1、某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 北京信息科技大学 毕业设计 （论文） 题 目： 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 机械 1006/2010010150 指导老师 /督导老师： 孙江宏教授 起止时间： 2014 年 2 月 24 日 至 20014 年 6 月 8 日 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 I 摘 要 机床在机械制造工业中扮演着越来越重要的角色 ,尤其是随着现代机械制造工业的发展，走向高精度、高速度、高效率的道路。近些年来，我国企业的数控机床占有率正在逐步上升，其中大型高效的数控机床也成为了用户
2、的首选。但是由于其结构庞大、设备吨位重、制造费用高，有必要进行预先的计算、仿真，让设计者对机床的特性有一个全面的了解，进而使整个设计更加的完善。 本文以 TK6920 大型数控落地镗铣床为研究对象，对机床床身和立柱进行设计，利用有限元分析软件ANSYS 作为分析工具，对其进行分析静力分析和动态特性分析。 对床 身和立柱进行结构设计计算，运用 CAD进行二维图绘制 运用 solidworks进行三维建模，包括床身，立柱部分 将建立的三维 模型用有限元方法进行对床身，立柱，滑枕，及整机静态刚度分析。 通过模态分析计算床身 6阶固有频率振型，滑枕前 6阶固有频率振型，立柱 6阶固有频率振型，及整机
3、6阶固有频率振型，共四部分分析。 根据静力分析和模态分析的结果得出相应的结论，设计是否符合要求，以及需要进行优化的部分。 关键词： tk6920 落地镗铣床； 床身和立柱设计； 静力分析； 模态 分析 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 II Abstract The machine is playing a more and more important role in mechanical manufacturing industry, especially with the development of modern machinery manufacturing industry,
4、 to the high accuracy, high speed, high efficiency road. In recent years, numerical control machine tool enterprises in our country share is rising gradually, the CNC machine tool large efficient has become the users preferred. But because of its large structure, equipment weight, high manufacturing
5、 cost, it is necessary to pre compute, simulation, allowing the designers to have a comprehensive understanding of the characteristics of machine tool, which makes the design more perfect. The TK6920 NC boring milling machine as the research object, carries on the design to the machine bed and colum
6、n, using finite element analysis software ANSYS as the analysis tool, carries on the analysis of static analysis and dynamic analysis of the. Column on the bed and structural design calculations, the use of two-dimensional CAD drawing Use solidworks three-dimensional modeling, including bed, column
7、section Will create three-dimensional model using the finite element method to bed, column, ram, and the whole static stiffness analysis. Calculated by modal analysis 6 bed natural frequency modes, the first natural frequency of the ram 6 modes, column 6 natural frequency vibration modes, and the wh
8、ole six natural frequency vibration modes of four-part analysis. According to the results of static analysis and modal analysis of the corresponding conclusions, whether the design meets the requirements, and the need to be part of the optimization. Keywords: tk6920 floor type boring and milling mac
9、hine; bed and column design; static analysis; modal analysis 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 III 致 谢 本次毕业设计是在孙江宏老师耐心细致的指导下完成的，在此特别想感谢孙江宏老师对我的帮助。从课题的选择，研究，设计，完成，整个过程中，老师都投入了很多的时间与经历，在我错误不断的情况下，一直给予我耐心的讲解和指导。在整个研究过程中，老师不仅仅对我是课题上专业知识的指导，更重要的是他教会对我将来走向社会上乃至工作中，无论行业与机械专业相关与否，在面对类似的项目或问题时，要以专业的知识背景做铺垫，积极的态度去面对整个过程。老师
10、严谨认真的研究态度，热情谦和的待人方式，实事求是的处事原则都给我留下了深刻的印象，同时也在深深的影响着我。在整个课题研究的过程中，带给我的不仅仅是一次毕业设计的成果，更多的是在这个过程中学会了要有解决困难的决心和毅力，寻找解决困难的方法，这些都将会深深的印在我的脑海里，也会不断地鼓励我在以后的工作和生活中继续进取向前。在此，我谨记导师这四个月来对我的辛勤培养和耐心指导致以衷心的感谢和崇高的敬意。 衷心的感谢我同组的同学， 周鹏 ， 王琦 ，还有钱城同学。在他们的帮助下，一起学习，一起研究，让整个研究过程进行的顺利，在规定的时间内完成任务。 特别感谢我的家人，对我的学业进行无条件的支持，在精 神
11、上给我最大的鼓励，使我能够顺利的完成研究，顺利毕业。 最后，感谢各位答辩老师，在百忙之中抽出时间对我的论文进行评阅和审议，我表示衷心的感谢。 再次感谢，在整个过程中帮助过我的所有人。 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 4 目 录 摘要 . I Abstract . II 致谢 . III 第一章 概述 . 1 1.1 论文综述 . 1 1.2 课题分析 . 2 1.2.1 任务 . 2 1.2.2 安排和方法 . 2 1.2.3 难点 . 3 第二章 镗铣机床机身设计和立柱设计 . 4 2.1 床身设计 . 4 2.1.1 床身材料选择 . 4 2.1.2 壁厚的设计 . 4 2.1.3
12、 机床床身的制造方法的选择 . 5 2.1.4 铸造床身强度校核 . 5 2.2 立柱设计 . 9 2.2.1. 立柱材料的确定 . 9 2.2.2 立柱过渡壁结构（立柱截面）的确定 . 10 2.2.3 立柱形体尺寸的确定 . 10 2.2.4 立柱强度校核 . 11 第三章 模态分析 . 15 3.1立柱分析 . 15 3.1.1 立柱结构的三维模型及有限元建模 . 15 3.1.2 两种工况 . 16 3.1.3 受力分析 . 17 3.1.4 立柱 的约束 . 18 3.1.5 求解计算与分析结果 . 18 3.1.6 立柱模态分析 . 21 3.1.7 小结 . 22 3.1 滑枕模
13、态分析 . 23 3.1.1 滑枕三维模型 . 23 3.1.2 滑枕的有限元模型 . 23 3.1.3 滑枕的模态分析 . 24 3.1.4 总结 . 25 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 5 3.3 床身分析 . 26 3.3.1 床身的受力分析 . 26 3.3.2 床身的有限元模型 . 26 3.3.3 床身静力学分析 . 27 3.3.4 床身模态分析 . 30 3.3.5 小结 . 31 3.4. 整机分析 . 32 3.4.1 有限元模型 . 32 3.4.2 节点耦合 . 33 3.4.3 施加边界条件和加载 . 34 3.4.4 整机静态分析 . 35 3.4.5 整
14、机模态分析 . 35 3.4.6 小结 . 37 第 四 章 总结 . 38 参考文献 . 39 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 6 插图清单 图 1-1 tk6920 的结构示意图 . 2 图 2-1-1 床身受力分析 示意图 . 5 图 2-1-2 矩形截面梁 受力分析 . 6 图 2-1-3 矩形截面 示意图 . 7 图 2-1-4 立柱位于床身中间受力示意图 . 8 图 3-2-1 立柱截面 . 10 图 3-1-1 立柱装配主轴箱图 . 10 图 3-1-2 立柱离散化模型图 . 16 图 3-1-3 立柱受力情况 . 17 图 3-1-4 立柱的约束加载图 . 18 图 3
15、-1-5 铣削情况下立柱结构位移云图 . 19 图 3-1-6 镗削情况下立柱结构位移云图 . 20 图 3-1-7 立柱前六阶模态图 . 22 图 3-2-1 滑枕三维模型 . 23 图 3-2-2 滑枕划分网格后的有限元模型 . 23 图 3-2-3 滑枕 前 六 阶模态图 . 25 图 3-3-1 床身有限元模型及网格划分图 . 26 图 3-3-2 位置 1 床身受力分析 . 27 图 3-3-3 位置 1 床身有限元加载模型 . 27 图 3-3-4 位置 1 节点等效应力等值线图 . 27 图 3-3-5 位置 1 结构总变形等值线图 . 27 图 3-3-6 位置 3 床身受力分
16、析 . 28 图 3-3-7 位置 2 节点等效应力等值线图 . 28 图 3-3-8 位置 2 结构总变形等值线图 . 28 图 3-3-9 位置 3 床身受力分析 . 29 图 3-3-10 位置 3 床身有限元加载模型 . 29 图 3-3-11 位置 3 节点等效应力等值线图 . 30 图 3-3-12 位置 3 结构总变形等值线图 . 30 图 3-3-13 六阶振型图 . 31 图 3-4-1 整机三维模型 . 32 图 3-4-2 整机三维模型 . 33 图 3-4-3 整机满负荷加工状态 . 34 图 3-4-4 整机 静力学分析 . 35 图 3-4-5 整机前六阶模态图 .
17、 36 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 7 表格 清单 表 2-1 常用铸造金属材料的铸造性和结构性特点 . 4 表 2-2 床身壁厚计算当量尺寸对照表 . 5 表 2-3 铸铁机架常有材料 . 9 表 2-4 灰铸铁 牌号、性能和用途 . 9 表 2-5 立柱壁厚设计当量尺寸表 . 10 表 2-6 肋板及肋条的基本结构形式 . 11 表 3-1-1 铣削工况下的切削力计算条件 . 16 表 3-1-2 镗削工况下的切削力计算条件 . 17 表 3-1-3 立柱结构固有频率、振幅及振型描述 . 22 表 3-2-1 滑枕 结构固有频率、振幅及振型描述 . 25 表 3-3-1 静力学
18、分析结果对比表 . 30 表 3-3-2 床身前六阶模态 . 31 表 3-4-1 整机前 6 阶模态 . 36 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 1 第一章 概述 1.1 论文综述 什么是机床？机床是能够制造机器的机器，也是可以制造机床的机器。机床可以对金属或者其他材料的胚料或工件进行加工，得到想要的几何形状、尺寸精度和表面质量。机械零件通常是通过机床加工制造出来的。机床是机械工业的基本生产设备，他的种类，质量和加工效率直接影响到其他机械产品的生产技术水平和经济效益。因此，机床的现代化水平和规模，以及拥有机床的数量和质量是一个国家工业发达程度的重要标志之一。 机床是一种现代化工具，它可
19、以进行高效率、高精度、低成本加工。随着科技的发展现代化制造水平的提高，工业制造的需要，对机床的 加工要求也越来越高。经过一系列的分析和研究，要想提高机床的抗震性，加工精度和效率，用提高机床的动态性的方法来实现，从而提高机床的寿命和可靠性。为了找到方法提高机床的动态特性，需要对机床进行模拟和分析，找到床身结构的不足点，进行优化设计，从而达到提高动态特性的目的。分析方法的选择有很多种，需要对每种方法进行了解，选择最合适此研究的方法。 现在最常用的是计算机辅助工程技术， Computer Aided Engineering， 简称 CAE。 计算机辅助工程技术的提出就是要把工程（生产）的各个环节有机
20、地组织起 来，其关键就是将有关的 信息集成 ，使其产生并存在于工程（产品）的整个生命周期。计算机辅助设计（ CAD）在如今的工业制造领域，设计人员可以在计算机的帮助下绘制各种类型的工程图纸，并在显示器上看到动态的三维立体图后，直接修改设计图稿，极大地提高了绘图的质量和效率。此外，设计人员还可以通过工程分析和模拟测试等方法，利用计算机进行逻辑模拟，从而代替产品的测试模型（样机），降低产品试制 成本，缩短产品设计周期。计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行 计算机仿真 分析。一方面， CAE 技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的
21、解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的 过程 层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快 、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用 。 目前，国内外对机床多采用计算机辅助工程技术来进行静态、模态分析，其特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行仿真分析。 CAE 技术应用在机床上，一方面，使过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟来解答；另一方面， CAE 分析使大量复杂的分析问题简单化、层次化、节省了大量的时间，避免了低水平的重复工作，使得机床工程分析更快、更准确 。 数控机床行业是装备制造业的基础
22、行业，它不仅是先进制造技术的载体，而且是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本装备，同时也关系到国民经济发展和国防事业战略性得产业。世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家战略物资，采取重大措施来丰满自己的数控技术及其产业。 TK6920 数控镗铣床具有完整的数控功能，其加工工艺范围广，生产效率高。工件在一次装夹中可以完成镗孔、扩孔、及铣削加工，可加工较高精度的复杂孔系及大直径孔。 tk6920 的结构示意图如图 1-1 所示： 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 2 图 1-1 tk6920 的结构示意图 滑枕可在主轴箱内移动，镗杆可在滑枕内移动；主轴箱可以沿立柱上、下运动；立
23、柱连接在滑座上并可以通过滑座在床身上滑动。本机床可运用于对大重型工件，如箱体、支架、机体、机座、 吊臂、车架等零件的孔系、平面以及槽等进行加工，并可加工大直径孔，是重型机械、机车车辆、矿山、冶金、钢铁、化工、发电、船舶、军工等机械制造部门的必不可少的大型精密加工设备，加配数控回转工作台还可实行四面加工和多轴联动加工。 1.2 课题分析 1.2.1 任务 本次课题主要以 tk6920 重型镗铣数控机床为研究对象，对机床床身进行设计及模态分析，对立柱进行设计及模态分析，对滑枕，以及整机进行模态分析。绘制 一 张标准 整机 装配图，和两张零件图，和三维图。 1.2.2 安排和方法 首先，对床身进行设计。 第一对床身的材料进行选择，其次对床身的壁厚进行设计计算，第三队床身的制造方法进行选择，最后根据 tk6920 重型镗铣机床的说明书中提供的数据，对机身进行强度校核。 然后进行对立柱的设计计算。其步骤与床身类似。首先 对立柱的材料进行选择，第二，对立柱截面进行选择确定。第三，对立柱的尺寸进行设计。第四，进行立柱壁厚的设计。第五，对立柱加强筋的设计。最后，对立柱进行校核。 接下来是对上面已经设计好的床身和立柱进行 2 维图的绘制，用 CAD 软件进行绘图。用solidworks 进行三维制图，为接下来的模态分析做准备。
