数控铣床进给系统与结构优化

数控铣床进给系统与结构优化(毕业论文27000字,cad图3张,答辩PPT)
摘要
有限元方法是现代工程分析与设计的一种快捷、有效的辅助工具。有限元分析及结构优化等 CAE技术的应用,对缩短产品开发设计周期、降低产品制造成本、增强企业竞争力具有重要的意义。本文以华中 I 型教学型数控铣床为研究对象，利用有限元分析软件 ANSYS 作为分析工具，对组成铣床的主要零部件进行分析,并对结构进行优化设计。主要工作如下：
对数控铣床的主要零部件主轴箱、立柱结构及导轨结构在建立三维有限元分析模型的基础上进行静力分析，直观展示了结构的应力场和位移场，分析了结构的强度和刚度；对主轴箱结构和床身进行了模态分析，获得了主轴箱模态参数(固有频率和振型),并结合静态分析综合评价了结构的力学性能。静态分析与模态分析结果表明，主轴箱、立柱及导轨结能够满足强度要求，主轴箱、立柱结构材料分布不够合理，机床不适合加工大件。静态分析与模态分析为结构优化设计和动力改进打下了基础。
本文利用了 ANSYS 的参数化优化设计模块从静力分析角度对主轴箱进行优化设计,获得了主轴箱结构以最轻重量为目标的优化设计结果,并对优化后的结构进行改进,使其保持良好的动态性能，取得了混合优化的良好结果。

关键词：数控铣床；ANSYS；静力分析；模态分析；优化设计。

NC milling machine to system and Structural Optimization
ABSTRACT
FEM(Finite Element Analysis) is a fast and good efficient design tool in modern engineering analysis and design .The application of Finite Element analysis and structure optimum etc CAE technology is significant in shortening the period of production development , reducing the cost of the manufacture and improving the enterprise competitive ability. XK713 NC Milling Machine is research object . The main parts which made up XK713 NC Milling Machine are researched in this paper with general finite analysis software ANSYS.
A three-dimensional finite element of the spindle box，polar of the NC Milling Machine and the whole Milling Machine have been established which based on accuracy model to made an analysis of static force of and display the stress and displacement.Dynamic characteristics analysis for these two structures in this paper.The result shows that，the milling machine can fairly fit its strength, the matiarial contribution of the spindle box and polar of the NC Milling Machine is unreasonable, and the body of the machine must be improved in the dynamic characteristics. The result can be applied for the theoretical basement in the structural optimal design and dynamic modification.
With the combination of FEM and optimum design .The optimum design for spindle box is used for reducing the structure’s wight，then improve the structure in order to made it keep the good dynamic characteristics，and get the reasonable result with these mixal optimum design.Based on parameters sensibility’s analysis the structure modify for the milling machine’s body is used for improve dynamic characteristics.
Keywords: NC Milling machine ; FEM ; Static Analysis; Modal analysis; Optimum design.

数控铣床进给系统设计
2.1 设计方案的确定
方案设计主要是确定铣床工作台的纵向进给的结构，传动原理以及基本的运动动力参数。
2.1.1 设计参数
1 加工对象：45号钢传动
2 工作台行程：X—400   Y—350  Z—400
3 脉冲当量：0.001—0.002mm
4 机床定位精度： 
5 机床重复定位精度： 
6 工作台进给速度： 1～400mm/min
7 工作太快移速度：  10m/min
由以上数据可以看出，该钻铣床为小型机床，且为立式。主要加工对象为普通45号钢，加工并不困难，精度要求也不是非常高。所需要的功率也不大。因此，工作台的纵向和横向的移动通过丝杠来实现。
 

目录
1 绪论    1
1.1 前言    1
1.2 课题背景    1
1.3 数值模拟技术及其应用    2
1.4 结构优化设计方法及其在工程中的应用    3
1.5 本课题主要研究内容和方法    3
2    数控铣床进给系统设计    6
2.1 设计方案的确定    6
2.1.1 设计参数    6
2.2 伺服电机的选择    6
2.2.1 最大切削负载转矩计算    6
2.2.2 负载惯量计算    7
2.2.3 空载加速转矩计算    8
2.2.4 伺服系统增益    8
2.3 联轴器的选择    9
2.3.1 键的选择    9
2.3.2 键的强度校核    10
2.4 滚珠丝杠的设计    10
2.4.1 滚珠丝杠螺母副设计与原理    10
2.4.2 滚珠丝杠螺母副的选用设计    11
2.4.3 轴承的选择    14
2.5 精度验算    16
2.6 本章小结    19
3    数控铣床结构的有限元静力分析    20
3.1 数控铣床的结构特点    20
3.2 主轴箱结构的有限元静力分析    21
3.2.1 主轴箱结构有限元建模    21
3.2.2 计算结果与分析    24
3.3 立柱结构的有限元静力分析    28
3.3.1 立柱结构的有限元建模    28
3.3.2 计算结果与分析    30
3.4 导轨结构的有限元静力分析    34
3.4.1 导轨结构的有限元建模    34
3.4.2 施加载荷和进行求解计算    34
3.4.3 结果分析    35
3.5 本章小结    36
4    主轴箱模态分析与结构优化    37
4.1 主轴箱结构模态分析    37
4.1.1 模型处理与计算结果精度分析    38
4.1.2 模态计算结果分析    38
4.2 结构优化模型    41
4.3 结构优化方法    42
4.3.1 选型优化方法    42
4.3.2 利用 ANSYS 软件的 OPT 模块进行优化设计    42
4.4 XK713 数控铣床主轴箱结构优化设计    43
4.4.1 基于参数化的主轴箱结构优化设计    43
4.4.2 基于模态分析的主轴箱结构动力修改    50
4.5 本章小结    52
5    总结与展望    54
5.1 论文总结    54
5.2 展望    54
参考文献    56
致谢    57