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大型数控回转工作台的有限元分析与优化设计研究

许加凯  
【摘要】:大型数控回转工作台是专为数控镗铣床、落地镗床等机床设计的重要功能部件,主要适用于配合数控镗铣床加工总量大、形状复杂的零件,实现一次装夹中完成多种工序的复合加工的功能。数控回转工作台是相对机床本体独立,是在数控机床加工过程中完成回转与直线进给功能的直接部件,工件在加工过程中直接装夹在工作台上,由工作台带动工件做直线或旋转运动。因此,工作台刚性与动态性能对与之搭配的机床的整机加工性能,包括加工精度和加工效率等有很大影响。而我国制造装备的设计、制造与国际上的先进水平仍存在较大差距。国内机床制造厂家在进行结构设计时仍有很大一部分采用传统的类比设计与静力学计算法为主,这导致一些机床的结构不尽合理动态特性也无法保证。本文针对HTK200B型数控回转工作台进行了有限元仿真分析与模态试验,研究了整机结构性能,在基于正交实验法和元结构理论等动态优化设计方法的基础上对数控回转工作台的关键部件——工作台进行结构优化设计,提高了整机承载能力和动态刚度。本文进行了以下研究工作:1.运用SolidWorks对HTK200B型数控回转工作台进行实体建模,并进行结构简化,最后导入ANSYS并建立整机有限元模型。2.从理论上分析了HTK200B所受载荷并进行静力学分析,然后在考虑整机结合面动态特性的基础上研究了回转工作台的动态性能。通过对回转工作台三个主要部件进行了模态分析,结合整机模态分析得到了需要结构优化设计的部件,即工作台部件。3.对HTK200B型数控回转工作台的工作台部件进行了模态试验。通过试验系统地介绍了模态试验相关理论、试验中注意事项与试验步骤。得到了工作台的模态参数,同时验证了有限元仿真分析模型的正确性。4.介绍了结构优化设计的理论,以工作台部件为优化对象,对工作台的筋板结构布局和出砂孔的参数分别运用正交实验法和基于元结构的动态优化设计得到了工作台结构设计的最佳型式与出砂孔最优参数组合,优化后的工作台部件不仅提升了回转工作台的承载能力还提高了整机的动力学性能。


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