高速精密卧式加工中心床身和转台的结构设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.98MB 65 页 15积分

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中文摘要

ABSTRACT

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

§ 1.1 课题研究背景及意义.....................................................................................1

§1.2 我国数控机床发展现状和问题......................................................................2

§1.3 课题主要研究内容..........................................................................................3

第二章加工中心床身和工作台部件结构设计.....................................................6

§2.1 床身部件的设计..............................................................................................6

§2.1.1 床身的设计...........................................................................................6

§2.1.2 导轨的选择...........................................................................................7

§2.1.3 光栅尺组件设计...................................................................................8

§2.1.4 行程开关组件设计...............................................................................9

§2.1.5 拖链组件设计.....................................................................................10

§2.1.6 工作台进给系统设计.........................................................................11

§2.1.7 工作台润滑系统设计.........................................................................11

§2.2 回转工作台部件设计....................................................................................12

§2.2.1 回转工作台底座结构设计..................................................................13

§2.2.2 交换工作台部件结构设计.................................................................13

§2.2.3 回转工作台液压控制.........................................................................14

第三章床身和回转工作台部件虚拟三维建模...................................................15

§3.1 虚拟制造技术理论........................................................................................15

§3.1.1 虚拟制造技术概论.............................................................................15

§3.1.2 本课题应用的虚拟制造方法.............................................................16

§3.2 SolidWorks软件简介 ......................................................................................17

§3.3 机床部件虚拟三维建模................................................................................18

§3.3.1 虚拟机床建模方法.............................................................................18

§3.3.2 床身部件零件建模.............................................................................20

§3.4 床身部件的虚拟装配....................................................................................24

§3.4.1 床身部件的虚拟装配.................................................................................25

§3.4.2 床身部件静态干涉检查.............................................................................25

§3.4.3 床身部件运动仿真及动态干涉检查.........................................................26

第四章基于有限元法的床身设计理论...............................................................28

§4.1 有限元分析方法............................................................................................28

§4.1.1 有限元分理论基础.............................................................................28

§4.1.2 有限元法基本步骤.............................................................................30

§4.1.3 有限元的结构静力学分析..................................................................32

§4.1.4 有限元的结构动力学模态分析..........................................................32

第五章床身部件有限元分析...............................................................................37

§5.1 床身受力分析................................................................................................37

§5.2 床身有限元模型建立....................................................................................39

§ 5.2.1 床身有限元模型简化........................................................................40

§5.2.2 床身有限元模型单元选取及网格划分.............................................40

§5.3 床身靜力分析................................................................................................42

§5.3.1 材料的定义.........................................................................................42

§5.3.2 有限元模型网格划分及局部细化.....................................................42

§5.3.3 施加约束.............................................................................................43

§5.3.4 施加载荷.............................................................................................43

§5.3.5 求解与结果分析.................................................................................43

§5.4 床身模态分析................................................................................................45

§5.5 床身部件的结构优化....................................................................................47

§5.5.1 床身结构优化方法.............................................................................47

§5.5.2 床身的结构优化.................................................................................48

§5.5.3 结构优化后床身的性能分析..............................................................48

第六章主轴热误差及温升测试...........................................................................51

§6.1 主轴温升测试................................................................................................51

§6.2 主轴热误差测试............................................................................................53

第七章总结与展望...............................................................................................57

§7.1 总结................................................................................................................57

§7.2 展望................................................................................................................58

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

摘要

随着世界经济和科学技术的不断发展，加工中心也在不断的发展中。现在加

工中心正向高速、高精度、高柔性、高可靠性、复合化、高速化和智能化方向发

展，不但可以大幅度地提高加工效率、降低加工成本，而且还可以提高零件的表

面加工质量和精度。

本论文是高速精密卧式加工中心结构设计研发课题。参照国内外高速高精密

卧式加工中心进给系统、工作台和床身部件的设计方法。按照设计要求完成床身

部件和回转工作台部件的结构设计初定设计方案，并在起始设计阶段根据设计要

求对比各种不同的设计方案，选取最为合理的设计方案。

在机床设计阶段，进行机床的虚拟建模是十分重要的。应用虚拟现实技术能

够更为有效地设计出满足设计要求的结构。用三维CAD技术，完成床身和工作台

主要部件的设计，并且在虚拟三维平台上通过模型虚拟装配来确定各部件的装配

原则和装配路径。然后对虚拟装配的模型进行静态、动态的干涉检查，检测机床

床身部件和工作台部件的设计合理性、正确性。以此来得到加工中心床身部件和

工作台部件的改进优化方案。

对床身和工作台部件进行简化处理，得到用于有限元分析用的简化模型。建

立床身和工作台在工作状态下的力学模型。在ANSYS有限元分析平台环境下，分

析床身和工作台的静态和动态力学性能，完成机床固有特性和响应特性的分析。

在完成了这些基础之上的分析之后，提出合理的优化方案，对床身和工作台部件

进行结构改进。

关键词：卧式加工中心床身回转工作台虚拟建模有限元分析

ABSTRACT

As the world economy and the continuous development of science and technology,

CNC machining center is constantly developing. Now high-speed machining center

forward, high accuracy, high flexibility, high reliability, composite, high-speed and

intelligent direction, not only can greatly improve the processing efficiency and reduce

processing costs, but also can improve the surface quality of parts and precision.

This paper is high-speed precision horizontal machining center design research and

development topics. Reference to domestic and international high-speed high-precision

horizontal machining center feed system, table and bed parts of the design. Required to

complete bed according to the design components and design components of the rotary

table an initial design, and in the initial design phase contrast according to the design

requirements of a variety of designs, select the most reasonable design.

In the machine design stage, the machine's virtual modeling is very important. Virtual

reality technology can more effectively meet the design requirements to design the

structure. Three dimensional CAD technology to complete the major components of bed

and table design, and platform in a virtual three-dimensional virtual assembly through

the model to determine the principles of the assembly parts and assembly path. Then the

model of virtual assembly static and dynamic interference checking, testing machine

bed parts and components designed table, accuracy. Processing center in order to get the

table bed parts and components to improve optimization.

On the bed and table components is simplified, by using finite element analysis for

simplified model. Bed and table set up in the work under the mechanical model.

ANSYS finite element analysis platform in the environment, the analysis of bed and

table static and dynamic mechanical properties, the inherent characteristics of machine

tools to complete the analysis and response. Upon completion of these based on the

analysis, a reasonable optimization program, part of the bed and table structural

improvements.

KEY WORDS: Horizontal machining center, Bed Rotary table,

Virtual Modeling , Finite element analysis

第一章绪论

§ 1.1 课题研究背景及意义

制造业是国民经济的支柱产业，振兴它有助于推动我国经济新高潮。一个国

家的装备制造业的发展水平在一定程度上是衡量国家科技水平和工业水平的标

准。随着科技的快速发展，市场竞争越来越激烈，这就要求企业用最短的时间、

最少的资金、优质的产品和良好的服务来响应市场的需求。

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。它是不可或缺的战略性产业，是衡量一

个国家制造业水平高低的标志。随着世界经济和科学技术的不断发展，加工中心

也在不断的发展中。现在加工中心正向高速、高精度、高柔性、高可靠性、复合

化、高速化和智能化方向发展，不但可以大幅度地提高加工效率、降低加工成本，

而且还可以提高零件的表面加工质量和精度。新一代高速加工中心高速主轴单元

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

移动速度 60—120m/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 1S以内。从精密加工发展到了超

精密加工，是世界各工业国致力发展的方向。

高速加工中心在数控机床领域已经确立了不可动摇的地位，现在没有人怀疑

高速精密加工中心的发展前景。许多厂家都把高速高精度加工中心作为了自己的

主导产品，说明高速高精度加工中心的市场十分开阔。其次，高速加工中心的制

造技术已经进入了一个成熟期。用于高速加工中心的新的部件和新的机床配套不

断推出，进一步提高了高速加工中心的水平。

高速加工中心结构上的发展越来越清晰，虽然各有特点，但是占主流的结构

还是那几种形式，如“箱中箱”式结构和立柱式结构等。“箱中箱”式结构在这几

种结构形式中是速度最高的一种。有不同的组合形式，采用直线电机驱动的方式

已经很普遍了。其中，超过 55m/min以上的采用“箱中箱”式结构。“箱中箱”式

结构是近年来机床结构配置的重要发展趋势。它的特点是采用框架式箱形结构，

将一个移动的部件嵌入到另一个部件的框架箱中，以达到提高刚度减轻重量的目

的。采用“箱中箱”式结构获得成功的关键不仅在于基于有限元分析的设计方法，

而且还跟构件的制造工艺有很大的关系。

高速精密卧式加工中心床身和转台的结构设计与优化

高速加工中心正朝以下几个趋势发展。第一，高速的各项指标还在发展。第

二，在机床结构上一些新技术的应用，如双驱动、直线电动机和力矩电动机的广

泛应用。第三，在机床总体布局上呈现多样化。如双轴及多轴，三坐标一体式和

三坐标分体式，A、B轴转台的更多应用和机床整体框架式结构的应用。第四，龙

门式加工中心现在发展很快，除了其加工范围大的特点外，现代龙门式加工中心

还具有高速、多轴联动的特点。

由于动柱式加工中心立柱本身就是一种悬臂梁结构，切削力产生的颠覆力矩

将使立柱产生变形和位移，影响机床的加工精度。所以在设计立柱的时候，一般

立柱会设计得比较重，当驱动立柱的时候较高的立柱将会因头重脚轻而不适合较

高的速度和加速度，因此高速移动的立柱一般不宜太高而影响其上下移动的行程。

为了减小切屑力产生的颠覆力矩，设计机床的时候常把立柱的后导轨加高，与前

导轨不在一个平面上，但是后导轨因为空间限制而不能提得太高，太高将与主轴

电机相干涉。当把后导轨提到立柱上端问题得到解决，这样就产生了框架式结构，

原来的导轨也就变成了有着上下导轨的滑架。加上前面支承主轴滑鞍的框架合在

一起就形成了今天所广泛流行的“箱中箱”结构。所以，它的上下两个导轨支承

的滑架就相当于动柱式机床的立柱，这样这个立柱就由悬臂梁结构变成了具有两

端支撑的简支梁结构。简支梁结构的最大变形点在中间，同等条件下相比于悬臂

梁它的最大变形仅为后者的十六分之一。这样，这个滑架就可以在不影响刚性的

情况下做得比较轻，为高速度和高加速度提供了条件，这就是“箱中箱”结构在

现代机床结构中得以流行的原因。

§1.2 我国数控机床发展现状和问题

近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，迫切需求大量高速

高精密机床。要实现我国国民经济的现代化，我们不能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，更加不能长期在关键技术和设备上受制于人，

失去经济发展的主动权。

我国装备制造业的技术进步很快，一些以往依靠进口的机床和部件现在在国

内已经可以生产甚至批量生产，比如大型龙门五面体机床、高速加工中心、数控

机床及其功能部件、数控系统，有很多都达到相当高的水平，但是自主开发创新

能力不强，大部分是引进或者模仿。所以，国产高精密机床还远远不能满足市场

需求，大部分还是需要依靠进口。而在某些敏感行业如航空航天工业、军事工业

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