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A/C双摆角数控万能铣头结构优化设计与动力学分析

张坤  
【摘要】:高档数控机床是制造业的基础,其中五轴联动数控机床对复杂、非标、高精度零件的加工能力强大,对航空航天、船舶、精密仪器、发电等高端产业有着举足轻重的影响力。 双摆角数控万能铣头作为五轴联动数控机床的关键功能部件,结构复杂,部件众多,驱动及控制困难,刚度不易保证,因而需要进行详细的精度设计、动静态特性分析和优化设计。本文采用现代精度设计理论和有限元方法对A/C双摆角铣头系统进行了精度设计、静态特性和动态特性分析。 首先,介绍了双摆角铣头总体设计情况,论证了铣头控制方案的实现方式,在总体结构方案和控制方案的基础上,给出了精度保证的方案,列出了后续机械部分设计需要进行的工作和需要达到的精度指标。 然后,进行摆角铣头A轴和C轴驱动系统精度设计。介绍了精度设计基本理论,讨论了随机误差合成方法;根据角度误差预估方法确定传动链配置方案,对传动比进行分配;讨论了传动链的传动误差和回程误差的统计计算方法并推导A轴和C轴误差计算式,根据机械部分角度定位精度及重复定位精度指标的限定条件,选定齿轮等级并进行查表计算。 再后,基于A/C双摆角铣头工程图纸,在SolidWorks中建立三维实体模型,导入ANSYS软件里建立了结构的有限元计算模型,对于摆角铣头这种复杂结构,研究了它的建模方法、模型简化策略和网格划分策略等;根据实际铣削参数计算了铣削力,作为静力结构分析加载条件的一部分;对静力分析结果进行了讨论。 最后,为了探讨摆角铣头在动载荷和热载荷作用下的长时工作特性,进行了动态特性分析。介绍了模态分析基本理论,考虑了边界条件和作用在铣头上的载荷的处理方法,对结构进行了模态分析,讨论了模态分析的结果及其对结构性能的影响;介绍了热结构分析基本理论,讨论了热载荷、边界条件的处理及其热-结构耦合分析策略,进行加载计算,讨论了热分析结果及其对结构性能的影响。


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