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《陕西科技大学》 2012年
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高速加工中心工作台系统的静动态特性分析及优化设计

张菲  
【摘要】:高速加工中心是近年来机床发展的热点之一。随着加工中心向着高切削速度、高进给速度和高加工精度的方向发展,对其工作性能的要求越来越高,不仅要求加工中心具有良好的静态特性,而且要具有良好的动态特性。而工作台系统(包括工作台、导轨、丝杠、丝杠母座等)是高速立式加工中心的基础部件之一,要承受来自加工中心的静载荷以及在加工时产生的切削负载等,因此它必须要有足够的刚度,并且加工中心工作台系统的强度、刚度性能将对加工中心的加工质量和使用寿命具有一定的影响,所以对工作台系统进行静、动特性分析是很有必要的。 本课题的具体工作有以下几个方面: 1.参考目前市场上现有的工作台结构并结合以往的设计经验,设计出了四种不同布筋形式的工作台结构,在SolidWorks中对其进行了实体建模并和丝杠,导轨,滑块等进行装配得到工作台系统的装配体。结合有限元理论,在ANSYS WorkBench中对四种不同结构的工作台系统进行了有限元建模。 2.分别对四种布筋形式不同的工作台系统进行静力学分析,进而计算出了各个工作台系统的在各方向上的静刚度,经过比较得出了普筋加强筋工作台系统具有较优的静力学特性;以普筋加强筋工作台系统为研究对象,对其进行了模态分析,提取出了其前15阶固有频率和振型,并以此为基准评价工作台系统的动态性能,该工作台系统的筋板和丝杠的刚度较小。 3.根据对普筋加强筋工作台系统的模态分析结果,为了提高工作台系统的动态性能对该工作台系统做优化设计。以提高其固有频率为目标函数,以体积为约束条件,对其做拓扑优化,得到了工作台系统的拓扑优化的节点伪密度分布图,从此图看出工作台的外壳和筋板厚度需要稍微加厚,但这一改动会影响工作台的整个结构布局,因此决定保留原工作台结构;基于拓扑优化的结果不明显,再以提高工作台系统的固有频率为目标,提出了双丝杠传动工作台系统的概念,用双丝杠驱动代替传统的单丝杠驱动,并将两根滚珠丝杠在工作台上的水平距离作为优化设计参数建立了该工作台系统的参数化模型,经分析得到了当两根滚珠丝杆在工作台上的水平距离为310mm时的工作台系统方案具有较优的动态性能;对优化后的双丝杠传动工作台系统做了谐响应分析,绘制了频率-振幅曲线图,在该曲线图谱中显示的谐响应分析结果与模态振型相吻合。
【学位授予单位】:陕西科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG659

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