一、目的及意義：

 

當今世界，工業發達國家對機床工業高度重視，競相發展機電一體化、高精、高效、高自動化先進機床，以加速工業和國民經濟的發展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰線，特別是隨著微電子、計算機技術的進步，數控機床在20世紀80年代以后加速發展，各方用戶提出更多需求，四大國際機床展早已成為各國機床制造商競相展示先進技術、爭奪用戶、擴大市場的焦點。中國加入wto后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強機床工業實力、加速數控機床產業發展，實是緊迫而又艱巨的任務。

 

隨著世界科技進步和機床工業的發展，數控機床作為機床工業的主流產品，已成為實現裝備制造業現代化的關鍵設備，是國防軍工裝備發展的戰略物資。數控機床的擁有量及其性能水平的高低，是衡量一個國家綜合實力的重要標志。加快發展數控機床產業也是我國裝備制造業發展的現實要求。根據中國機床工具工業協會組織用戶調查表明，航天航空、國防軍工制造業需要大型、高速、精密、多軸、高效數控機床；汽車、摩托車、家電制造業需求高效、高可靠性、高自動化的數控機床和成套柔性生產線；電站設備、造船、冶金石化設備、軌道交通設備制造業需求高精度、重型為特征的數控機床；it業、生物工程等高技術產業需求納米級亞微米級超精密加工數控機床；工程機械、農業機械等傳統制造行業的產業升級，特別是民營企業的蓬勃發展，需要大量數控機床進行裝備。當今數控機床的發展，除了要求機床重量輕、成本低、使用方便和具有良好工藝可能性外，還著重要求機床具有愈來愈高的加工性能。隨著現代數控機床日益向著高速化、高性能、高精度方向發展，傳統的設計方法己無法滿足數控機床發展的要求[1].

 

數控機床床屬于大型機械設備，在整個機床的各個組成部分中， 機床立柱是一個極其重要的大件， 它起著支撐工件和連接工作臺、床身等關鍵零部件的作用。數控機床立柱結構的設計尺寸和布局形式， 決定了其本身的各個動態特性。往往由于立柱結構設計不合理， 導致立柱的剛度不足， 產生各種變形、振動，加工時刀具與工件間產生相對變形和振動， 也使零件加工精度降低。立式車床用于加工徑向尺寸大而軸向尺寸相對較小，形狀復雜的大型和重型工件。如各種盤，輪和套類工件的圓柱面，端面，圓錐面，圓柱孔，圓錐孔等。亦可借助附加裝置進行車螺紋，車球面，仿形，銑削和磨削等加工。與臥式車床相比，立式車床主軸軸線為垂直布局，工作臺臺面處于水平平面內，因此工件的夾裝與找正比較方便。這種布局減輕了主軸及軸承的荷載，因此立式車床能夠較長期的保持工作精度。大量加工實踐證明，將臥式車床立起來使用（變成了立式車床）反倒顯示出了更多的優越性，如占地面積小、排屑更加方便、承載能力增加等。同時立式車床還具有很好的主軸旋轉精度和較強的切削能力，更加有利于實現生產的自動化，所以對立式車床的使用和需求也越來越多。立柱是數控立式車床重要結構部件之一，其結構特性對立式車床的性能影響很大，主要體現在加工精度、抗振性、切削效率、使用壽命等方面。因此，立柱結構的靜、動態性能是決定整機性能的重要因素之一。由于立柱結構形狀較復雜，采用一般方法對其進行靜、動態特性計算比較困難。如何對立柱等部件進行精確、合理、科學可行的計算，是機床結構設計過程中需要迫切解決的重要課題[2].

 

因此，在設計數控機床立柱結構時， 考慮立柱的動態特性顯得尤為重要。針對這些因素，有必要對數控機床的立柱部分進行結構優化，本課題對數控機床的立柱部分進行優化設計有重要的實際意義。

 

二、研究動態：

 

1、 國外研究動態：

 

國外的機床結構優化領域的研究比較多，在結構優化、有限元分析、參數化設計方面都有不少研究，美國機械工程師學會“optimal synthesis ofcompliantmechanisms using subdivision and commercial fea”一文中，利用有限元軟件分析機械結構，提出全程參數化設計，并對其進行拓撲優化，全面分析了設計變量在優化程序中的變數。

 

國外機床結構優化設計存在以下特點：

 

（1）設計與分析平行。從以滿足一定性能要求為目標的結構選型、結構設計， 到具體設計方案的比較及確定、設計方案的模擬試驗等。床身結構設計的各個階段均有結構分析的參與。床身結構分析貫穿了整個設計過程，這樣確定的床身結構設計方案，基本就是定型方案[3].

 

（2）結構優化的思想被用于設計的各個階段。

 

（3）大量的虛擬試驗代替實物試驗。虛擬試驗不僅可以在沒有實物的條件下進行，而且實施迅速、信息量大。利用虛擬試驗，一方面可以在多個設計方案中選擇最優，減少設計的盲目性，另一方面可以及早發現在設計中的問題。從而減少設計成本，縮短設計周期[4].

 

隨著工業的發展，對數控機床的要求越來越高。在機床的設計中，需要對其組成部件進行嚴密的分析與計算。車床床身等支承件的重量要占車床總重量的20%到30%,因此對支承件的單位重量剛度提出較高的要求。在重量輕的條件下，需保證支承件具有足夠的靜剛度，所以對支承件材料的分布、支承件壁厚和開孔位置的合理性提出了要求，有必要進行分析計算。

 

2、國內研究動態：

 

目前國內在機床結構優化領域的研究比較活躍，機床結構優化設計的內容十分豐富，涉及內容很多，包括靜力學，結構非線性分析，拓撲優化，模態分析，動力學分析等。目前有限元方法在機床結構設計中的應用主要有以下幾個方面：

 

（1）靜力學分析。這是對二維或者三維機床零件承載后的應力和應變的分析，是有限元在機床設計中最基本、最常用的分析類型。

 

（2）模態分析。這是動力學分析的一種，用于研究結構的固有頻率和各振型等振動特性，進行這種分析時所施加的載荷只能是位移載荷和預應力載荷[5].

 

（3）諧響應分析和瞬態動力學分析。這兩類分析也屬于動力學分析，用于研究機床對周期載荷和非周期載荷的動態響應。

 

（4）熱應力分析。用于研究結構內部溫度的分布，以及機床內部的熱應力。

 

（5）接觸分析。用于分析兩個結構件接觸時的接觸面狀態和法向力。

 

國內的機床結構優化設計主要是應用在剛度和強度分析方面。廣西大學陳文鋒、毛漢領“mxbs.1320型高速外圓磨床動態性能的試驗研究‘’一文中，對  mxbs.1320型高速外圓磨床的動態性能使用脈沖激振法進行了試驗研究，得到磨床前幾階模態的頻率和振型圖，尋找出機床振動的薄弱環節和主要振源，并提出一些機床改造的措施。此外還有對主要零部件進行有限元分析，優化零部件結構的設計[6].東南大學和無錫機床股份有限公司對內圓磨床m2120a床身結構進行有限元分析，得到床身前幾階的固有頻率和振型，分析床身的內部筋板布置對結構動態特性的影響。張海偉，利用動態實驗分析和理論模型分析兩種方法對臥式加工中心的動態性能進行了分系，通過實驗測試數據與理論計算結果對比分析，驗證了理論模型的合理性，找出了機床的薄弱環節，并進行了結構優化。優化后分析結果證明機床結構的最大變形值都相應降低。陳慶堂，運用工程軟件ansys的優化設計模塊，根據主軸箱的實際工況及機床零件加工精度要求，在參數化建模及結構應力分析基礎上，對xk713數控銑床軸箱結構以減輕重量為目標進行優化設計。通過優化設計及分析，主軸箱結構重量減輕了23.2%,三個方向上剛度和應力得到了合理的分布[7].東南大學機械工程系，利用有限元法對機床床身進行靜、動態分析，并使用漸進結構優化算法對床身結構進行基于基頻約束和剛度約束的拓撲優化，為eso方法在機床大件結構拓撲優化中的應用做了有益的嘗試。王艷輝、伍建國等人，在”精密機床床身結構參數的優化設計‘’一文中，在確定精密機床床身合理結構的基礎上，利用ansys有限元軟件提供的apdl參數化設計語言和優化設計方法，以床身的肋板布置和肋板厚度為設計參數，對床身進行結構設計參數的優化，確定了床身結構的合理參數。不僅大大提高了床身的動態性能：而且節省了材料，降低了生產成本[8].

 

課題的主要內容：

 

1、 確定數控機床立柱體系結構的設計以及實現方案；

 

2、 確立數控機床立柱系統中關鍵部分的數學建模（包括相應的g功能代碼、幾何仿真過程中能實現的m代碼等）；

 

3、 加工過程的動態建模；

 

4、 分析并編寫零件加工程序；

 

5、 編制相應的仿真軟件。

 

研究方法、設計方案：

 

1、研究方法：

 

以windows為平臺，以cad軟件為工作語言設計系統各個零件，在用ug繪制三維立體圖，并對其進行裝配，再用ug編寫零件的加工程序，對其講過仿真，實現數控代碼的實時、動態的切削過程。

 

2、設計方案：

 

系統采用模塊化設計，其總體結構方案如圖1-1所示，各模塊的功能如下：

 

（1） 利用cad軟件對整個系統的零件進行設計。

 

（2） 用ug對各個零件進行三維建模。

 

（3） 裝配各個零件，形成立柱的整體結構。

 

（4） 檢查裝配中零件設計的合理性及建模的正確性。

 

（5） nc程序：利用ug對零件進行三維建模，并用ug編寫用于加工仿真的 程序。

 

（6） 插補算法：采用逐點比較法對直線、圓弧進行插補運算。

 

（7） 仿真顯示：利用ug提供的建模環境建立毛坯和刀具，并顯示刀具運動 軌跡。

 

（8） 最后對編寫的程序進行仿真，分析刀路及加工出的零件是否符合要求。

 

完成期限和預期進度：

 

① 畢業設計課題調研階段：（第1~2周）：課題調研及文獻檢索、完成英文翻譯；

 

② 畢業設計開題報告階段：（第3~4周）：完成開題報告；

 

③ 畢業設計主要工作階段：（第5~12周）；

 

（1）完成系統的總體規劃。（第5~6周）；

 

（2）各零件的設計。（第7~9周）；

 

（3）數控仿真。（第10周）；

 

（4）完成設計說明書的撰寫工作。（第11~12周）；

 

④ 畢業設計答辯階段：（第13~15周）。

 

主要參考資料：

 

[1] horrey, w. j., alexander, a. l., wickens, c. d., 2003, doise workload  modulate the effects of in-vehicle display location on concurrent   drivinand side task performance, procs. of dsc.

 

[2]《現代實用機床設計手冊》編委會。現代實用機床設計手冊[m].北京：機械工業出版社，2006

 

[3]張良，楊為，陳小安，劉德永。ck6310型數控機床主軸箱動態特性研究[j].機床與液壓，2008（3）：12-17

 

[4]邵蘊秋。ansys8.0有限元分析實例導航報[j].北京：中國鐵道出版社，2004（2）：20-23

 

[5]張志文，韓清凱，劉亞忠。機械結構有限元分析[m].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2006

 

[6]胡國良，任繼文。ansysll.0有限元分析入門與提高[m].北京：國防工業出版社，2009

 

[7]楊明亞，楊濤，湯本金，陰紅，楊穎潔，周永良，盧燦舉。機床立柱動態特性的分析

 

[8]郭策，孫慶鴻，蔣書運，陳南，朱壯瑞，秦緒柏，王金娥。高速高精度數控車床主軸系統的溫度場建模與仿真[j]煒0造業自動化，2003（4）：5-9

 

[9]何發誠，海燕。ck53100數控單柱移動立式車床的技術性能與結構特點[j].產品與技術，2005（4）：10-20

 

[10]張興朝，徐燕申。機床龍門式立柱結構參數化動態優選設計[j].吉林工業大學自然科學學報，2001（4）13-21