基于APDL语言的机床滑枕结构优化设计.doc

1、摘 要在我国制造业高速发展的背景下，高速精密数控机床的薄弱环节已从数控系统转移到机械系统，尤其是关键部件设计制造，本文研究的主要内容是用有限元的方法，用ANSYS自带的APDL语言对机床主轴滑枕的刚度进行优化。本文首先分析了机床制造业中关键技术的不足，提出了本次优化的方向，以及优化所要达到的指标。本次优化设计大致由建立模型、优化分析、优化这三个主要部分组成。模型部分采用尺驱动和变量驱动相结合的方法来构造模型；分析了滑枕在切削力作用下的变形，明确优化方向；用零阶方法进行优化设计，改善结构刚度。所有过程都采用APDL语言实现。在文章最后还列举分析了优化过程中的各种参量变化，对滑枕的影响。最后对本次

2、研究进行了总结，并对进一步改善机床加工精度的研究方向提出了自己的一些看法。关键词：CAE；主轴滑枕；有限元；结构优化；ANSYS；APDLAbstractAs a rapid development of Chinas manufacturing industry, the weak link of high-speed precision CNC machine tool has transferred to the mechanical systems from the numerical control system, especially the design and manufact

3、ure of key components. The main contents of this paper is getting the stiffness of ram optimization design with the FEA method based APDL language.First of all, this paper analyze the week of key technology in the machine tools manufacturing industry. Then put forward the direction and the aim of th

4、e optimization. The optimization design contents three important parts create the model, optimization analyze, optimization. The model is created with the Size-driven and variable-driven method; analysis the deformation of the ram under the cutting force, make the direction to optimization clearly;

5、optimization design based the zero-order method, improve the Stiffness of the ram. All the work is descried by the APDL Language.At the last of the paper list and analyze the diversification of every parameter which affects the deformation of the ram .In the end, there are some summarization about t

6、he paper, I advice some study direction to improve the machining accuracy of the machine tool.Keywords：CAE; Spindle ram; Finite element analysis; Structural optimization; ANSYS; APDL目 录1.绪论11.1.研究背景11.2.研究意义21.3.研究内容21.4.研究方法介绍31.5.ANSYS软件介绍51.6.APDL语言介绍72.滑枕建模82.1.材料定义82.2.单元定义82.3.滑枕模型描述82.4.建模92.

7、5.建模实施112.6.网格划分163.求解及后处理193.1.施加加约束193.2.施加载荷203.3.分析方法类型213.4.结果查询223.5.查询结论233.6.改进方案243.7.改进方案评价244.优化244.1.优化定义244.2.优化中的基本概念254.3.变量选择274.4.优化方法与优化工具选择305.优化结果处理325.1.优化结果查询325.2.优化结果分析356.结论37谢辞38参考文献391. 绪论1.1. 研究背景机床是制造装备的工作母机，我国是世界第一机床消费大国，同时也是最大的机床进口国。自2005年以来，我国机床年产量以平均20%的速度增长，但国产高速精密机

8、床在国内市场的占有率却逐年下降。2006年，我国国内机床总消费为129亿美元，其中进口机床71亿美元。高速精密机床的进口比例更高达90%。西方发达国家在输入技术的同时设置了严密的技术壁垒，“拿来主义”不能形成企业的核心竞争力。因此，发展独立、强大的机床设计制造技术刻不容缓。虽然在近几年来我国的机床发展规模大，技术发展神速，但其中不乏存在一系列的问题。1、术水平低近年来，我国机床生产一直保持两位数增长。2002年产量居世界第四。但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高，目前生产产值数控化率不到30 ；消耗值数控化率还不到50 ，而发达国家大多在70 左右。高档次的数控机床及配套部件只能靠进口。国

9、产数控车床到2000年可供品种为700多种，接近数控机床品种的50 ，其中占产量70 的是经济型数控车床。此外，外观、漏油等老问题也与工业发达国家产品有差距。2、能部件有差距功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等，它们是数控床的重要组成部分。功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。相对数控机床主机来说，我国功能部件生产企业的发展更显滞后。功能部件不仅决定着机床的整机性能，还占到整机成本的60 左右，其发展状况直接关系到机床的竞争力水平。随着高速

10、切削技术的发展，机床设计制造技术在最近的几十年中取得了惊人的进步。新颖的机械结构系统使现代数控机床运动速度提高5-10倍，与此相应它的性能要求也提高了很多倍，这就使得我国高速精密数控机床的设计制造水平与国际先进水平的差距进一步拉大。主要表现在：可靠性差、应变能力差、产品开发周期长、设计手段落后等，并且业内人士意识到我国高速精密数控机床的薄弱环节已从数控系统转移到机械系统，尤其是关键部件设计制造。但是，国内机床制造企业普遍采用传统的经验设计和实验相结合的手段，周期长、效果差、耗费大量人力财力。而国外机床设计制造技术越来越多地利用计算力学、计算机仿真技术、控制技术、优化技术、信息技术最新成果，通过

11、动态优化设计，新颖而性能稳定的机床关键部件结构型式不断涌现。1.2. 研究意义发展独立、强大的装备制造技术刻不容缓，是实现向“制造强国”跨越的必由之路。开发高速、高效率、高附加值的精密机床更是这条路的目标。与国外同类机床相比存在的关键部件结构笨重、效率低下、精度不高等问题。这些差距体现了我区乃至我国在高性能机床设计制造方面的发展现状。设计制造技术与制造工艺水平的突破离不开基础科学理论的支持，譬如复杂工况条件下多物理场对静压导轨与主轴性能影响，作用机理及其对最终产品功能的影响规律，设计制造过程中物理信息和非物理信息的获取、传递及其发展与演化规律等等。高精、高效、高可靠性是高性能机床设计制造的永恒

12、主题，亦是现代数控装备最显著的特点，而机床关键部件振动、噪声、稳定性、热变形等动态性能是其最关键的指标。主轴滑枕是机床中一种必不可少的通用零部件，亦是影响机床工作性能的薄弱环节。对于数控镗铣床， 方滑枕结构被广泛采用， 机床结构特点为固定式床身， 工作台移动， 滑枕沿立柱导轨横向移动。滑枕的精度直接影响机床的加工精度。方滑枕作为重要工作部件， 需要伸出及回缩移动，由于其重量很大， 滑枕的移动会使立柱前后两条导轨受力不均， 并因自重会使它产生弯曲变形， 从而产生了滑枕的低头现象。这严重地破坏了机床的几何精度，也会使机床呈现出非均匀磨损。对于生产制造企业以及数控机床而言，要考虑精度、经济性、效率问

13、题。解决滑枕低头现象后能够提高产品的质量，提高产品的竞争力，为产品拓展市场提供技术保障。1.3. 研究内容针对机床主轴关键部件滑枕进行结构优化设计。采用ANSYS软件自带的APDL语言，建立高速数控机床主轴滑枕实体分析参数化模型，并对其在滑动轴承支撑下结构刚性进行优化设计，求出刚性最大的结构型式。本文就滑枕的变形和结构优化提出一种解决方案。利用有限元软件ANSYS进行准确的滑枕变形分析，避免经验估算误差，减少费时费力的现场反复实验，是一种高精度、较经济而有效的方式。就机床主轴滑枕而言，运用有限元分析方法研究了数控卧式铣床滑枕静态变形。1.4. 研究方法介绍1.4.1. 有限元分析 (1)有限元

14、分析思想有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事

15、。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 (2)有限元发展有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的计算思想早在 20 世纪 40 年代就提出了。1943 年 Courant 在一篇论文中就提出用一