面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究

针对某机床结构薄弱件立柱的结构优化设计,提出了一种基于拓扑优化、筋板形式选择与布局以及尺寸优化的结构设计方法。首先利用有限元法(finite element analysis,FEA)对机床整机进行动力学分析,模态分析与谐响应分析结果表明立柱为影响整机动态性能的关键结构件。然后以立柱结构为优化目标,对立柱进行拓扑优化,根据拓扑优化的材料分布情况设计了立柱的最优基本结构形式,再通过选择抗弯、抗扭刚度较好的W类型筋板进行布局与尺寸优化,得到了最终的立柱优化结构。最后对优化的立柱结构进行验证,分析结果表明:该结构设计方法有效地改善了整机的动态性能,在立柱质量减轻的前提下,优化后的整机前六阶固有频率均得到了不同程度的提高,其中一阶固有频率提高了10%以上;并且机床在x方向上的最大共振峰值下降了49.8%,y方向下降了70.1%,z方向下降了66.2%。

机床整机的动态特性分析

采用用户自定义矩阵单元来处理机床结合部的接触问题 ,在商品化软件平台上建立了机床整机的有限元模型 ,并对其进行了动态特性的分析。运用该方法来进行结构的性能预测 ,已用于工厂对机床的结构改进设计中。

机床整机动刚度薄弱环节辨识与优化方法研究

提出一种机床整机动态分析指导薄弱部件改进的优化思路,即通过对机床整机的动刚度进行分析,辨识出不同激振频率下整机中的薄弱环节,明确优化目标,提高优化效率。利用ANSYS Workbench软件对一种卧式加工中心进行谐响应分析和模态分析,辨识出立柱是整机x向和z向动刚度的最薄弱环节。以立柱结构为优化对象,运用灵敏度分析法计算出立柱质量和固有频率对各个壁板的灵敏度。以立柱固有频率为优化目标,立柱质量为约束条件,建立优化方程。利用Matlab软件求解该方程,得到立柱的优化结果。通过谐响应分析得到优化后机床整机的动刚度,结果表明,优化后立柱在质量不增加的情况下,整机在x向和z向的最大共振峰值降低约6.5%,相应的共振频率提高约10%。

基于iSIGHT的机床整机结构方案设计与集成优化

机床整机结构方案设计是机床设计的关键环节.在早期设计阶段,实现整机及基础大件性能优化可显著减少后续详细设计的重复率,提高设计效率.基于多学科优化设计软件i SIGHT,搭建了机床整机结构方案设计及集成优化系统框架,有效集成参数化建模知识、仿真分析知识;综合利用实验设计、响应面拟合及多目标优化算法,形成了以结构件关键设计参数为变量、静动态特性及质量为目标的优化技术流程.以某框中框结构卧式加工中心为例,优化后整机质量下降6.38%,,整机最大变形降低3.24%,,工件-刀具相对变形降低5.68%,,首阶固有频率提高1.15%,.优化结果验证了所提出方法的可行性.

机床整机性能仿真分析的模型简化方法研究

机床设计过程中整机性能仿真分析,要求缩短时间,同时保证一定精度,针对这一需求提出了一种整机模型简化方法。该方法以整机为研究对象,通过分析机床部件是否处于机床整机闭合力学系统等准则,确定了不同部件的简化必要性和策略,形成了一套完整高效的整机性能分析简化方法。以某轧辊磨床为例,对简化流程的各步骤进行了仿真,提出了"简化有效性指数"(index of simplification effect,ISE)对上述不同阶段的简化有效性进行评价。最终该机床单次仿真时间缩短95.6%,静态与动态特性仿真结果与实验对比误差均小于5.5%。最后基于目前机床企业常用的Pro/E软件所提供的VBAPI二次开发工具,开发了机床整机性能分析模型简化工具,实现了自动化辅助简化,节约了设计人员进行模型简化的时间,对缩短机床设计周期具有一定实用意义。

机床整机模型简化及特性复现方法研究

用有限元方法对机床整机进行静动态特性计算时,划分网格较密,节点众多,不利于快速进行定量的分析,需要从中提取出简约模型及其与之对应的静动态特性。由此提出了简约模型关键节点选取原则,编制相应软件读取结果数据文件,提取相关节点的坐标、静态位移、动态振型等信息,绘制整机及静动态变形的简约模型图。以XK713B立式镗铣床为研究对象,在建立整机模型的基础上,分析其静动态特性,并利用编制的软件,形成简约模型,进行特性复现。结果表明:该立式镗铣床由原始的153238个节点简约为156个节点,并且很好地保留了机床各部件的结构特征和静动态特性,为简化后续的定量分析打下了基础。

机床整机结构建模中若干技术问题的研究

对复杂的机械结构进行建模分析,在图纸阶段预测机械结构的静动态特性是设计者进行创新设计的主要技术手段之一。本文论述了机床整机结构建模中三维模型与有限元模型之间的转换方法、结构简化原则、结合部特性参数的融合技术等。最后以某立式加工中心为例进行了相应的试验和建模计算,验证了本文方法的有效性。

切削与振动联合测试诊断机床整机薄弱环节

通过对机床进行切削实验和振动实验联合的测试手段分析出机床整机的薄弱环节。首先,对机床进行整机模态实验分析,得到整机固有频率和振型,对其动态特性有一些初步掌握。其次,在机床进行切削实验过程中,采集记录时域下的切削力数据。通过快速傅里叶变换,在频域下对该数据进行分析,找出切削力较大时所对应的频率。最后,结合切削力测试结果和整机模态测试结果进行对比分析,找出在切削过程中切削力较大值所对应的频率恰好与整机某一阶次固有频率相重合。通过分析该阶次所对应的振型,找出整机的薄弱环节。

切削与振动联合测试诊断机床整机薄弱环节

通过对机床进行切削实验和振动实验,用这种联合的测试手段分析出机床整机的薄弱环节。首先,对机床进行整机模态实验分析,得到整机固有频率和振型,对其动态特性有一些初步掌握。其次,在机床进行切削实验过程中,采集记录时域下的切削力数据。通过快速傅里叶变换,在频域下对该数据进行分析,找出切削力较大时所对应的频率。最后,结合切削力测试结果和整机模态测试结果进行对比分析,找出在切削过程中切削力较大值所对应的频率恰好与整机某一阶次固有频率相重合。通过分析该阶次所对应的振型,找出整机的薄弱环节。

机床整机动态刚度薄弱环节辨识与优化

由于我国机床加工性能不断提升,人们对机床的动态性也提出了更高的要求。为了对机床加工中心的动态特征进行深入的分析,以机床整机为研究对象,主要对其刚度的薄弱环节和优化措施进行详细论述。

直驱机床整机刚度特性薄弱环节辨识与优化

为提高直驱机床整机的优化效率,改善静动态性能并达到轻量化效果,提出了一种机床整机刚度特性分析指导薄弱环节改进的优化思路。基于有限元法和串联刚度场理论对三轴直驱型加工中心进行静力学分析、模态分析和谐响应分析,辨识出横梁立柱是整机静刚度以及一、二阶模态振型的最薄弱环节。采用拓扑优化、灵敏度分析、尺寸优化相结合的方法设计并得到了横梁立柱新结构。对比优化前后的横梁立柱结构及整机性能,结果表明:新型横梁立柱在x、y、z三个方向上的静力变形量分别减少27.8%、9.3%和10.3%,前二阶固有频率分别提高23.6%和11.0%,同时横梁立柱结构实现减重9.0%;直驱机床整体刚度显著提高,并且x、y、z三个方向上的最大共振峰值分别下降31.1%、22.5%、16.0%。在横梁立柱质量减轻的前提下,直驱机床整机的静动态性能显著提升。

XK713数控镗铣床整机静动态特性分析

为了更准确地预测和分析机床整机的静动态特性,建立的机床整机有限元模型必须包含各结合面特性参数。以XK713数控镗铣床为例,运用有限元法将各结合面特性参数融合到整机模型中,建立包含结合部特性的机床整机动力学模型。在此基础上,利用谐响应分析法计算刀具与工件之间的相对刚度。与同类机床相比,XK713数控镗铣床三向静刚度都较高,但y向静刚度相对较小;x向刀具与工件相对振幅较大,y向的谐响应频率最丰富。因此在使用中要注意避开优势固有频率,在改进设计时要注意提高y向静刚度和x向动刚度。

机床实体模型复模态空间动位移显示技术的研究

介绍了用实体模型在复模态空间显示机床整机动位移的原理和方法。并在VC++6.0开发平台上用OpenGL语言开发了相应软件。解决了以往同类软件动画效果不能真实地表现实际机床整机的动态位移情况的难题。

基于模态柔度和能量分布的机床动态优化设计

使机床切削点动柔度最大值在整个工作频率范围内最小,是机床实现无颤振稳定切削和高精度切削加工的要求,也是对其进行动态优化设计所应达到的目标。基于模态柔度和能量分布的机床结构动态优化设计原理,实现了一种以降低切削点交叉动柔度值为目标的优化方法。该方法利用切削点交叉动柔度与模态柔度的关系,首先寻找薄弱模态,再分析薄弱模态上各部件和环节的能量分布,确定该模态上的薄弱环节,然后在一定的约束条件下,改进这些环节的设计参数,从而实现优化目标。以某型万能工具铣床为例,在整机建模分析计算的基础上,阐述了该优化方法的具体应用。通过模态柔度和能量分布计算,判明该机床的薄弱环节是横梁-水平主轴体系统,针对薄弱环节设计参数的改进实现其质量和刚度的优化,优化后的静柔度和模态柔度都有较大的降低,而固有频率则相应提高,切削点动柔度的最大值降低近18%。并在此基础上进行结构改进设计,改进前后机床的谐响应分析和切削试验对比结果表明优化方法有效地改善了机床的动态性能,再生颤振稳定性得到大幅提高。