XK510数控铣床部件的结构动态设计优化及其分析.docx
- 文档编号:2953468
- 上传时间:2023-05-05
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:1.02MB
XK510数控铣床部件的结构动态设计优化及其分析.docx
《XK510数控铣床部件的结构动态设计优化及其分析.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《XK510数控铣床部件的结构动态设计优化及其分析.docx(23页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
XK510数控铣床部件的结构动态设计优化及其分析
第四章XK510数控铣床部件的结构动态设计优化及其分析
4.1引言
机械结构动态设计的一般过程是:
对满足工作性能要求的产品作初步设计图样,或需要改进的产品结构进行动力学建模,并进行动态特性分析。
然后,根据工程实际情况,给出结构动态特性的要求或预定的动态设计目标,再按结构动力学“逆问题”方法直接求解设计参数,或按结构“正问题”分析法,进行结构改进设计与修改结构的性能预测,其结构的修改与预测过程往往要往复多次,直到满足设计要求,从而得到一个具有良好静、动态特性的产品设计方案[35-38]。
XK510数控铣床部件的结构动态设计正是在这样的基础上进行的,XK510数控铣床共有零部件数百多个,其中对整机结构性能影响大的零部件主要有以下几个:
床身、立柱、主轴箱和主轴系统等。
本文是对铣床部件的几何模型和满足其动力学特征的有限元模型,进行动态分析,根据动态分析的结果对现有部件结构设计的薄弱环节进行动力学修改,并对床身等主要部件结构内部筋板布局的设计参数进行动态灵敏度分析,以便指导结构的动态优化设计,最终得到一个具有良好静、动态特性的设计方案。
4.2XK510数控铣床床身结构动态设计及其分析
在整个机床的各个组成部分中,床身是一个极其重要的结构大件,它起着支撑工件和连接工作台、立柱等关键零部件的作用。
机床床身结构的设计尺寸和布局形式,决定了其动态特性的优劣,如静、动刚度的大小和结构的模态振型等特征。
床身结构的动态特性与机床整机的性能有着密切关系,提高床身零件的动态特性,对保证机床的加工精度具有重要的意义。
传统的机床床身设计,很少考虑机床零部件的动态特性对整机性能的影响,往往由于床身结构设计的不合理,和床身结构的动刚度不足而导致其在工作状态下产生大幅振动,引起工件和刀具之间出现较大的相对振幅,从而降低了机床的加工精度。
因此,床身的动态特性与其结构尺寸、形状和筋板布局有着密切的关系。
对铣床床身结构的动力学特性进行分析,找出床身在动力学特性上的缺陷,并针对这些缺陷进行改进。
在改进设计中,分析床身内部筋板不同形式和布局,以及设计参数对床身动态性能的影响。
通过床身结构筋板布局设计参数的灵敏度分析,探讨和实现数控铣床床身和其它零部件的动态优化设计。
4.2.1床身结构动态特性分析
XK510数控铣床的床身为凸型铸造结构。
如图4-1中a、b所示。
床身长2405mm,宽1500mm,高475mm,筋板厚度20mm,壁厚30mm。
床身的一侧安装立柱,另一侧安装床鞍。
床身上安装了3个直线滚珠导轨。
床身为封闭结构,床身内部分布着筋板,中间没有隔板。
床身底部开有分布均匀的清砂孔。
图4-1中a图所示为XK510数控铣床床身CAD结构示意图。
图4-1中b图所示为床身用体单元所建的有限元模型。
图4-1中c图和d图所示为其第一阶弯曲振型频率为300.30HZ,第二阶扭转振型频率为328.04HZ。
因为床身第一阶固有频率是弯曲振型,所以在工作状态激励下容易产生大幅弯曲,容易导致工件加工精度下降。
现有床身设计时也考虑了动态特性,但是设计时结构筋板布置考虑的不是很全面,针对上述情况,在考虑床身外型尺寸不变的前提下,对床身内部筋板结构和布局作相应的修改,提出了井型筋板布局床身16种方案、米型筋板布局床身3种方案和W型筋板布局床身3种方案。
分析床身内部筋板数目和布局的变化对结构动态特性的影响,为实现床身的优化设计提供有利的依据。
4.2.2新模型及其动态特性分析
新的床身外型尺寸与现有床身相比基本不变,床身底部采用封闭结构(为了看清筋板布局,本文把底部隐含掉),筋板厚度20mm,壁厚30mm。
二十二种筋板布局方案如图4-2所示。
由于床身导轨振动模态相对位移平均量的大小是影响机床加工精度的主要因素,故以床身导轨的振动模态相对位移量的大小为设计参考的主要依据,同时兼顾机床动刚度和振型等特性指标。
对于高精度XK510数控铣床,机床结构的动态特性是影响机床性能的关键因素之一。
考虑到机床的工作频带,可以认为床身的前几阶模态特性有着重要作用。
最重要的是考虑第一阶固有频率及其对应的振型。
现有床身和新设计的二十二种类型的床身结构其第一阶固有频率、振型和模态振动相对位移平均量列于表4-1所示。
由表4-1可知,新设计的床身第一阶固有频率较现有床身结构的固有频率有高有低,根据第一阶固有频率和导轨振动模态相对位移量平均值选出优选方案。
表4-1井型、米型和W型床身振动特性比较
第一阶频率
振型
导轨振动模态相对位移量平均值*
现有型
300.30
弯曲
0.013945
井1型
301.82
弯曲
0.012142
井2型
320.22
弯曲
0.014109
井3型
305.47
扭转
0.012150
井4型
309.04
弯曲
0.015780
井5型
170.93
弯曲
0.006322
井6型
314.74
扭转
0.011709
井7型
270.11
扭转
0.011342
井8型
310.37
扭转
0.012215
井9型
314.77
扭转
0.010158
井10型
302.26
扭转
0.012601
井11型
309.96
扭转
0.016391
井12型
173.28
扭转
0.007687
井13型
320.79
扭转
0.015783
井14型
303.70
弯曲
0.015029
井15型
300.71
扭转
0.015036
井16型
289.81
扭转
0.016321
米1型
311.91
扭转
0.011775
米2型
299.97
扭转
0.009731
米3型
301.15
扭转
0.009850
W1型
299.08
弯曲
0.017536
W2型
295.86
弯曲
0.009529
W3型
282.14
弯曲
0.015674
*为同一归一标准下的机床床身导轨振动模态相对位移平均量
,其中:
为导轨第i节点的模态相对位移量,m为节点个数
从表1可以看出对于井型筋板床身新设计的16种方案(除井5型、井7型、井12型、米2型和W型)的第一阶固有频率比现有床身有了明显的提高。
在井型16种方案中井2型、井6型、井8型、井9型、井10型比其它11个方案好。
五种方案第一阶固有频率都有所提高,并且井6型、井8型、井9型、井10型导轨振动模态相对位移量平均值比起现有床身都有所降低。
但井2、井6、井8、井9、井10五种方案比较起来尤其是井9型床身导轨振动模态相对位移量平均值比较低。
新设计的井2型的第一阶固有频率最高,但是它的导轨振动模态相对位移量平均值比较高,综合考虑上述各个因素,以选新设计的井9型床身最为合理。
从这里可以看出,井9型跟井1型比床身虽然去除了横向两条筋板,质量减轻,但其动态性能却优于井1型床身。
因此,盲目的增加筋板并不一定提高床身的固有频率和提高振型质量。
而对于米字型和W型筋板床身三种方案,由表1可以看出第一阶振型米字筋板床身是扭转而W型筋板床身是弯曲;其固有频率比现有床身固有频率有所提高。
综合考虑各个因素,米字型三种方案中米1型方案最好,W型三个方案中W2型方案最好。
而新设计的井9型与新设计的米1型、W2型相比较,前者的固有频率比较高,床身导轨振动模态相对位移量平均值比较低。
通过上述分析和比较,新设计的井9型的固有频率比较高且导轨相对振动模态相对位移量比较小。
所以,综合评价应选用新设计的井9型这一方案。
由于床身基本功能的要求,其外型尺寸基本上是确定的,而内部筋板布局是调节床身动力学特征的较好着眼点。
4.2.3基于元结构基本框架概念的床身结构动态设计
元结构的基本思想为:
把床身构件就其组成的形体进行分解,最终得到一些基本的单元结构,如床身可认为是由四周筋板外形框架构成,采用合理的筋板结构,即可减轻床身的重量,又可保证必要的动刚度。
纵、横和水平筋板围成一个个的筋格就是组成床身的主要元结构之一,筋格的动态特性能直接影响机床床身的动态特性。
⑴筋格模态分析
在布置数控机床筋板时,筋格一般为长方体,筋格的各个边长的比例会影响筋格固有频率。
现以筋格各边长的比例为变量,研究各边长比例对筋格固有频率的影响。
图4-3所示为在A、B边长固定,依次取A=B的值分别为500mm,400mm,350mm,250mm时,筋板厚度分别取为20mm,25mm,30mm的情况下第一阶固有频率随C长度变化的情况。
从图4-3可以看出,当A=B=500mm或A=B=400mm,C:
A=0.6时,筋格的固有频率最高;当A=B=350mm或A=B=250mm,C:
A=1时,筋格的固有频率最高。
说明床身筋板的布置,在筋格长、宽值比较大(>350mm)的情况下,高与长、宽的比值是0.6时,筋格第一阶固有频率最高;筋格长、宽值比较小(<350mm)的情况下,高等于长宽即正方体时,筋格第一阶固有频率最高。
⑵不同布局筋板的空心正方体模态分析
现对一个空心正方体(1m×1m×1m)布置筋板可以采用两种形式。
一种是长和宽组成的面上分别布置横、纵各一条筋板(筋格长=宽=500mm),高方向上分别采用一条、两条、三条,四条筋板的形式,在四种情况下筋格长宽高比例分别为1:
1:
1,1:
1:
0.67,1:
1:
0.5,1:
1:
0.4,如图4-4所示。
另一种是长和宽组成的面上分别布置横、纵各两条筋板(筋格长=宽=330mm),高方向上采用两条,三条,四条,五条筋板的形式,在四种情况下筋格长宽高比例分别为1:
1:
1,1:
1:
0.75,1:
1:
0.6,1:
1:
0.5。
如图4-6所示:
从图4-5、图4-7可以看出,在筋格的长=宽=500mm的情况下,当筋格的高在300mm(即高是长、宽的0.6)附近时,固有频率最高;在筋格的长=宽=330mm的情况下,当筋格的高在330mm(即高等长、宽)附近时,固有频率最高;这与图4-3得出的结论相吻合。
前面一节讲到井2型、井6型、井9型、井10型这些方案中,固有频率都大小不一,他们组成筋格边长的比例分别为300×475×350(0.63:
1:
0.74)、350×475×350(1:
1:
1.4)、500×475×300(1:
0.95:
0.6)、500×475×400(1:
0.95:
0.8),根据图4-3,应该井9型方案比较接近(1:
1:
0.6),这也吻合了在这些井型方案中井9型最好。
4.3XK510数控铣床床身设计参数的灵敏度分析及动态设计
4.3.1结构的动态特性灵敏度分析及其动态设计
灵敏度是一个广泛的概念,从数学意义上可以理解为:
若一函数
可导,其一阶灵敏度可表示为
或
前者称为一阶微分灵敏度,后者称为一阶差分灵敏度。
除一阶灵敏度外,还可以有高阶灵敏度。
对结构振动系统而言,动态特性灵敏度可理解为结构特性参数(特征值
、特征向量
等)对结构参数(或其它设计变量)的变化率,也就是所谓特征值灵敏度
和特征向量灵敏度
(总称特征灵敏度),
为结构设计参数(主要指结构的尺寸、几何形状和材料参数,也包括质量、刚度和阻尼元素)或设计变量[39]。
结构动态设计的根本目的在于设计一个结构,使其达到所希望的设计要求。
在结构的不断改进过程中,为了避免结构修改的盲目性,必须采用有效的控制策略。
目前广泛采用的控制策略是结构设计参数的灵敏度分析。
其基本原理是:
先通过一定数学方法和手段,计算出结构的动态性能参数随结构设计变量的变化灵敏度,然后选择那些对动态特性影响较大的设计参数,并依据灵敏度值的大小和正负,对设计参数进行修改。
通过结构的灵敏度分析,可以很方便地确定结构那些部位改进对修改结构动态特性最为有效;或者能方便地找出最敏感的结构设计参数,再利用修改结构重分析的方法,最终找到优化的结构动态设计方案。
4.3.2基于XK510数控床身框架结构设计参数的灵敏度分析
在实际结构设计中,由于床身重量以及制造工艺性等因素的限制,往往很难达到前面上一节的设计要求。
为了降低床身的重量,同时又能够保证床身具有良好的动态性能,这里以新设计的井9型、米1型、W2型的筋板布局形式床身为研究对象,研究在这三种筋板布局形式中各筋板厚度对其动态特性的影响。
并且以筋板厚度为设计参数,以床身的固有频率大小作为衡量结构动态特性优劣的性能指标,进行筋板厚度对结构固有频率的灵敏度分析,为结构的重分析和动力学修改奠定基础。
如图4-8为新设计型床身的有限元模型其内部筋板的分布的示意图,床身外型尺寸与现有床身相同,底部采用封闭形式,T代表床身筋板或是壁板的厚度。
图4-9所示为井9型床身的筋板厚度对结构固有频率的灵敏度示意图,结构的第一阶振型为扭转振型,第二阶振型为弯曲振型。
随着床身横向筋板T1的厚度增加,床身第一阶固有频率增加,这说明横向筋板厚度的增加,增加了对床身的抗扭能力。
而第二阶固有频率有所减小,也说明增加筋板厚度有时候并不一定会增加抗弯能力。
随着床身纵向筋板T2厚度的增加,结构的第一、二阶固有频率都有所提高,这说明随着纵向筋板厚度的增加床身的抗扭和抗弯能力都有所提高。
随着床身壁板T3厚度的增加,床身第一阶固有频率先减小,当壁板T3厚度等于26mm时,其第一阶固有频率达到最小,之后随着壁板T3厚度的增加床身第一阶固有频率开始增加。
而床身的第二阶固有频率随着壁板厚度的增加却一直减小,也说明随着壁板T3厚度的增加,床身的抗弯能力反而是减小的。
另外,计算得到,床身这些筋板厚度的变化对床身导轨振动模态相对位移量平均值影响不大。
如图4-10所示为米1型床身的筋板厚度对结构固有频率的灵敏度示意图,由结构设计参数对固有频率的灵敏度分析可知,结构的第一阶振型为扭转振型,第二阶振型为弯曲振型。
随着床身横向筋板T1厚度的增加,床身的第一阶固有频率变化不大,而第二阶固有频率有所减小,也说明增加筋板厚度有时候并不一定会增加抗弯能力。
随着床身筋板T2厚度的增加,结构的第一、二阶固有频率都有所提高,这说明随着纵向筋板厚度的增加,床身的抗扭和抗弯能力都有所提高。
随着床身纵向筋板T3厚度的增加,其第一阶和第二阶固有频率都有所减少。
随着床身壁板T4厚度的增加,其第一阶固有频率增加,而第二阶固有频率随着厚度的增加反而减小。
图4-11所示W2型床身的筋板厚度对结构固有频率的灵敏度示意图,结构的第一阶振型为弯曲振型,第二阶振型为扭转振型。
随着床身W筋板T1厚度的增加,床身的第一、二阶固有频率都有所提高。
随着床身壁板T2厚度的增加,结构的第一阶固有频率有所提高,而第二阶固有频率逐渐减小。
因此,床身结构筋板、壁板设计时,应该在保证结构静刚度的基础上,尽量减少内部筋板和壁板的厚度,这样即保证了结构具有较高的动态特性,又降低了床身的重量。
增加筋板厚度并不都能使结构动态特性得到大幅度的提高,反而增加了床身的重量。
提高床身壁板厚度虽可以提高结构的动刚度,但却会使结构的重量增加。
因此,在此类型筋板布局结构设计中,在满足结构动态条件下,内部筋板的厚度应该尽可能小。
单纯依靠增大筋板的厚度来提高结构的动刚度,这一设计思路也并不是完全可取的。
4.4XK510数控铣床其它部件的动态优化设计
在铣床其它部件的结构设计中,由于客观条件的限制,部件之间的连接位置和方式很难改变,因此通过调整和改变部件结构内部筋板布局方式是改善结构动态特性和实现结构的动态优化设计的捷径。
在部件的结构优化设计中,主要根据部件结构第一、二阶模态振型的变化来调整筋板布局形式,以达到提高结构动态特性目的。
通过分析各自零部件不同的筋板布局形式对不同类型部件动态特性的影响,探讨各种筋板布局方式在结构动态设计中的应用,以实现零部件结构优化设计的目的。
4.4.1立柱部件的动态优化设计
图4-12和4-13所示为不同筋板布局方式下的立柱结构的有限元模型及其第一阶振型示意图。
从图4-13-1可知,现有XK510铣床立柱采用井型筋板的布局形式,其第一阶固有频率为353.12HZ,为扭转振型。
为了提高立柱的动态性能,对不同筋板布局形式的立柱进行动态特性分析。
本文采用5种筋板布局方案(三种井型、一种米型和一种W型)。
通过有限元分析,从表4-2和图4-13-3b中可以看出,井2型比其它方案好,其固有频率最高。
采用井2型的立柱的第一阶扭转固有频率为363.75HZ,导轨的模态相对位移量为0.016001,分别比现有XK510铣床的立柱提高了3.0%和5.7%。
米型筋板布局形式的立柱第一阶固有频率比现有立柱低很多,但导轨的模态相对位移量很小。
W型筋板立柱的第一阶固有频率比较小,并且导轨的模态相对位移量比较大。
综合上述因素,井2型筋板立柱方案最为合理。
井2型立柱比现有XK510铣床立柱筋板少,但其抗扭刚度好,这说明按传统的经验设计方法,盲目增加筋板的数量对提高结构本身的动刚度并不一定有利,筋板布局类型的修改应该从结构动态特性的角度去分析,它是整体结构综合作用的结果。
表4-2井型、米型和W型立柱振动特性比较
第一阶频率
振型
导轨振动模态相对位移量平均值*
现有型
353.12
扭转
0.016997
井1型
322.30
扭转
0.017232
井2型
363.75
扭转
0.016001
井3型
332.67
扭转
0.016277
X型
164.60
扭转
0.008991
W型
250.24
扭转
0.0167787
*为同一归一标准下的机床床身导轨振动模态相对位移平均量
,其中:
为导轨第i节点的模态相对位移量,m为节点个数
4.5本章小结
床身等部件动态性能的优劣直接影响着铣床整机结构的动态特性。
在针对元结构框架和筋板布局参数动态灵敏度分析的基础上,找出了铣床各部件结构筋板的优化布局方案,探讨了结构部件参数动态优化的规律。
提出筋格概念,对筋格进行动态分析。
以上分析结果显示,改变铣床零部件结构的内部筋板布局是实现其动态优化设计的有效途径。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- XK510 数控 铣床 部件 结构 动态 设计 优化 及其 分析
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)