大型五轴龙门机床绿色设计研究

论文总字数：20363字

摘 要

龙门机床拥有加工效率高，加工跨距大以及刚度高的特点，常用于汽车，航空，航天等制造行业中的大型零件的加工。通常，龙门机床具有这样的形态构造：箱体、托板等物悬挂于横梁前壁面处，立柱上安装横梁，后者与溜板相连接。在设计龙门机床时，人们将绝大多数的功能件都设置于横梁前壁面，因此将带来较大的附加载荷作用于其悬臂处，导致横梁、溜板等位置上受到双重载荷的作用，即弯扭载荷以及加工载荷。在使用过程中，为确保其不失应有的刚度，必须对其横梁、溜板等关键性部件进行优化改进，解决动态特性差，刚度不足等问题。

本文对五轴联动加工中心的溜板进行运动学仿真，主要的工作有：用ANSYS对溜板模型划分网格，进行模态计算转化成柔性体，之后在ADAMS中进行运动学仿真，分析横梁运动过程中溜板的应力应变。对进行结构优化设计后的溜板进行分析，重复上述流程。将新模型的参数与旧模型进行比较分析，结果证明优化后的溜板刚度提高，可以有效地提高加工精度。

关键词：五轴龙门机床；溜板；运动学仿真；结构优化

The Kinematics Simulation Of Five-axis Machine Tool

02012501 Zhang Wenjie

Supervised by Lu Xi

Abstract：

The gantry machine with characteristics of high processing efficiency,large processing span and high rigidity , is commonly used in automotive, aviation, aerospace and other manufacturing industries to machine large parts .Typically, the machine has such a structure form:the box and the pallet hang in the front wall of the beam, the beam is installed on the column and connected with the slide plate.In the design of the gantry machine, the vast majority of functional parts are placed on the front wall of the beam,which cause additional loads on the cantilever.It results in a double load on the beam and the sliding table ,which contain the bending and torsion load and the processing load.To ensure its proper stiffness ,the beams and the sliding table must be optimized to improve its poor dynamic characteristic and week stiffness.

The paper did kinematics simulation of a five-axis machining tool’s sliding table.The main work is using ANSYS to mesh the sliding table, doing modal calculation to transform the modal into a flexible body, doing kinematics simulation in ADAMS to analysis the stress and strain of the sliding table during the movement of the beam,then repeating the above processes to analysis the sliding table which has been optimized.The result showed that the optimization of the sliding table can improve its stiffness and improve the processing precision.

Key words: five-axis machine tools；slide carriage；kinematics simulation；structure optimization

目录

1绪论 2

1.1 研究背景及意义 2

1.1.1研究背景 2

1.1.2研究意义 2

1.2 国内外研究现状分析 2

1.2.1国外研究现状及发展动态 2

1.2.2国内研究现状及发展动态 3

1.3龙门机床原理及结构特点 5

1.4 本章小结 6

2 ADAMS及ANSYS介绍 7

2.1 ADAMS介绍 7

2.1.1 ADAMS软件的基本情况介绍 7

2.1.2 ADAMS中的零件： 7

2.1.3 ADAMS中的约束和运动 8

2.1.4 ADAMS中的作用力 8

2.1.5 ADAMS的主要组件及仿真环境 8

2.2 ANSYS介绍 9

2.3 本章小结 10

3 五轴龙门机床溜板的运动学仿真 11

3.1 刚柔耦合的基本情况介绍 11

3.1.1刚柔耦合过程 11

3.1.2刚柔耦合运动分析的意义 12

3.2龙门机床的刚柔耦合运动分析 12

3.2.1 创建刚体运动学模型 12

3.2.2 建立柔性体 13

3.2.3 刚柔耦合 15

3.2.4 运动学仿真 15

3.3 本章小结 17

4 五轴龙门机床溜板的结构优化分析 18

4.1优化后的溜板的刚柔耦合运动分析 18

4.1.1建立柔性体 18

4.1.2形成新模型 19

4.1.3运动学仿真 19

4.2 仿真结果分析 21

4.3 本章小结 23

5 总结 24

5.1 论文的研究成果 24

5.2 进一步的展望 24

致 谢 25

参考文献 26

大型五轴龙门机床运动学仿真分析

1绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1研究背景

龙门机床常用于汽车，航空，航天等制造行业中的大型零件的加工。当前，在加工精度上，国内的五轴联动数控机床与国外有一定的差距。所以，对于我国的机械加工与制造领域，数控龙门机床的发展与改进具有举足轻重的作用。溜板是龙门机床的关键基础部件。为了保持整机加工性能，溜板应该具有高刚度和高强度^[1]。如今，使用过去的方法进行溜板设计，已经暴露出许多局限性，而有限元分析则可以更好地解决这些不足之处，因此在溜板的设计与开发工作中，应用有限元分析，得到更加理想的设计成果。

1.1.2研究意义

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