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机床结构设计方法研究及在立柱设计中的应用

马超

   机床结构的静动态优化及轻量化设计是实现现代数控机床高速、高精密特性的主要途径之一。结构有限元分析和结构优化方法被广泛运用到了机床的结构设计领域。与传统的经验设计方法相比,以结构有限元分析和结构优化方法为理论依据的机床结构设计方法具有更高的设计效率和设计质量。 本课题来源于国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”,专项项目名称为“面向动静热特性的机床数字化设计及其软件”(NO.2009ZX04014-034)和“某系列立式车铣复合加工中心”(NO.2009ZX04001-031)以及国家科技支撑计划项目“多轴联动高速龙门式加工中心系列产品开发”(NO.2007BAF21B01)。本文结合课题内容研究了基于结构拓扑优化的数控机床结构设计方法,并且运用该设计方法实现了某型号立式车铣加工中心移动立柱结构的静动态优化及轻量化设计。具体研究内容如下: (1)通过研究结构静动态拓扑优化基本原理和数控机床典型载荷工况及机床结构工艺特点,提出了按照结构物理模型分析、结构拓扑优化概念模型设计和结构详细性能设计的机床结构设计流程,形成了面向数控机床的结构设计方法。 (2)通过研究典型数控机床的结构型谱以及典型连接面的载荷分布,建立了数控机床的参数驱动受力分析模型并开发了相应的软件,在结构物理模型分析阶段实现了数控机床结构有限元分析载荷的数字化求解。 (3)应用本文论述的机床结构设计方法及参数驱动受力分析软件进行了某型号立式车铣加工中心移动立柱结构设计。在立柱结构物理模型分析阶段,运用参数驱动受力分析软件求解立柱载荷及边界条件;在立柱结构概念模型设计阶段,运用OptiStruct优化模块,采用变密度法,分别建立了体积约束下结构多工况加权柔度目标、结构一阶固有频率目标和柔度与固有频率综合的多目标拓扑优化概念模型;在立柱结构详细性能设计阶段,进行了基于概念模型的立柱结构构型设计、结构主要尺寸设计和结构工艺改进,获得了最终的立柱结构方案。 新设计立柱方案的结构刚度和一阶固有频率比工厂经验设计结构分别提高了13.6%和17.1%,同时质量减轻了9.7%,表明本文提出的机床结构设计方法能够显著提高立式车铣加工中心立柱结构的静、动态性能并实现结构的轻量化设计。解决了企业在某型号立式车铣加工中心产品开发过程中出现的移动立柱结构刚度不足和结构过于笨重的问题,因此新设计的立柱结构方案最终被企业采纳并投入了生产。……   
[关键词]:静动态优化;轻量化设计;拓扑优化;立柱结构
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:大连理工大学2010年