高速立式加工中心床身静动态特性分析及优化设计

【摘要】：制造业是国家工业发展的基础，一个国家的制造业技术也是这个国家综合国力的体现。高速立式加工中心作为制造业领域的制造母机，其静动态性能直接影响到加工中心的加工精度。床身作为高速立式加工中心的基础承载部件，在加工中心中起支撑作用，因此对床身的静动态性能的研究就显得尤为重要。本文采用基于有限元方法与数学优化理论相结合的虚拟优化技术，对床身结构进行分析和优化，并对床身结构进行改进使其性能更加优越。 本文主要内容如下所述。 （1）根据目前市场上现有的床身结构，并结合以往的设计经验，提出4种不同布筋形式的床身结构方案，在三维软件SolidWorks中建立实体模型。结合有限元理论，在Ansys WorkBench中对4种不同布筋形式的床身结构建立有限元模型。 （2）对4种不同布筋形式的床身结构进行静动态特性分析，分别提取X、Y、Z三个方向的最大变形量和前六阶固有频率及振型。经过分析和比较得出复合筋床身结构具有较优的静动态特性。 （3）通过分析5种不同筋厚度的复合筋床身结构，得出当筋厚度为20mm时，其各方面性能较好。为进一步提高床身结构性能，以提高复合筋床身的固有频率为目标函数，以体积为约束条件，对其做拓扑优化设计。依据拓扑优化结果，提出了增加两个出砂孔和增大床身底部筋格面积的两个改进方法；对改进后的床身结构进行静动态分析，得到改进后的床身结构在静动态性能上都有一定的提升，同时使床身的质量相比之前减轻了32.7kg。对改进的床身进行谐响应分析，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。将振动研点法应用于高速立式加工中心导轨强度的提升方面，在理论上对这种方法进行了分析。 （4）在三种不同极限工况下，对改进前后的复合筋床身结构进行静力分析，通过对分析结果进行比较可知改进后的床身结构在X、Y、 Z三个方向的变形量都减小，说明改进后的床身结构的静态性能得到提高。