精密臥式加工中心整機(jī)靜動剛度正向設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、精密臥式加工中心作為裝備制造業(yè)的“工作母機(jī)”，其發(fā)展水平對我國的裝備制造業(yè)的整體水平有著直接的影響。整機(jī)靜動剛度是保證其加工精度的關(guān)鍵因素。目前國內(nèi)的靜動剛度設(shè)計(jì)多基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，缺乏系統(tǒng)化、定量化、快速滿足用戶需求的設(shè)計(jì)方法。為此，本文以用戶需求的整機(jī)靜動剛度為目標(biāo)，系統(tǒng)地研究了精密臥式加工中心整機(jī)靜動剛度正向設(shè)計(jì)方法，取得了如下成果：
　　1.提出了一種新的表示精密臥式加工中心部件靜剛度的方法。即將部件特定位置處的靜剛度

2、值作為靜剛度系數(shù)來表征部件靜剛度，這些位置既與末端靜剛度直接相關(guān)，又能夠代表部件自身。這種方法有助于在設(shè)計(jì)初期僅有整機(jī)基本尺寸的情況下將靜剛度的物理模型抽象成數(shù)學(xué)模型，也能夠成為將來部件詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
　　2.以靜剛度系數(shù)表征部件靜剛度為基礎(chǔ)，利用多體系統(tǒng)理論，建立了整機(jī)靜剛度模型。在建模的過程中，考慮到了結(jié)構(gòu)件的柔性，將影響因子加入其中來描述一個位置受到的作用力對另一個位置的變形的影響。通過與整機(jī)靜剛度實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了

3、模型的正確性。該模型能夠適用于機(jī)床設(shè)計(jì)的骨架模型階段，定性和定量的反映了“框中框”式精密臥式加工中心的靜剛度特性，同時也反映出了機(jī)床的基本尺寸對整機(jī)靜剛度的影響。
　　3.提出了精密臥式加工中心整機(jī)靜剛度匹配設(shè)計(jì)的方法。在骨架模型階段，以用戶需求的整機(jī)靜剛度為目標(biāo)，利用整機(jī)靜剛度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，得到各部件靜剛度值。在匹配過程中，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法分析了各部件靜剛度對整機(jī)靜剛度的貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)了其中的薄弱環(huán)節(jié)。通過仿真實(shí)例，說明

4、了該匹配方法的可行性和有效性。
　　4.基于CAD/CAE聯(lián)合仿真分析平臺，利用NSGA-II優(yōu)化設(shè)計(jì)方法計(jì)算出了與靜剛度值相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)部筋板布局。進(jìn)而計(jì)算出了常用的結(jié)構(gòu)件靜剛度所對應(yīng)的所有結(jié)構(gòu)方案，形成了結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)方案數(shù)據(jù)庫。這樣，以整機(jī)靜剛度為目標(biāo)，匹配得到了各部件的靜剛度，并以這些部件靜剛度為目標(biāo)，選出了各結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)方案，最終完成了整機(jī)靜剛度的正向設(shè)計(jì)。
　　5.構(gòu)建了整機(jī)參數(shù)化模型，利用CAD/

5、CAE聯(lián)合仿真分析平臺研究了各結(jié)構(gòu)件質(zhì)量對整機(jī)固有頻率的影響規(guī)律；采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了各結(jié)構(gòu)件質(zhì)量對整機(jī)固有頻率的貢獻(xiàn)率分析，發(fā)現(xiàn)了床身質(zhì)量，尤其是后床身質(zhì)量是影響整機(jī)固有頻率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出了整機(jī)動剛度匹配設(shè)計(jì)方法：在整機(jī)靜剛度匹配設(shè)計(jì)完成的情況下，以給定的整機(jī)一階固有頻率為目標(biāo)，利用床身質(zhì)量等與一階固有頻率的函數(shù)關(guān)系，確定出滿足要求的床身質(zhì)量與結(jié)構(gòu)尺寸。上述研究成果為精密臥式加工中心的正向設(shè)計(jì)提供的理論支撐，并開發(fā)出了相應(yīng)的