and studying the

advanced tool machine structure at home and abroad , the table feeding device is being

finished with double gear-rack feeding . Design of the machining tool bed is finished

according to the structural mold analysis based on the cell structure, the effect of the

board the dynamics performance is being calculated.

Virtual modeling is the foundation of Virtual designing. Virtual models of all parts

of the machining tool bed is accomplished adopting parametric entity modeling techno-

logy based on feature. feature. And then the virtual assembly models of components and

whole machine are set up using virtual assembly technology. And then the dynamic and

static interference checkout is accomplished based the virtual digital prototype of the

machine tool, at the same time, the report of interference checkout is gotten. Some

problem of the design is founded and the design is being modified, insured the design

project and parameter of exactitude and reasonable. Make the parts structure come to a

under the certain condition.

Using COSMOS software, the statics and dynamics mold analysis of the

machining tool bed under work is being carried out. The structure of the components is

optimized according to the analysis result.

Key Words: Five-face machining center, Table feeding device ,

Machining tool bed ,Finite element analysis

中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 引言.....................................................................................................................1

§1.2 龙门五面加工中心的发展现状.........................................................................1

§1.3 开发太原第一机床厂“XHT2420”龙门五面加工中心的意义 .................... 2

§1.4 本课题的主要研究内容....................................................................................3

第二章机床有限元分析的理论基础.............................................................................6

§2.1 有限元分析方法.................................................................................................6

§2.1.1 有限元方法的基本思想..............................................................................7

§2.1.2 有限元方法的基本步骤..............................................................................8

§2.1.3 有限元的结构静力学分析........................................................................10

§2.1.4 有限元的结构动力学模态分析................................................................10

§2.2 有限元分析软件 COSMOSWorks 介绍 ..........................................................15

§2.3 本章小结...........................................................................................................16

第三章工作台进给系统及床身部件的设计...............................................................17

§3.1XHT2420 五面加工中心的整体结构分析 ...................................................... 17

§3.2 工作台进给系统的设计...................................................................................19

§3.2.1 机械传动方按的选择及双齿轮齿条消隙进给箱的设计计算...............19

§3.2.2 双齿轮齿条消隙进给箱传动间隙的调整................................................22

§3.2.3 采用先进检测系统保证工作台进给系统精度.......................................23

§3.3 基于元结构的大形铸件结构分析..................................................................24

§3.3.1 筋板布置形式和出砂孔形状与元结构固有频率的关系.......................25

§3.3.2 筋板及出砂孔尺寸与元结构固有频率的关系.......................................26

§3.4 床身部件的设计..............................................................................................27

§3.4.1 床身的设计...............................................................................................28

§3.4.2 工作台的设计...........................................................................................29

§3.4.3 直线运动导轨的选择...............................................................................29

§3.4.4 防止工作台超出规定行程的措施...........................................................30

§3.4.5 工作台润滑系统的设计...........................................................................30

§3.5 本章小结.........................................................................................................................32

第四章床身部件的虚拟建模及装配仿真...................................................................33

§4.1 虚拟制造技术理论基础...................................................................................33

§4.1.1 虚拟制造技术...........................................................................................33

§4.1.2 本课题应用的虚拟制造方法...................................................................34

§4.2 床身部件的虚拟建模实例分析.......................................................................37

§4.3 床身部件的虚拟装配.......................................................................................42

§4.3.1 床身部件的虚拟装配...............................................................................43

§4.3.2 床身部件的静态干涉检查。...................................................................44

§4.3.3 床身部件的运动仿真及动态干涉检查。................................................45

§4.4 本章小结..........................................................................................................46

第五章床身部件的动静态有限元分析.......................................................................47

§5.1 床身部件力学模型的建立...............................................................................47

§5.1.1 铣削力的计算...........................................................................................47

§5.1.1 部件力学模型的建立................................................................................49

§5.2 床身部件的静力学分析...................................................................................50

§5.2.1 静力分析前处理........................................................................................50

§5.2.2 静力分析的结果........................................................................................52

§5.3 床身部件的动力学模态分析...........................................................................53

§5.4 床身部件的结构优化......................................................................................57

§5.4.1 床身的结构优化设计的方法...................................................................57

§5.4.2 床身部件的结构优化...............................................................................58

§5.4.3 结构优化后床身部件的性能分析...........................................................61

§5.5 本章小结..........................................................................................................62

第六章结论与展望.......................................................................................................63

§6.1 结论...................................................................................................................63

§6.2 进一步工作的方向...........................................................................................63

参考文献.........................................................................................................................65

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................67

致谢...............................................................................................................................68

第一章绪论

§1.1 引言

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，世界各国都它把放在重要的地位，其水平也是衡量一个国家制造业水平高

低的标志。它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可

或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视[1]。近年来，随着我

国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需

求。实现我国国民经济的现代化，不能靠从国外买来一个现代化，也不能长期处

于国际产业链的底端，更不能在关键技术和设备上长期受制于人，失去经济发展

的主动权。我国“十一五”期间装备制造业发展的目标和重点是“提高重大技术

装备的国产化水平”，其中就包括龙门加工中心等大型高档数控机床。

目前我国数控机床行业开发对象主要集中在三个方面：（1）多面(或五面)加工

中心、五轴联动数控加工机床，这一方面主要体现在立卧自动转换铣头和五轴联

动自动万能铣头的开发;(2)快速发展的高速切削机床;(3)复合化数控机床。其中多面

(或五面)加工机床和五轴联动数控机床是现代国防工业急需的战略性装备，也是现

代模具制造业的基础装备，一直被西方某些大国列为对我禁运的战略物资[2]。多面

(或五面)数控加工中心是数控机床产品中的高技术难度产品。由于该类机床易于实

现高速切削，可进行复杂曲面的加工，除了提高加工效率外还可确保产品的加工

精度，不仅提高了机床的自动化水平、加工领域和工作效率，也扩大了机床的加

工范围，提高了机床的使用价值。这类加工中心成为目前航空、航天、军工产品

以及汽车、模具等制造行业理想的生产工具。近年来，多面体数控加工中心及五

轴联动数控机床、高速铣及高速加工中心成为进口热点，反映了我国机床市场需

求结构升级。

五面体加工中心是数控门镗铣床的进一步发展，在数控装置的控制下和驱动

下，可实现四座标三联动、自动换刀、自动换立式、卧式铣头、自动交换工作台

等功能。所以在工件一次装卡后，可完成除基准以外的五个面上的铣，镗，钻，

铰，攻螺纹等加工。它的诞生是现代科学技术和生产技术发展的必然结果。

§1.2 龙门五面加工中心的发展现状

世界上第一台加工中心出现于 1958 年，随着世界经济和科学技术的不断发展，

龙门五面加工中心床身及工作台刚度有限元分析及结构优化

加工中心也在不断发展当中，加工中心正向高速度、高精度、高可靠性、高柔性、

高速化、复合化、智能化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，

而且还可提高零件的表面加工质量和精度。新一代高速加工中心，具有高速主轴

单元（电主轴，转速 15000 －100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部

件（快移速度 60~120m/min，进给速度高达 60m/min）、高性能数控和伺服系统以

及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平，自动换刀速度在 1秒

以内。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发

展的方向。当前，机械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达

到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001

微米），主轴回转精度要求达到 0.01~0.05 微米，加工圆度为 0.1 微米，加工表面

粗糙度 Ra=0.003 微米等[3]。

西方发达国家于 90 年代中期研制出五面加工龙门数控镗铣床和五轴联动数控

机床，用于复杂零件的加工，大大提高了精度和效率，促使现代制造技术有了飞

跃发展。近年来，国内一些机床企业也开始了此类五面加工及五轴联动数控机床

开发研究，有的已制造出样机和产品。都还处于起步阶段，技术还不成熟。高精

度的龙门五面加工中心仍然依靠进口。

在国外，许多机械工业发达国家如西班牙、意大利、瑞士、德国、法国等国

家已经制造出高速、多轴并且能够实现高速切削、自动换头等高技术水平的自动

万能铣头，把自动万能铣头应用于数控滑枕铣床和数控龙门铣床，使机床达到五

轴联动，实现多面或者五面加工，从而实现了一次装夹工件就可以完成多个工序

加工的任务，大大提高了机床的自动化水平和工作效率，具有多面加工和五轴联

动功能铣头的铣床在很大程度上扩展了普通数控铣床的加工范围，被广泛应用航

空航天、模具、船舶以及汽车等制造领域，提高了数控机床的应用价值。

从国内的五面加工中心的性能特点分析，国内机床在主轴转速、快移速度和

定位精度上都与国外同类产品还存在很大的差距，具体主要表现在:精度低，很多

情况下满足不了用户的精度要求。可靠性差。加工中心的可靠性是机床产品质量

的一项关键性指标。加中心机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良

好的效益，主要取决于可靠性。衡量可靠性的重要量化指标是平均无故障工作时

间(MTBF)目前国际加工中心已达到 800-1200h。而国内产品实际 MTBF 只能在

500h 左右[4]- [7]。

§1.3 开发太原第一机床厂“XHT2420”龙门五面加工中心的意义

太原第一机床厂始建于 1952 年，是国家生产金属切削机床的重点企业，是山

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摘要：

摘要数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。我国“十一五”期间装备制造业发展的目标和重点是“提高重大技术装备的国产化水平”，其中就包括龙门加工中心等大型高档数控机床。本课题研究内容是产学研合作项目“XHT2420龙门五面加工中心”（编号：晋经技术字[2007]136号）的一部分，采用设计和计算机辅助工程相结合的方法完成了床身部件和工作台进给系统的设计，并对床身部件设计方案进行了性能评估。论文在综合比较分析国内外多面体加工中心工作台进给系统设计技术，综合借鉴国内外先进机床设计结构和设计分析手段的基础上，采用精密...

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