坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择

摘要

随着社会的发展，自动化是未来制造业的发展趋势。我国制造业同样面临着极大的考验和挑战。各企业为了弥补机床的数控化率偏低的现状，对旧机床进行数控化改造也成为了一种趋势。到目前为止，国内外在对旧机床改造的前期评估工作尚没有成熟统一的方法，大多的改造只是简单的依据经验，以及原机床的本来性能，选择相应数控系统搭配安装。至于改造对于原机床的性能的提高、功能的扩展等工作做的相对较少。
　　 本课题研究的目的是希望运用理论的方法对机床整机可靠性分析，以此对机床进行改造前的评估。本文运用有限元方法，依托于大型三维设计软件Pro/E、通用有限元分析软件ANSYS，进行联合的建模分析。模态分析结论，运用于机床驱动电机的选择。
　　 本文在对机床整机的建模过程中。由于ANSYS软件前处理模块中三维建模方法的复杂不易操作性，无法精确和高效地完成像本论文中坐标镗床整机这样复杂结构的建模，于是在建模方法中选择的实体建模，采用建模功能强大的三维设计软件Pro/ENGINEER Wildfire2.0建立三维实体模型，然后通过两软件的无缝接口导入到ANSYS10.0中，在ANSYS中对机床部件结合面进行接触处理，提高了建模效率，保证了模型的质量。为了使计算精度和计算规模合理，对实体模型进行了一定的简化处理。在分析了单元数量、质量、布局的前提下，用实体单元对整个机体进行网格划分，建立了机床整机的有限元模型。
　　 基于对整机模型的模态分析，得出机床约束条件下的固有频率，从而分析出引起机床共振的频率范围，根据频率与电机转速的关系，同时参考选择电机时经验的设计计算，对机床配置了合理的驱动电机，使改造后的机床加工效率有所提高，加工过程中的机床稳定性也更有保证。考虑到机床本身较好的稳定性和加工精度，对原机床进行了功能扩展，原来只能进行精密的钻、镗等加工的坐标镗床，也具有铣削加工功能，使其成为能多轴联动的加工机床，为此选配了功能强大、控制多轴联动的数控系统，以及相应的伺服驱动系统。使改造后的机床能适应更广泛的加工要求，提高资源的利用率。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1课题意义

1.2课题背景

1.3国内外机床数控改造发展和研究现状

1.3.1数控系统的出现和发展

1.3.2国内外机床数控改造现状

1.4有限元方法概述

1.5有限单元法中动态特性分析法的发展及模态分析方法介绍

1.6研究的主要内容

第2章坐标镗床整机模型的建立与模态分析

2.1 T4163坐标镗床结构及参数简介

2.2有限元方法的分析过程

2.2.1建立求解域，并将之离散成有限单元

2.2.2假定描述单元物理属性的形函数

2.2.3建立单元刚度方程

2.2.4组装单元，构造总刚度矩阵

2.2.5应用边界条件、初值条件和施加载荷

2.2.6求解未知的节点位移及单元应力

2.2.7后处理

2.3 ANSYS有限元分析软件

2.3.1 ANSYS简介

2.3.2 ANSYS软件功能

2.3.3 ANSYS软件系统组成及运用

2.4 Pro／E三维设计软件

2.4.1 Pro／E软件简介

2.4.2 Pro／E与ANSYS之间的数据交换

2.5坐标镗床有限元模型的建立

2.5.1坐标镗床几何模型的建立

2.5.2有限元接触问题概论

2.5.3机床接触面分析

2.5.4有限元模型的分析

2.6模态分析

2.6.1模态分析的理论基础

2.7坐标镗床的有限元模态计算

2.7.1模态提取方法的选择

2.7.2扩展模态

2.7.3计算结果分析

2.8本章小结

第3章基于有限元法模态分析的伺服驱动系统选择

3.1数控改造方案的确定

3.2机床功能及参数介绍

3.3机床固有频率对其改造的影响

3.4交流伺服电机的选择计算

3.5本章小结

第4章机械传动系统的设计计算

4.1机床加工及工作台运动

4.2工作台传动系统改造计算

4.2.1滚珠丝杠副设计计算

4.3本章小结

第5章数控系统及驱动系统的选择

5.1典型数控系统介绍与比较

5.2数控系统选择分析

5.2.1西门子SINUMERIK 840D数控系统的特点

5.3伺服系统的选择

5.3.1西门子611-D伺服系统

5.4数控系统与伺服驱动系统总成

5.4.1硬件连接

5.5本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间所发表的学术论文