龙门导轨磨床立柱动静态特性分析

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高速龙门加工中心立柱静态设计与动特性分析

高速龙门加工中心立柱静态设计与动特性分析

高速龙门加工中心立柱静态设计与动特性分析刘传进;郭永海【摘要】立柱静动态特性对机床整机的性能有很大影响,基于有限元设计高速龙门加工中心立柱结构,为保证机床的动态特性,在ANSYS Workbench软件中建立立柱的有限元模型,并分析立柱两种工况的受力,然后对其进行静力学、模态和谐响应性能分析.仿真结果表明:两种工况下立柱的静态刚度和强度、振动特性均能满足设计指标;谐响应分析找出了立柱在激振频率作用下的共振频率.验证了立柱结构设计的合理性,并为有效避开共振频率,实现高速龙门镗铣床的高速度、高精密切削加工提供了理论依据.【期刊名称】《现代机械》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】5页(P1-5)【关键词】ANSYS Workbench;立柱;静动特性;有限元分析【作者】刘传进;郭永海【作者单位】南通国盛机电集团有限公司,江苏南通226002;江苏省经济和信息化研究院,江苏南京210003【正文语种】中文【中图分类】TH16;TG502数控机床一般由多个机械部件组成,所以整机的静动态特性及加工性能往往与关键零部件的设计可靠性和静动态特性有着密切的关系[1]。

数控龙门镗铣床为双立柱结构,立柱是加工中心中最关键的受力构件,它起着连接床身和支撑横梁、滑座、滑枕等部件的作用。

在机床工作过程中,立柱不仅受到所支撑部件的压力,同时还受到一定的弯曲力矩的作用。

立柱的静动态特性直接影响着机床整机的工作性能和工件的加工质量[2],为了保证数控龙门镗铣床具有较好的静动态特性以及工件的加工精度,在立柱结构设计过程中,运用有限元软件对结构进行静动态特性仿真分析,具有非常重要的意义。

本文以某型号数控龙门镗铣床的左立柱结构为研究对象,采用ANSYS Workbench软件[3]建立了三维建模,并对其进行了静变形量、应力、模态频率、谐响应特性仿真分析,结合预先给定的设计指标,检验立柱结构设计的合理程度,为立柱结构的设计提供一定了的理论参考依据[4]。

机床立柱结构动态特性分析及优化设计

机床立柱结构动态特性分析及优化设计

216 Unsymm etric法
Unsymmetric 法 用 于 系 统 矩 阵 为 非 对 称 矩 阵 的
问题 。
在大多数分析过程中将选用 Subspace 法 、B lock
Lanczos 法 、Power Dynam ic 法 和 Reduce Householder
法 。Damped 法和 Unsymmetric 法只在特殊情况下才
Abstract: H igh2speed metal cutting has been turned to one of the essentials of modern machine tools. To a high2speed machine tool, it needs to have good dynam ic and static behaviors. Therefore, the research on the dynam ic and static behavior of machine2 building industry has been one of the important step s. App lies FEA ( Finite Element Analysis) to analysis the dynam ic behaviors of one numeric high2speed toolπs vertical pole, then makes an op tim ization2design on it. Key words: FEA; Modal analysis; M achine tool; Stiffness; Structural op tim ization
Structura l dynam ic behav iors ana lysis and optim iza tion2design of a mach ine toolπs vertica l pole

多功能数控磨床立柱动态特性分析

多功能数控磨床立柱动态特性分析
在 结 构 线 性 变 形 为 小 变 形 的 假 设 基 础 上 , 阻 尼 的 影 响并 不 大 . 故 而 可 以忽 略 , 得 到 无 阻 尼 的 自 由 振 动 方 程 如 下 : E M ] { X( t ) } +[ ] { ( ) } = 0 ( 2 )
于 多 功 能 全 数 控 磨 床 立 柱 结 构 的 复 杂 性 , 建 立 精 确 完
ANS YS之 间 的 无 缝 连 接 , 将 三 维 C AD 模 型 转 换 成
I GES格 式 后 直 接 导 入 ANS YS 中 进 行 动 态 特 性 分 析 。 分 析 模 型 的 质 量 直 接 影 响 分 析 结 果 的 准 确 性 。 由
立 柱结 构 的优化 提供 理论 依 据[ z - 。

些 振 动 频 率 和 所 对 应 的振 型 , 显 得 十 分 重 要 。
有 性 质 .一 般 描 述 动 态 特 性 的 主 要 指 标 有 固有 频 率 和 主 振 型 。x - , t 磨 床 立 柱 动 态 性 能 的研 究 方 法 主 要 是 模 态 分 析 法 ,模 态 分 析 的 内容 是 确 定 磨 床 立 柱 的 振 动 特 性 即固有 频率 和振 型 。 通 过 对磨床 立 柱进行 模 态分 析 , 可
关键词 : 多功 能 磨 床 立 柱
中图分类号 : TH1 1 3
动 态 特 性 分 析
文 献标 识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0- 4 9 9 8( 2 01 3 ) 1 2 -0 01 3 — 0 3
为 了 满 足 复 杂 零 件 的 磨 削 加 工 要 求 , 我 们 与 国 内
多 功 能 数 控 磨 床 豆 往 动 态 特 性 分 析 术

龙门加工中心整机动静态分析及结构优化

龙门加工中心整机动静态分析及结构优化

由分析结果发现, 滑枕的静强度与动态性能都较 好, 但根据加工中心整体结构, 可发现其存在结构过长 的现象, 这一设计既增加了自身质量, 缩短了行程, 又加 剧了刀尖变形趋势。滑枕结构改进前后对比如图 6所 示。修改前后行程增加 2 9 0m m , 质量减轻 1 2 6k g 。
由表 3可知, 该龙门加工中心的前两阶固有频率偏 低, 只有 3 0 1 7 7H z 和3 2 5 1 5H z , 动态特性较差。4 、 5 、 6 阶有密频现象。 结合前面静力分析的结果可知: 横梁、 滑枕是其较 为薄弱环节。这是由于该加工中心横梁 x 向的刚度低 以及滑枕长度过长, 造成整机低阶固有频率偏低及总位 移量较大。
2 有限元模型建立
静力学分析中, 网格划分采用 A N S Y SWo r k b e n c h三 维实体单元 S o l i d 1 8 6 , 该单元为三维 6面体 2 0节点的结
收稿日期: 2 0 1 4 0 5 1 1 基金项目: 人工智能四川省重点实验室科研项目( 2 0 1 3 R Y Y 0 3 ) ; 四川省教育厅重点项目( 1 4 Z A 0 2 0 9 ) ; 自贡市科技局项目( 2 0 1 3 J 1 9 ) 作者简介: 杨海栗( 1 9 8 8 ) , 女, 四川成都人, 助教, 硕士, 主要从事结构设计及 C A E仿真分析研究, ( E m a i l ) y h l s e a 3 2 4 @1 6 3 . c o m
龙门加工中心整机动静态分析及结构优化
杨海栗,田建平,胡 勇,付 磊,黄丹平
( 四川理工学院机械工程学院,四川 自贡 6 4 3 0 0 0 )
摘 要: 以S o l i d Wo r k s 三维建模软件与 A N S Y SWo r k b e n c h 有限元分析软件为平台, 建立龙门加工中 心整机动静态分析模型, 由分析得到整机在只受重力、 以及重力与切削力同时作用这两种工况下的位移 量数据及其相对变化量, 得出整机的结构刚性及固有频率值, 并综合分析结果提出滑枕及横梁的结构优 化方案, 通过结构改进减小整机变形量, 提高整机加工精度, 为加工时的误差补偿提供了理论依据。 关键词: 龙门加工中心; 整机; 静力特性; 动力特性; 结构优化 中图分类号: T P 3 9 1 文献标志码: A 及整机可靠性, 并针对薄弱环节进行结构优化, 从而提 高整机加工精度, 并为加工时的误差补偿提供必要的理 论依据。

数控机床主轴静动态特性分析与优化设计

数控机床主轴静动态特性分析与优化设计

数控机床主轴静动态特性分析与优化设计数控机床主轴的静动态特性分析与优化设计在机床设计中扮演着重要的角色。

主轴的质量、刚度和动力性能直接影响着数控机床的加工精度和生产效率。

因此,针对数控机床主轴的静动态特性进行分析和优化设计是非常必要的。

首先,对数控机床主轴的静态特性进行分析是基础。

静态特性主要包括主轴的刚度、负载能力和转速范围。

刚度是指主轴在受力时的变形能力,直接影响着机床的切削精度。

负载能力指主轴能够承受的最大切削力或轴向力,取决于主轴的结构和材料。

转速范围则指主轴的最大和最小可工作转速,根据机床加工要求和主轴的功率决定。

其次,对数控机床主轴的动态特性进行分析是优化设计的重要环节。

动态特性主要包括主轴的运行平稳性、动态刚度和各模态的特性频率。

运行平稳性是指主轴在工作状态下的振动情况,对加工表面质量和刀具寿命有重要影响。

动态刚度是指主轴在受力时的变形能力在一定频率下的响应能力。

各模态的特性频率则表征着主轴在不同振动模态下的响应频率和振动幅度。

针对数控机床主轴的静动态特性,可以采取以下优化设计措施。

首先是通过优选材料和适当加工工艺来提高主轴的刚度和负载能力。

其次是采用适当的轴承和润滑方式,减小主轴的摩擦和磨损,提高运行平稳性。

此外,还可以通过调整主轴的结构和参数来提高动态刚度和各模态的特性频率。

例如,增加主轴的直径、改变轴承支撑形式等。

在数控机床主轴静动态特性优化设计过程中,还需要考虑与其他系统和结构的配合,如主轴驱动装置、刀具系统等。

同时,结合实际工艺要求和机床制造能力,进行多种参数的优化设计,以实现最佳的综合性能。

总之,数控机床主轴的静动态特性分析与优化设计是非常重要的工作,直接关系到数控机床的加工质量和生产效率。

通过对主轴材料、结构和参数的优化设计,可以提高数控机床主轴的静态刚度、负载能力和动态性能,进而提高数控机床的加工精度和生产效率。

大型数控龙门平面磨床动态特性的有限元分析

大型数控龙门平面磨床动态特性的有限元分析

大型数控龙门平面磨床动态特性的有限元分析*董凯夫1,2,翁泽宇1,沈晓庆1,卢 波1,段京虎1,扬 托1(1.浙江工业大学机电工程学院,浙江杭州310014;2.杭州机床集团有限公司,浙江杭州310022)摘 要:磨床的动态特性影响加工质量和切削效率。

本文建立了某大型数控龙门平面磨床的三维有限元模型,通过有限元动力学分析,得到该磨床的各阶模态参数,分析了各阶振型对机床动态特性影响,为大型数控龙门平面磨床结构的改进设计提供了理论依据。

关键词:动态特性;有限元分析;平面磨床中图分类号:T G586 文献标志码:A机床振动使工件和刀具的相对位置和相对速度发生变化,切削过程变得恶化,限制了加工质量和切削效率。

而机床的振动按其产生的原因可以分为自由振动、受迫振动和自激振动。

自由振动的频率是系统的固有频率,受迫振动的频率是激振频率,自激振动的频率接近于系统的固有频率。

因此研究机床结构的动态特性即机床的固有频率和振型是分析评价机床动态性能的重要指标。

模态分析主要是用于确定结构的动态特性:固有频率和振型。

本文以某种型号的大型数控龙门系列平面磨床作为研究对象。

首先对磨床进行模态分析,得到磨床的各阶固有频率和它们的振型,并对各阶振型进行分析,为磨床的改进提供可靠的依据。

1 模态分析的基本理论一个具有N个自由度的粘性阻尼系统,其自由振动方程可表示为:[M]{ }+[C]{u }+[K]{u}=0(1)其中[M]、[C]、[K]分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵,{u}为系统各点的位移响应向量。

[M]、[K]通常为实系数对称矩阵,而[C]则为非对称矩阵,因此上面的方程是1组耦合方程,当系统自由度很大的时候,求解非常困难。

将上述耦合方程变为非耦合的独立方程组,这就是模态理论所要解决的问题。

令:[u]=[{ 1}{ 2} { r} { n}]{q}(2)其中:[ ]=[{ 1}{ 2} { r} { n}]为振型矩阵; {q}为模态坐标;{ r}为第r阶振型。

龙门加工中心立柱静力学分析与结构优化设计方法

龙门加工中心立柱静力学分析与结构优化设计方法

龙门加工中心立柱静力学分析与结构优化设计方法丁长春;殷国富;方辉;徐德炜【摘要】Solidworks 3D design and ansys softwares are adopted to make 3D model and steatic analysis of the column of the Gantry machinze. Tle deformation stress and strain of the column are given under the gravity and cutting force. Then.the suggestion of improvement of the column is advanced. The static mechamical performance is improved greotly and the stress is redfuced greatly.It is the basis to improre the precision of he Gantry machine.%集成应用solidworks三维软件和ansys有限元分析软件,建立了大型龙门加工中心立柱的三维模型和静力学分析模型,通过有限元计算得到了立柱在重力和切削力作用下的变形、应力和应变分布,根据相应分析结果提出了机构优化方案,改善了该型龙门加工中心立柱的静态力学性能,为提高该型加工中心的加工精度稳定性提供了技术手段支持.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2011(000)003【总页数】2页(P3-4)【关键词】立柱;静力分析;变形量;优化设计【作者】丁长春;殷国富;方辉;徐德炜【作者单位】四川大学,制造科学与工程学院,成都,610065;四川大学,制造科学与工程学院,成都,610065;四川大学,制造科学与工程学院,成都,610065;四川长征机床(集团)有限公司,自贡,643020【正文语种】中文【中图分类】TH121 引言龙门加工中心立柱主要用于支承横梁、导轨等部件,是大型龙门加工中心的重要组成部分,它的强度、刚度性能直接影响整机的加工精度、抗振性、切削效率和寿命。

龙门铣床的动_静特性研究

龙门铣床的动_静特性研究

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引言
自由度完全耦合的方 法将床 身、 立 柱、 横 梁、 连接 梁和主 轴箱 等 部件装配 , 得到 龙 门铣 床 整机 的 有限 元 模 型 , 共 有 23839 个 节 点 , 44217 个单元 , 见图 1[ 2] 。
龙门铣床作为机械加工的工作母机 , 由于 其结构的复杂 性 , 在我国一直采用经验和对比设计 , 与国外同类 机床相比 , 普遍存 在外形庞大、 类型单一的缺点。为了提高对生产 环境的适应 性 , 满足快速多变的市场需求 , 龙门铣床的轻量化 、 多样化设 计已成 为提高该产品市场竞争力的关键因素。 虚拟制造技术的发展为龙门铣床这类重型机床的结 构设计 和优化提供 很好的设计 平台。动、 静力分 析是 保证机 床具 有良 好的精 度、 速 度 和 刚 度 等 性 能 指 标 的 重 要 基 础。因 此 , 利 用 CAD/ CAE 技术对龙门铣 床进 行动、 静 力分 析 , 为 其作 优化 设计 和生产同类产品提供理论指导 , 具有重要的工 程实践意义。 目前对龙门铣床的研究多局限于电气系统改造和数 控系统 研制等方面 , 而 有关 龙门 铣床 的结 构优 化设 计 , 很 少见 文献 报 道。 本文基于 ANSYS 软件 , 构造 了龙门铣床的有限 元模型 , 并对 其动、 静力学特性进行分析 , 以期为其优化设计提供理论依据。
因为在有限元分析中物体之间是通过节点来传递力和力矩的本文通过在工作台上放置一个10000kg重的质量块来模拟工作台的承载情况在接触面上保证工作台和质量块所有的节点重合从而保证质量块的重量均匀的加载到工作台上
工艺与装备
文章编号 : 1001- 2265( 2005) 10- 0084- 02
组合机床与自动化加工技术
图 4 三阶振型 此外 , 当机床各 部件壁 厚由 25mm 变为 20mm 时 , 整机 的固 有频率有所降低 , 但变化不大 , 但整机重量可减小 3329kg。 当铣头在横 梁上 左 右移 动时 , 铣床 的固 有 频率 变化 很 小 , 机床的振动规律不变。 2 . 2 静力学分析 结合多 轴铣床的实际加 工情况 , 定义 某方 向上的 刚度 为发 生单位变形所需要在该方向上施加的力。分别以垂直铣 头和水 平铣头为参考 , 考察机床的刚度。 以垂 直 铣头 为 参 考点 , 铣床 x 、 y 和 z 方 向的 刚 度 分别 为 291. 42 N/ m, 66. 96 N/ m 和 645. 51 N/ m; 以 水平 铣头 为参 考 点 , 铣床 x、 y 和 z 方 向的 刚度 分别 为 70. 22 N/ m, 495. 23 N/ m

机床主轴动静态特性分析项目讲义

机床主轴动静态特性分析项目讲义

机床主轴动静态特性分析机床主轴通常在高速状态下工作,因此其动静态特性必须很高,才能满足加工质量要求,因此对机床主轴进行静力学分析和模态分析是很有必要的。

静力学分析主要是得出机床主轴的刚度,并且得出在典型加工条件下,主轴前端的最大位移,看其是否满足静态要求;动力学分析得出主轴振型以及主轴固有频率,从而判断主轴设计是否合理,并且在此基础上优化结构设计。

机床主轴的动态特性包括临界转速、主振型和固有频率等方面,这是机床主轴动态特性的主要方面。

当机床主轴的转速达到或接近临界转速时,会引起机床的共振,使机床震动加剧,加快刀具的磨损,降低加工质量,恶化加工环境。

因此为了避免这种情况的发生,对机床主轴的临界转速的研究是很有必要的。

为了保证加工质量及加工安全要求,主轴的最高转速应该低于临界转速的百分之七十五。

1.机床主轴静态特性分析(1)建立模型打开proe软件界面,建立如图(1)所示模型,并导入ansys workbench中图1 主轴模型的建立(2)添加材料属性信息机床主轴的材料为40Cr,其相关参数见下表(1):(3)设定网格划分参数并进行网格划分制定网格尺寸为3mm,进行网格自动划分,划分结果如图(2)图2网格划分结果(4)施加载荷以及约束对有限元模型进行加载时,按照机床在典型加工工艺条件下工作进行计算,算出其在切削时的径向力,如在前面的3.2.2章节已经得出在此工况下轴的受力,在进行静态分析时,其唯一载荷为主轴前端施加的切削力的径向分量 Fr= 193.8 N 。

前轴承为固定端,故只约束其X 方向的移动自由度,后轴承在轴向(X 向)存在游动。

然后进行求解,最终得出机床主轴的静力变形如图(3)所示。

图3 机床主轴静力变形云图从图(3)中可以得出,主轴前端最大变形量为Max=1.14μm ,因此主轴静刚度为: MaxF rr =K 代入数值得:r K =170N/μm 。

在后期的参考文献的查找中以及老师的指导下,发现如果把前端三个轴承等效为一组弹簧时,结果误差很大。

高速龙门加工中心立柱静态设计与动特性分析

高速龙门加工中心立柱静态设计与动特性分析

高速龙门加工中心立柱静态设计与动特性分析高速龙门加工中心是一种高精密度、高效率的机床设备,其立柱是其结构的关键部件之一。

对于高速龙门加工中心的立柱静态设计及动特性分析,是保障机床精度和稳定性的关键步骤。

首先,要进行立柱的静态设计。

在立柱静态设计的过程中,需要考虑以下因素:1. 应力分析:通过应力分析可以确定立柱的形状和直径,以及立柱材料的选择。

要根据立柱所承受的载荷和工作条件来分析立柱的最大应力和变形程度,以确保其符合国家标准和机床的要求。

2. 刚度分析:在立柱刚度分析中,需要考虑立柱的强度、变形和稳定性。

强度要求立柱能承受最大载荷,变形率要尽可能小,以确保加工精度;稳定性要求在工作条件下的立柱不会产生强度变化和形变。

3. 疲劳寿命:要确定立柱的最大疲劳寿命,以确保机床运行的安全性。

其次,要对立柱的动特性进行分析。

立柱的动特性分析涉及到机床运转的稳定性、响应速度、切削稳定性、加速度和位置稳定性,由此需要根据以下几个方面来进行分析:1. 自然频率和阻尼:自然频率和阻尼是立柱结构的固有特性,是保证加工过程中机床稳定性的关键因素。

2. 模态:通过模态分析可以得到机床载荷、切削力的作用下,立柱在运动过程中的振动特性。

模态分析可以帮助设计师确定在加工过程中如何控制立柱的振动,以保证加工精度和处理工件的质量。

3. 加速度和位置变化:加速度和位置变化是影响机床工作精度的因素之一,对于高速龙门加工中心来说,需要控制立柱的加速度和位置变化,在加工过程中控制立柱的精度和工作效率。

4. 切削力:切削力是机床加工时承受的一种力量,会对立柱产生振动和变形,因此需要对切削力进行分析和控制。

综上所述,高速龙门加工中心立柱的静态设计与动特性分析是保障机床精度和稳定性的重要步骤。

设计师需要根据机床的实际情况进行分析和控制,以满足机床的加工工艺和工艺要求,从而提高机床加工的稳定性和精度。

假设我们需要研究消费者对某种产品的购买意向和市场规模,我们可以收集相关的数据并进行分析。

立式加工中心立柱动静态特性分析与拓扑优化_蒲凡

立式加工中心立柱动静态特性分析与拓扑优化_蒲凡

1
立柱模型的建立
图1 立柱结构实体模型
基于 Workbench 软件建立立柱模型可分为两步: 立柱实体模型的建立与有限元模型的建立 。 1. 1 立柱实体模型的建立 考虑到主轴箱通过滑块和丝杠与立柱直接相连 , 对立柱这一支承件来说主轴箱作为其较大的集中质 量, 并且在工作过程中, 切削力是借助主轴箱的滑块 作用到立柱的 两 根 导 轨 上, 所以主轴箱对立柱的抗 、 弯 抗扭和固有频率等动静态特性有着较大影响。 为 了保证后续分析与优化过程中加载的准确性和方便 性, 将主轴箱模型也一并建出, 通过主轴箱进行力的 分析, 使得立柱的受力情况更符合实际 。 为提高建模效率, 使用 SolidWorks 软件建立立柱 结构实体模型, 然后, 利用软件间无缝连接的优势直 接导入 Workbench 中转化为有限元模型。 在建立三 维实体模型时, 为了有利于后续有限元分析的开展, 考虑到一些小特征对整体模型的动静态特性影响较 小, 故笔者对部分局部特征进行了合理的简化, 去掉 细小特征如倒角、 圆角及螺纹等。 简化后立柱结构实 体模型如图 1 所示。 1. 2 立柱有限元模型的建立 根据实际情况分析, 主轴箱位于立柱最上端极限
DOI: 10. 16731 / j. cnki. 1671 - 3133. 2017. 01. 014
Dynamic and static characteristic analysis and topological optimization for column of vertical machining center
: ( 1) ( 2)
f
K Mc
mm ; f 为 每 转 进 给 量 , mm / 式中: d 为最大钻头直径 , zFf、 yFf 分 别 为 钻 削 进 给 力 系 数 和 指 数 ; C Mc 、 r ; C Ff 、 K Mc 分 别 zMc、 yMc 分别 为 切 削 转 矩 系 数 和 指 数 ; K Ff 、 为进给力和转矩的修正系数 , 一般情况下 , 可取 K Ff 、 K Mc 为 1 。 将有关参数代入式( 1 ) 、 式( 2 ) 计算可得: 1. 2 0. 75 = 11 287N F f = 410 × 30 × 0. 36 M c = 0. 117 × 30 2. 2 × 0. 36 0. 8 = 92N·m 2. 1. 2 端铣工况下载荷分析 选 依据该立式加工中心在铣削工况下常用情况, 取端铣刀, 刀具材料为硬质合金, 工件材料为碳钢, 主 切削力 F c 可按下列经验公式 F c = 9 . 81 × 789 . 3 × a e 横向进给力 F x 为: Fx = 0. 3Fc 纵向进给力 F y 为: Fy = 垂向进给力 F z 为: Fz = 0. 5Fc mm; f z 为每齿进给量, mm / 式中: a e 为被加工表面宽度, mm; z 为铣刀齿数; d 为铣刀直径, z; a p 为切削深度, mm; n 为铣刀转速, r / min。 将相关参数代入公式计算可得: F c = 9. 81 × 789. 3 × 30 1. 1 × 0. 12 0. 75 × 16 × 6 × 50 - 1. 3 × 8 000 - 0. 2 = 6 552N F x = 1 966N F y = 5 323N F z = 3 276N 钻削两种典型工况下载 根据立式加工中心端铣、 荷分析结果表明: 端铣工况下载荷更加复杂, 并且各 向分力也比较大, 在端铣工况下对立柱进行动静态特 性分析, 更能全面反映立柱动静态性能。 72

动柱龙门机床床身静压导轨设计

动柱龙门机床床身静压导轨设计

动柱龙门机床床身静压导轨设计发布时间:2021-11-01T03:35:15.652Z 来源:《科学与技术》2021年第21期作者:李波波[导读] 传统的机床床身静压导轨存在结构不合理的问李波波昆明机床股份有限公司云南昆明 650201摘要:传统的机床床身静压导轨存在结构不合理的问题,为了实现将静压导轨更广泛地应用到市场中,开展了动柱龙门机床床身静压导轨的设计研究,根据机床的承载条件以及布局分布,计算出各极端工况下油腔的受载情况,以此种方式,提取最大和最小的受力情况,初选的油膜厚度参数,通过流量计算公式确定节流器的流量,加入节流器的流量参数,核算油腔的油膜厚度和压力,确认各腔最大压力不超过节流器允许压力,核算无误后需核算油膜刚度,以此确保对导轨间隙的有效调节。

此外,通过实例应用分析的方式,证明了设计的静压导轨结构更加合理能够减小油腔荷载压力。

关键词:动柱龙门机床;床身静压导轨;油膜厚度;节流器;中图分类号:TH137 文献标识码:A0引言动柱龙门是一种大型机床加工设备,在使用此种机床进行设备加工处理时,为了降低加工件与导轨之间的摩擦,加工单位通常会选择床身静压导轨的方式进行加工处理件的传输,结合液压力的应用,使导轨与加工件之间形成一个0.01mm~0.05mm的油膜。

在此种情况下,滑块会呈现一种浮起状态,通过此种方式,便可以降低滑块的摩擦。

1动柱龙门机床床身静压导轨设计1.1极端工况下计算动柱龙门床身静压导轨受力为了确保本文设计的床身静压导轨可以有效应用在动柱龙门机床中,应当在设计前,考虑机床的多种极端工况条件,并以此为依据,对动柱龙门床身的静压导轨受力进行计算与分析[1]。

定量式静压导轨(节流器)的计算要求较高,而其最重要的一点就是需要较为准确地得到各油腔的受力情况,计算的方法有多种,主要的原理是基于力及力矩平衡方程求解。

为了确保计算与分析结果的有效性,需要掌握静压导轨的油腔结构,如下图1所示。

龙门铣床立柱性能分析及结构改进

龙门铣床立柱性能分析及结构改进
第 7期 2 0 1 5年 7月
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Mo du l a r Ma c h i ne To o l& Au t o ma t i c Ma n u f a c t u r i ng Te c hn i q u e
No . 7
J u 1 .2 0 1 5
e f f e c t o n ma c h i n i n g p r e c i s i o n o f wh o l e ma c h i n e. Fi r s t ,t he e n t i t y mo d e l ha s b e e n e s t a b l i s h e d b y s o f t wa r e s o l i d wo r ks . Th e n,t h e in f i t e e l e me n t mo d e l h a s b e e n e s t a b l i s h e d i n ANS YS Wo r k b e n c h,a n d he t we a k l i n k o f he t c o l u mn i s f o u n d b y s t a t i c a n d d y n a mi c c h ra a c t e r i s t i c a n a l y s i s .F i n a l l y,t he s t a t i c s t i f f n e s s i s i mp r o v e d g r e a t l y b y s t r u c t u r e i mp r o v e me n t o f he t l i k n p o s i t i o n,a n d , Y, 。a x i s a n d t o t a l d e f o r ma t i o n i s d e c r e a s e d b y

MM52160龙门导轨磨床立柱的拓扑优化

MM52160龙门导轨磨床立柱的拓扑优化

MM52160龙门导轨磨床立柱的拓扑优化母德强;杨君【摘要】对MM52160龙门导轨磨床的立柱部分进行结构拓扑优化.建立立柱三维模型,对其进行静力学分析和模态分析.在原有模型不改变质量的情况下进行简化模型,结果表明:简化模型比原模型的最大静态位移减小了2.42 μm,第一阶固有频率提高了2.85%.对篱化模型进行拓扑优化,查看材料分布.对优化后的结构进行动静态刚度分析,分析结果表明:优化后的结构对比原模型后最大静态位移减小了0.81 μm,第一阶固有频率提高了3.72%,质量减少了15%.通过结构拓扑优化,优化后的结构动静态刚度提高了,质量减少了.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P61-64)【关键词】龙门导轨磨床;动静态特性;拓扑优化;立柱【作者】母德强;杨君【作者单位】长春工业大学机电工程学院,长春130012;长春工业大学机电工程学院,长春130012【正文语种】中文【中图分类】TG595.10 引言随着工程机械、轨道交通、能源、航空航天等行业的快速发展,大、重型机械零部件被大量应用于关键装备制造产品上。

龙门导轨磨床用于工件的平面、斜面、底面等的磨削,适用于各类床身、模板、平板等的磨削精加工。

在重型装备制造业领域发挥着重大作用[1]。

传统的设计方法采用的是类比法,将单个的结构单元扩展到整个立柱结构上去,出现了诸如井字筋等方法,此类方法都属于经验法。

虽然能够快速、有效地设计出立柱结构,但是对于日趋苛刻的机床性能要求以及不断提高的机床动、静刚度及成本、外形等方面的需求,仅利用传统设计方法所设计出的立柱结构越来越不能满足设计需求,因此引入更加精细、准确的设计方法,使设计的产品为今后的设计工作提供更加有效的参考,则需引入新的定量化设计方法。

有限元方法就针对此类设计提出了良好的设计方案[2]。

利用有限元软件Hyperworks(以下简称HM)对龙门导轨磨床的立柱进行拓扑优化,应用Optistruct(以后简称OS)求解器,以体积为原来的85%为约束,使得应变能力最小为目标函数建立有限元模型。

龙门磨床的机床精度稳定性问题分析

龙门磨床的机床精度稳定性问题分析

龙门磨床的机床精度稳定性问题分析龙门磨床的机床精度稳定性问题分析影响磨床精度稳定性的主要原因为:机床基础件材质自身的应力变形、载荷变化引起的受力变形和温度场变化引起的热变形。

因此提高龙门磨床精度的稳定性,应从以下三个方面进行深入的分析及研究:1.大型龙门磨床*件的材料选择基本上是铸铁,部分厂家也有选择焊接钢构件,两种材料内部组织的优劣直接影响零件结构强度及刚性,同时在制造过程中又不同程度的存在铸造应力、焊接应力及加工应力。

由于各种应力的随机变化,直接影响机床的几何精度发生改变。

因此对于大型龙门磨床设计与制造,应开展机床*件材料性能的研究,从材料的组织结构及性能的研究上有所突破,同时应深入开展对各种因素产生的应力进行有效处理的工艺技术研究,例如通过各种有效的人工时效处理去除零件应力变形。

2.机床的几何精度受其上零件载荷力影响较大,而解决该问题需从机床整机静动态特性分析上着手研究。

长期以来国内机床设计过程是“经验设计-样机试制-样机测试-改进设计”,这种“感性设计”不仅设计周期长、研制费用高,同时并未从理性上对机床结构刚性进行系统分析,造成大部分机床出现问题后只能修修补补进行事后改进设计,并未从根本上解决问题。

目前随着现代化数字设计技术的发展,在机床设计上开展数字化设计的技术研究是势在必行的。

3.有研究表明,温度场变化引起的机床热变形误差占机床独立误差的40%-70%。

温度场变化包括机床环境温度变化和机床内部热源温度变化,铸铁的热膨胀系数约为10m/m℃,以磨削长度为16m 的龙门导轨磨床为例,床身上下温差变化0.1℃,其导轨凹凸变化量约为160m,反映到16m长度工件上的直线度变化量可以达到40-80m,由此可见,热变形对运动导轨直线度的影响相当大。

要减小热变形对机床精度的影响,在机床结构设计时要进行热态优化设计,如采用热膨胀系数低的新型材料、采用对称结构、避开热变形敏感方向、考虑隔热、散热措施等,同时采用冷却、辅助热源等方式对机床热源进行温度控制。

GM-KD5025A

GM-KD5025A
本文通过对 G M— K D 5 0 2 5 A大型龙门导轨磨床床身 结构的动态及静态特性进行分析,为床身结构优化 提供了一种设计思路及方法 。 ★基 金项 目: 2 0 1 4年湖南 省教育厅科 学研究项 目 《 基于 F A N UC 0 i D数控系统 电气故障诊断专 家的 研究》 ( 编号 : 1 4 C 0 7 5 3 )
t u r e . Wi t h t h e h e l p o f t h e i mp r o v e me n t , n o t o n l y he t t o t a l ma s s i s r e d u c e d b y 3 6 %; b t u a l s o he t s t a t i c d y n a mi c s t i f-
床身的精度要求也在不断提高 ,床身精度变化直接 到较高质量的网络 , 将床身前后段 、 床身中段 、 工作 0主。 0 ∽ 0 伪 大 型龙 门导轨磨 床床身 结构 研究 影响机床整机的精度稳定性 ,因此其结构本身的动 台上的细小特征如尺寸较小的倒角 、倒圆角 以及螺
静 刚度 的优点对机 床整体精 度的保证尤为重要【 A Gu i d e wa y G i r n d e r B e d 3 D d e s i n g mo d e l b y u s i n g t h e A B AQ US d e s i n g s o f t w a r e . T h e p a p e r a n a —
摘 要: 为 了研 究龙 门导轨 磨 床床 身 结 构 的优 化 设计 , 本文建立 G M. K D5 0 2 5 A 龙 门导轨磨 床 床 身 三维 设计模型。该模型 以A B A Q U S 设计软件为工具, 开展对床身动、 静 态特性分析, 得到床身结构 中的薄弱环节 并进行改进。改进后 的床身结构 ,不仅 总质量减少 了 3 6 %,而且静动刚度也提高 了,其 中静 刚性提高 了 1 9 . 7 %, 动 刚性提 高 了 3 0 %, 为床 身 的设 计提 供 了理论 参 考依 据 。 关键 词 : 龙 门导轨磨 床 ; 床身; 三维模 型 ; 动 态及静 态特 性分 析 中图分 类号 : T P 3 9 1 ; T H1 2 文 献标识 码 : A 文章编 号 : 1 6 7 1 . 4 7 9 2 ( 2 0 1 5 ) 0 5 。 0 1 0 3 . 0 4

大型龙门导轨磨床工作台运动精度控制方法研究

大型龙门导轨磨床工作台运动精度控制方法研究

成对磨床结构的优化配置&从而使其在具有维持导轨稳定 传输能力的同时&确保各级交换设备能够正常运行 % '"(
工作台是实现龙门导轨磨床磨削的处理台平面&由立 柱*横梁等连接部件组成&工作台平面的稳定性决定了导 轨磨床对于零件设备的处理精准度&特别是存在相对滑动 位移时&控制工作台平面上的运动路径存在一 定 的 误 差& 因此难以实现龙门导轨磨床工作台运动的精准控制%基于 区间理论的控制方法通过定义区间扩张因子&采用求解磨 床工作台平面内灵敏度误差指标取值范围的方式&确定导 轨运动轴在各个方向上的运动趋势&以此达到精准控制其 运动路径的目标 % '$( 基 于 +[BPI的 控 制 方 法 根 据 导 轨 磨 床
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基于西 门 子 *3,%"##0G- 的 移 动 工 作 台 高 速 高 精 控 制 方 法
着重介绍采用西门子 *3,%"##0G- 的脉冲 指 令 驱动 伺服 电机
运行过程&通过行星减速机驱动齿轮齿条控制移动工作台
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龙门导轨磨床立柱动静态特性分析范以撒杨君母德强(长春工业大学机电工程学院长春130012)摘要:以MM52160导轨磨床立柱为研究对象,首先采用三维软件建立龙门导轨磨床立柱的三维实体模型,并利用HyperMesh有限元软件对该模型进行前处理,建立立柱的有限元模型。

对该有限元模型进行动静态特性分析,然后以立柱的质量作为目标函数,最大变形量作为约束函数,选择对立柱性能影响较大的灵敏度尺寸作为优化设计变量,进行多目标尺寸优化。

优化后立柱的整体质量减少了113.2kg,减少量约为总质量的7.3%; 最大变形量减小了2.833μm,减小量约为总变形量的10.7%。

实现了在保证立柱刚度的前提下,立柱的质量和最大变形量降低的目的。

关键字:磨床立柱静力分析动力学分析灵敏度分析优化设计HyperMeshDynamic and Static Characteristic AnalysisGantry Rail Grinder ColumnMU De-qiang,FAN Yi-sa,YANG Jun(Changchun University of Technology, School of Mechatronic Engineering, Changchun130012, China)Abstract: A three-dimensional entity model of the gantry rail grinder column was established by spaceclaim software and pretreated by HyperMesh finite element software, the finite element model of the main column was established. Then, the static analysis and modal analysis were carried out to the established finite element model of the main column, after which we can obtained the stress and deformation of the column and natural frequencies and vibration mode of the former sixth-order. Our research provided a basis for the optimization and improvement of the column and the whole grinding machine. Key words:Gantry rail grinder column, Static analysis, Kinetic analysis, HyperMesh1 前言龙门导轨磨床是航空航天、电力、船舶以及各种大型机床的关键加工设备。

西方国家一直把数控龙门导轨磨穿作为重中之重的加工设备来开发研制,特别是航空、航天、风电、核电等行业对大型、特大型精密数控机床的需求越来越多[1].立柱作为龙门导轨磨床的重要部件之一,在龙门加工中心主要起着承载龙门横梁部件质量的作用,它的动静态特性与磨床的整体性能有着密切关系[2]。

对龙门磨床立柱部件进行优化设计,提高它的机械特性,对提高整个龙门导轨磨床的稳定性、加工精度、抗振性、可靠性及使用寿命具有重大帮助[3]。

2 立柱的几何模型和有限元模型MM52160龙门导轨磨床立柱模型的整体尺寸为800 mm × 660 mm × 2000 mm,立柱部件内部筋是井字形的分布,厚度为20 mm,高为70 mm。

立柱采用的材料为HT200灰铸铁,密度是7800 kg m3,泊松比0.27,杨氏模量1.3E11。

在建立立柱静力学分析有限元模型时,在划分网格的过程中对受力大的区域和立柱的主要部位进行网格的加密。

在保证分析结果准确性的前提下,对立柱部件进行了简化,去掉小尺寸的倒角、圆角以及螺栓孔等[4]。

文中在立柱顶端中心创建节点,并用刚性单元RBE2将创建的节点与立柱顶端面建立连接,在立柱顶端节点处施加载荷X=3000 N,Y=3000 N,Z=12250 N。

立柱共建立了11776个单元和11768个节点。

建立的立柱部件的几何模型和有限元模型如图1所示;图1 a磨床立柱几何模型,b、c立柱的有限元模型3 立柱的静力分析把立柱的模型导入到HyperMesh软件,进行静力学分析[5]。

分析结果如图2所示a,b,c,d,分别是立柱的X、Y、Z方向的变形云图和总的变形云图。

从图中可以看出立柱模型在Y、Z 方向变形最大。

变形大的部位可以通过改变加强筋的布置方式或提高筋板厚度增加静刚度,减小立柱变形对加工零件的影响。

由变形云图可以看出,立柱部件的变形量从底部开始从下至上逐渐变大,立柱顶端变形量最大,最大总变形为26.76 μm,变形量很小,不会在极限工况下发生破坏,满足设计要求。

由立柱部件的总应力分布云图可知,立柱所受到的最大应力值为1.851 Mpa出现在立柱部件开孔处以及立柱部件低端一侧,产生了应力集中的情况。

立柱部件采用的材料为HT200,其抗拉强度为200 Mpa远大于立柱所受的最大应力值,因此按照应力角度分析,立柱结构不会发生破坏。

图2 立柱的a X 轴方向,b Y 轴方向,c Z 轴方向,d 总变形云图和e 应力云图表1 立柱部件的变形量变形方向总变形 X 轴方向 Y 轴方向 Z 轴方向 变形量μm 26.76 12.3920.46 13.014 立柱的模态分析4.1 模态分析理论立柱是一个多自由度振动系统,方程(1)为作用力下的振动微分方程[6,7]:[]{}[]{}[]{}{}M xC x K x f ++=&&& (1) 方程中:{}x &&、{}x &和 {}x 表示加速度、速度和位移矢量;{}f 、[]K 、[]C 和[]M 表示激励力矢量、质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。

将物理运动方程(1)变换到拉式域。

假设初始状态为零,得方程(2):[][][]()(){}(){}2K w M jw C X w F w -+= (2) 激励力对立柱各点的响应可以看成是横梁在无阻尼自由振动状态下固有频率和振型参数组成的各阶振型模态的叠加,则立柱在无阻尼和力的作用下振动微分方程为:[][]()(){}{}20K w M X w -= (3) 方程(3)的m 实根代表着立柱系统的m 个固有频率,则固有频率为:i w =方程(4)中:i =1, 2, 3…, m ;i K ,i M 分别是[]K ,[]M 对应的对角阵的元素。

4.2 有限元模态分析在立柱部件模态分析的过程中,网格划分以及材料属性都与做静态分析一致,在对立柱进行模态分析的过程中,所有载荷只有全自由度的约束是有效的。

在有限元模型中添加模态卡片,并且提取其前六阶模态,也就是提取六个特征值,从小到大排列。

模态越高阻尼值越高,对振型的影响就比较小。

通常模态分析中主要关心的是对振型影响较大的低阶模态。

对机床的振动特性的分析通常取前六阶进行分析[8],如图3。

立柱一阶模态(图3a)固有频率是97.46HZ(表2),出现左右摆动现象;二阶模态(图3b)立柱固有频率是118.98HZ(表2),出现了前后摆动现象;三阶模态(图3c)立柱固有频率是210.30HZ(表2),出现绕Z轴扭转现象;四阶模态(图3d)立柱固有频率是235.83HZ(表2),出现侧壁沿X轴向内凹陷,沿Y轴向外突出现象;五阶模态(图3d)立柱固有频率是240.16HZ(表2),出现侧壁沿Y轴负方向凹陷现象;六阶模态(图3e)立柱固有频率是280.35HZ(表2),出现左右两侧面反向移动现象。

图3 立柱的a一阶振型,b二阶振型,c 三阶振型,d四阶振型,e五阶振型,f六阶振型表2磨床立柱的固有频率及振型描述龙门导轨磨床的电机转速为6000 r/min,可以计算工作频率为100 HZ,由表2可知都避开了机床本身的工作频率,这样可以避免共振的发生。

由于有限元模型不可能完全模拟立柱模型,不可避免的会产生误差,这种误差的存在,使第一阶模态值与工作频率十分的接近。

此外在机床实际工作的时候外界环境也会造成工作频率的波动。

因此,第一阶固有频率就成为了该立柱设计的隐患。

固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数,用模态分析可以确定结构的固有频率和振型,以便优化结构,提高加工性能通过本文的分析,可以为后续优化工作提供帮助。

5 结论利用有限元分析软件HyperWorks 对龙门导轨磨床立柱进行了动静态特性分析。

由静力分析后的云图获得最大变形量,根据对立柱壁厚和加强筋尺寸的灵敏度分析结果,选择多目标尺寸优化,实现了在保证立柱刚度的前提下,质量和最大变形同时降低。

通过动态特性分析获得了立柱的六阶固有频率,为进一步的优化提供了依据。

6 参考文献:[1] 邹雪巍,刘传金.浅谈大型数控龙门导轨磨床关键技术及发展趋势[J].制造技术与机床,2012,(01):48-52.[2] 胡维东,周新建,吴智恒,石卫卫.GSLM3308 五轴联动镗铣加工中心立柱有限元分析[J].机械设计与研究,2013,7 (40):36-38.[3] 杨彩芳,殷国富,苏龙.龙门加工中心立柱性能分析与拓扑优化设计[J].组合机床与自动化加工技术,2013,(2):50-53.[4] 周孜亮,王贵飞,丛明.基于ANSYS Workbench 的主轴箱有限元分析及优化设计[J].组合机床与自动化加工技术, 2012,3( 3) : 17 -20[5] 丁长春,殷国富,方辉,徐德炜. 龙门加工中心立柱静力学分析与结构优化设计方法[J].机械设计与制造,2011,(3):3-4.[6] 田学良,宋方臻,宋波,刘慧.立式数控铣床的试验模态分析[J].机床与液压,2009,37 (12):42-44.[7] 丛明,王贵飞,刘东,宋健,董欣胜.高速卧式镗铣加工中心立柱动态特性有限元分析[J].组合机床与自动化加工技术,2011,(8):9-12.[8] 路鹏程,舒启林,李兴山.TX1600镗铣加工中心立柱动态特性分析[J].机电产品开发与创新,2012,12 (2):157-159.。

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