銑車復(fù)合加工中心直驅(qū)轉(zhuǎn)臺動靜態(tài)特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高檔數(shù)控機床正向高速度、高精度、高效率、復(fù)合化方向發(fā)展，具有諸多優(yōu)點的銑車復(fù)合加工中心是現(xiàn)代數(shù)控機床發(fā)展方向之一。相比其他類型機床，它的車削主軸與動力刀架上的銑刀主軸合運動，能夠?qū)崿F(xiàn)以銑代車的功能，是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)得到較大發(fā)展的條件下產(chǎn)生的一種高速切削技術(shù)。同時，它可以實現(xiàn)復(fù)雜零部件一次裝夾，完成全部加工工序，大幅度提高了加工精度和生產(chǎn)效率。
　　銑車復(fù)合加工中心功能部件-直驅(qū)靜壓轉(zhuǎn)臺是關(guān)鍵功能部件之一，它的驅(qū)動

2、精度高、反應(yīng)靈敏、輸出扭矩大、可靠性高，具有很高的動態(tài)響應(yīng)速度和高加速度、高剛度、高定位精度、高承載能力。定量分析直驅(qū)靜壓轉(zhuǎn)臺具有良好的靜動態(tài)特性及其輕量化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，成為銑車復(fù)合加工中心急需解決的問題之一。本文應(yīng)用計算機建模與仿真技術(shù)，針對直驅(qū)靜壓轉(zhuǎn)臺理論建模、靜力學(xué)分析、動力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化等方面進行深入研究，可以為加工中心直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的設(shè)計提供理論依據(jù)。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過研究直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)特點，建立

3、了直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的力學(xué)模型。根據(jù)直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的力學(xué)模型，結(jié)合有限元軟件，推導(dǎo)了主、輔靜壓導(dǎo)軌的油膜剛度計算公式和雙列圓柱滾子軸承徑向剛度計算公式，并計算了最大銑削力和最大車削力。
　　(2)根據(jù)有限單元位移法的求解原理，制定了用于求解與評價轉(zhuǎn)臺靜動態(tài)特性的有限元流程圖。根據(jù)流程圖，進一步闡述了結(jié)構(gòu)非線性靜力學(xué)理論、模態(tài)理論以及諧響應(yīng)理論，為后續(xù)的研究提供理論支撐。
　　(3)針對軸承結(jié)合部和靜壓支承對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)靜動態(tài)特性的影響，提出彈簧

4、單元方法模擬軸承結(jié)合部和靜壓支撐的方法。根據(jù)靜力學(xué)理論，并綜合考慮軸承結(jié)合部和靜壓支承的影響，仿真了直驅(qū)轉(zhuǎn)臺銑削工況和車削工況的靜態(tài)特性，獲得了不同工況下的靜剛度結(jié)果。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)臺的靜剛度滿足設(shè)計要求。根據(jù)模態(tài)理論對直驅(qū)轉(zhuǎn)臺進行模態(tài)分析，獲得了前6階固有頻率及相應(yīng)的振型。結(jié)果表明，直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的運行頻率遠小于直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的低階頻率，不會發(fā)生共振。為了解油膜厚度對轉(zhuǎn)臺固有頻率影響，計算了不同油膜厚度相對應(yīng)的前6階固有頻率。結(jié)果表明，油膜厚度對轉(zhuǎn)

5、臺的前兩階固有頻率影響較小。根據(jù)諧響應(yīng)理論，計算了空載工況和滿載工況下直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的諧響應(yīng)，獲得了兩種工況X、Y、Z方向位移的幅頻特性曲線及動剛度值?？蛰d工況的結(jié)果表明，激振頻率為80Hz時X方向切削力對Z方向加工精度影響較大;激振頻率為80Hz時Y方向切削力對X方向加工精度影響較大;激振頻率為280Hz時Z方向切削力對Y方向加工精度影響較大。滿載工況的結(jié)果表明，激振頻率為80Hz時X方向切削力對Z方向加工精度影響較大;Y方向切削力對X方向

6、加工精度影響較大;激振頻率為80Hz、505Hz時Z方向切削力對Z方向加工精度影響較大。
　　(4)為提高直驅(qū)轉(zhuǎn)臺動靜剛度和動態(tài)響應(yīng)特性，需對其進行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化。根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化原理及直驅(qū)轉(zhuǎn)臺靜動特性仿真結(jié)果，確定目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)、設(shè)計變量，并用中心復(fù)合實驗方法確定試驗點，用Kriging方法構(gòu)造設(shè)計變量與目標(biāo)函數(shù)之間的響應(yīng)模型，用靈敏度分析方法驗證設(shè)計變量的有效性和重要程度大小，用遺傳算法對建立的數(shù)學(xué)模型進行求解。最后，通過求解