（机械制造及其自动化专业论文）数控转塔冲床伺服横梁结构分析与优化设计.pdf

摘要 数控转塔冲床伺服横梁结构分析 与优化设计 研究生：丁卫红 东南大学 导师：许超教授 机械上程系 有限元分析和结构优化等c a e 技术的应用，对缩短产品开发周期、提高产晶质量和可靠性， 降低制造成本增强企业竞争力具有重要意义。本文咀高速数控转塔冲床进给机构为研究对象，人 型通_ 【| j 有限元分析软件a n s y s 为分析上具，对进给系统中的关键部件进行有限元建模及静、动态 特性分析，并根据分析结果对其中的横梁进行了结构优化设计。 论文在详细研究数控转塔冲床进给系统的发展现状以及存在问题的基础上，通过对数控转塔冲 床进给系统中的横梁结构分析，明确了这类高速运动部件在受剑运动加速载荷的丁况下的结构位移。 通过对冲切加工中极限误著的分析。为高速数控转塔冲床的进给机构的设计提供了科学计算的依据， 从而改变了这类精密加工装备依靠类比设计的传统方法。 在对横粱及其支撑部件的分析中。确定丁以横梁动载荷为主要受力状态的分析条件，通过对分 析对象的台理结构简化。制定了横粱在分析中的边界条件，井采用a p d l 语言将有限元模型参数化， 为这类结构的分析和计算提供了重要的参考数据。 在对横粱结构分析的基础上，根据轻量化设计的思想，对横粱结构提山了优化方案。计算表明， 在横梁板厚减薄的情况下，这一关键部件同样可以满足机床的加t 精度和运动要求。由此减轻了机 床结构件的重量，降低了成本。 研究同时对横梁结构进行了动态分析，从计算的前6 阶模态看这类结构件由丁其在x 和y 方向上具有较宽的结构，故在前儿阶振型上对数控转塔冲床的加工精度影响不大。动态分析的结果 可以为结构的进一步改进提供重要的依据。 关键词：数控转塔冲床、伺服机构、有限元分析、优化设计 东南大学硕士学位论文 s t r u c t u r a la n a l y s i sf o rt h es e r v o - b e a m o fat u r r e tp u n c hp r e s sw i t hi t s0 p t i m i z a t i o n p o s t g r a d u a t e ：y uw e i h o n gs u p e r v i s o r ：x uc h a o d e p a d m e n to fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o ni ss i g n i f i c a n ti ns h o r t e n i n g t h ep e d o do fp r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t ，i n c r e a s i n gt h eq u a l i l yo fp r o d u c t i o n ，r e d u c i n gt h ec o s to f m a n u f a c t u r ea n di m p r o v i n gt h ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i v ea b i l i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n 。s t a t i ca n d d y n a m i ca n a l y s i so ft h es e r v o - b e a mo fah i g hs p e e dn c t u r r e tp u n c hp r e s si sp r e s e n t e d b a s e do n t h ea n a l y s i sw i t ha n s y s ，s o m e r e c o m m e n d e do p t i m a ls t r u c t u r eo ft h eb e a mi sd i s c u s s e d b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to ft h es e r v oo fn ct u r r e tp u n c hp r e s sa n dt h er e s e a r c ho na n a l y z i n g t h eb e a ms t r u c t u r e ，t h ed i s p l a c e m e n to ft h i sk i n do fh i g hs p e e dm o v i n gp a r t sh a sb e e no b t a i n e d u n d e rd y n a m i cl o a d b yt h ea n a l y s i so fp u n c ha l l o w a n c e ，t h ed e s i g nd a t af o rt h es e r v o - b e a mh a s b e e na c h i e v e db ys c i e n t i f i cm e t h o d w h i c hi st o t a l l yd i f f e r e n tf m i mt h et r a d i t i o n a la n a l o g ym e t h o di n t h i si n d u s t r y t h ec o m p u t a t i o nc o n d i t i o no ft h eb e a mu n d e rd y n a m i cl o a d ，t h es i m p l i f i c a t i o no ft h eb e a ma n di t s s u p p o r fs t r u c t u r ew h e nm o d e l i n g ，t h ec o n s t r a i n t sf o rt h eb e a mw i t ht h et w og u i d ew a y s ，a n da p d l i a n g u a g et od e f i n et h ep a r a m e t e ro ft h ea n a l y s i sm o d e la h a v eb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i li nt h e d i s s e r t a t i o n ，w h i c hw i l lb eu s e f u lr e f e r e n c ef o rd e s i g n i n ga n da n a l y z i n gt h i sk i n do fp a r t s i nt h el i g h to ft h ea n a l y s i so ft h eb e a ma n dt h el i g h td e s i g nr u l e s ，s o m eo p t i m i z a t i o nh a sb e e n d o n ef o rt h eb e a ms t r u c t u r e c o m p u t a t i o ns h o w st h a tt h es t r u c t u r ec a nm e e lt h er e q u i r e m e n t so f m a c h i n ea c c u r a c ya n di t sw o r k w h i c hc a na l s ol i g h t e nt h ew e i g h to ft h eb e a ma n dm a k et h ec o s t d o w n i no r d e rt ou n d e r e t a n dw e l ia b o u tt h eb e a mb e h a v i o r , t h ef i r s ts i xd y n a m i cf r e q u e n c i e sa n d v i b r a t i o ns h a p e so fl h eb e a mh a v eb e e ng i v e n t h er e s e a r c hs h o w st h e s ev i b r a t i o ns h a p e sa r e a l m o s tn oa f f e c to nt h em a c h i n ea c c u r a c yb e c a u s et h eb e a mh a se n o u g hs i z e si nxa n dya x e s t h e s ew o r k sw o u l db eag o o dr e f e r e n c ef o rd e s i g n i n gt h e s eh i g hs p e e da n dh i g ha c c u r a c y m a c h i n et o o l s k e yw o r d s ：n ct u r r e tp u n c hp r e s s ，s e r v o m e c h a n i s m ，f e m a n do p t i m i z a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：壹兰! =1 3 期：垒兰盟叶 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：i 兰! 兰导师签 第一审绪论 1 1 概述 第一章绪论 机械制造工业是制造各种机械设备及工具的工业部门，担负着为国民经济中各部门提供 现代化技术设备及装备的重要任务。一个国家要实现工业、农业、国防科学技术现代化，必 须具有强大的机械制造技术，而机床上业则是为机械制造提供各种制造设备的“装备部”， 是机械制造业的后盾。因此，机床1 _ = 业在国民经济中占有十分重要的地位，是整个国民经济 发展的重要推动力，也是衡量一个国家经济实力的标志之一。而数控机床是高生产率机电一 体化的现代机床，对复杂件、难切削件的加t 起到攻坚作用，又特别适台于中小批多品种柔 性生产。在大量大批生产自动化实现之后，必须要努力发展中小批多品种柔性生产自动化， 以适应社会产品多样化的需求。随着微电子计算机技术的发展，今后数控机床在数量、品种 上将不断增多。随着科学技术的进一步发展，市场经济活动的不断深入，无论是国内市场、 国际市场，对数控机床的需求将日益增多，数控机床的发展前景非常广阔。中国机床丁业能 否振兴、数控机床技术能否迅速提高、产量能否迅速扩人，对丁中国制造业的发展具有十分 重要意义。 1 1 1 机床发展过程及现状 数控机床的研制2 0 世纪5 0 年代初开始，1 9 5 5 年美国研制的第一台数控机床投入使用 并在复杂曲面加工中发挥了极大的作用。中国与日本y - 1 9 5 8 年同年研制山首台数控机床。 我国于1 9 5 8 1 9 6 0 、1 9 6 2 1 9 6 5 、1 9 7 3 1 9 7 8 年曾先后三次在全国掀起数控机床的研制、生 产、攻关高潮，但由丁= 种种原因到1 9 7 9 年为l ，我国数控机床的研究与生产仍处于十分落 后的状态。日本在此阶段，规划周密、科学行事、步子扎实，在努力发展人量大批生产自动 化、高效自动化机床、自动线的基础上，确实使主机设计本领过便，配套元部什、数控系统 过关，不断发展数控机床，至1 9 7 9 年日本数控系统年产量达1 4 ，2 3 5 套，数控机床年产量达 1 4 ，3 1 7 台，超过了美国的当年产量7 ，9 2 5 台从此年起，日本数控机床年产量长期居世界 第一。 我国从1 9 8 0 年起，先后引进了日、德、美、蘸班牙的数控系统，各种数控机床，各类 机、电、液、气基础元部件等进行全面生产。采用国外先进产品配置，学习国外先进生产技 术，有的使用国外关键元部件，对数控机床的有关主机，数控系统和基础部件进行生产，由 此改变了过去产品质量不高、可靠性羞的问题，数控机床才逐步开始批量生产并正式用丁生 产制造。在1 9 8 0 - - 2 0 0 4 年2 5 年间，我国数控机床在品种上、技术上、产量上提高较快，取 得了较大的成绩。1 9 8 0 年我国数控机床产量6 9 2 台至1 9 9 9 年，产量达9 , 0 0 7 台，2 0 0 4 年 超2 0 0 0 0 台。在品种上，各类数控全切机床、成形机床、激光加工机床等均能生产，也较 齐全，在设计、制造技术上也有了很大提高。许多国产数控机床，已在广大用户生产现场使 用，有的取得了用户的好评。但是，由于主机设计本领不过硬，许多数控机床，特别是较先 进的高性能机床，基本上是与国外合作的产品。许多关键配套基础元部件、重要数控系统， 仍采用国外进口产品。 至1 9 9 5 年，我国机床拥有量3 8 3 万台，其中数控机床7 2 8 万台。虽然机床总拥有量数 字很大，居世界第一，但普遍性能落后、结构陈旧，数控机床所占比重不大。2 0 0 0 年我国 数控机床拥有量约为1 4 万台，平均利用率约为4 0 。2 0 0 4 年我国数控机床年产餐超过2 0 ，0 0 0 东南大学硕士学位论文 台，而1 9 9 7 年日本已为5 6 ，i 1 3 台( i 2 以上出口) ，德国为2 2 9 6 0 台，美国为1 7 1 4 1 台 相比之下，中国数控机床年产量仍较少需大量进口【l 】。 1 1 2 数控机床的发展及动向 随着现代科学技术的迅猛发展和广泛运用，先进制造技术已成为当前制造业发展的重要 技术保证。现在激烈的市场竞争要求产品设计制造更新快，性价比高，促使企业不断开发新 产品，以保持其产品在市场的份额。 依靠先进制造技术，近年来数控机床性能有了很大提高，发展的主要目标是提高主轴转 速、提高进给速度，缩短辅助时间、提高加工精度和具有更加完善的功能。首先，机床的主 轴转速普遍提高，其主轴转速已达到4 0 0 0 0 r m i n 。在主轴部件结构，主轴轴承材料、轴承 润滑方式，电动机和轴承冷却及防振等措施方面都进行了大量的工作。进给速度的提高包括 切削进给速度的提高和快速移动速度的提高。为了实现高速进给，数控装置采用快速处理方 式，采用3 2 位的计算机数控装置等。在机械结构方面，采取优化设计，也提高了进给速度。 在缩短辅助时间方面，也取得了很大的进展。辅勘时间包括换刀时间、刀具接近或离开- l 件 的时间等，许多机床换刀时间达到1 2 s ，有的已达到0 5 s 。最近几年来快速发展起来的高 速度高精度数控机床，受到工业界极大的关注。高速度、离精度数控机床对数控加工效率 和产品质量的提高具有极为重要的作用，已成为制造技术发展的重要方向。 1 2 国内外数控转塔冲床的发展状况 在高低压开关柜中，有各种各样的多孔薄板零件其孔径、孔型、孔距以及板件尺寸并 不相同。传统的加工方法是用整体模具冲孔。工什以靠扳定位，在普通压力机上由人工操作 进行加工。通常一个零件耍反复在多台机器上加上才能完成。这样加工出来的工件精度差， 效率底，产品的一致性差。数控转塔冲床正好是适合这类零件加工的自动化设备。它具有加 工精度高、工艺范围宽等一系列显著特点，在开关行业、家电、通讯、仪器仪表、纺织机械、 医疗器械、航空航天等领域都得到了广泛的应用。 数控转塔冲床自问世以来，得到了长足的发展。由于国外企业起步较早，故数控转塔冲 床的开发设计制造工艺比较成熟。日本的a m a d a 公司的v i p r o s 一2 5 1 0 c ，a p i r s 2 5 5 m 和 e m 2 5 1 0 n t 型是2 0 0 4 年研制的最新机型，号称“超越液压，机械驱动的世界最高速双伺服马 达赢接驱动结构”的数控转塔冲床。芬兰的f i n n p o w e r 公司生产的e 5 2 5 具有“百米千次” 性能，运动精度高，刚度大，功率大，抗震性强，耐磨的特点。意大利i t e k 公司生产的 i n v i c t a 2 0 0 0 型数控液压冲床，其冲压次数达3 0 0 0 r a i n 【2 1 。 我国从2 0 0 0 年起，先后和日、德、美等国合作生产，采用国外先进产品配制，学习国 外先进技术，由此产品在品种上技术上产量上提高较快，取得了较大的成绩。国内目前有十 几家专业钣金数控设备制造企业，可以设计制造数控激光切割机、数控转塔冲床、数控复合 机床，甚至柔性制造单元和钣金柔性制造系统。如江苏亚威机床有限公司和日本合作生产的 h i q 3 0 4 8 型数控液压转塔冲床6 轴控制，该机上下转盘由两个数控轴分别驱动，上转盘有 换模缺口，开式机身，厚转盘长导向模具库，y 轴双丝杆驱动，提高了进给动态特性。济南 捷迈数控机械有限公司的p s 3 1 2 5 0 n c 液压冲孔剪切复合机与传统的先剪切下料后冲压的加 工工艺相比，加工效率提高2 - 3 倍，制件精度高，材料利用率提高1 0 一2 0 ，生产场地减 小一半，综合效益十分明显，具有很高性价比。另外扬力集团、江苏富力、徐州锻压钣金数 控公司等也具有雄厚的实力。主体来看，国产数控转塔冲床的品种已更加多样化，技术性能 2 第一章绪论 指标和制造水平也有很大进步，借助国外配套部件，国产“百米千次”的数控转塔冲床已商 品化，并能满足绝大多数用户需要“j 。但是。我国的数控转塔冲床行业起步较晚，技术水平 低，同国际上知名厂家的产品相比，技术水平差距仍较大。主要表现在自主创新不强，且机 床品种少，技术性能指标低，制造水平有限”j 。目前，国产数控转塔冲床的结构设计采用的 仍然是传统材料力学简化设计与经验设计相结合的方法。虽然这种设计方法经过实践证明具 有一定的可靠性，但存在诸多弊端，如设计周期长，结构组件冗余，用材质鼍大，传统设计 在材料使用上偏于保守，致使产晶比国外同规格产品质量大，成本高，效益低。随着电子技 术、计算机技术与机床技术的结合，强烈要求分析设计内容完善化、目标最优化、过程动态 化、使机床加工高速化、加工过程自动化和柔性化。并且具有高可靠性和起好的经济效益。 只有这样，才能提高我国机床的产品质量和国际竞争力，推动我国的民族t 业生产。 近年来，由于我国国民经济的飞速发展，对数控转塔冲床的需求越来越多，国内国际 市场竞争非常激烈。世界许多生产厂家把精力集中在开发高速度、高精度的数控转塔冲床上， 研究的方向不但在机床大件上，而且已转移到整个机床装配上，在研究的手段上不但是计算 机仿真，而且应用了许多有效的实验模拟装置。我国机床的分析水平还不高，长期以来还停 留在材料力学的方法上，而且分析设计人多来自经验。对机床的有限元分析大多限于静态分 析，而从动态方面来研究做得很少( 由于行程次数低，加工精度要求低) 。本课题研究目的 和意义就是瞄准国际同类高速高精度数控转塔冲床的先进水平，设计开发出刚性好，动态性 能好结构优且重量轻工作稳定的数控转塔冲床。 1 3 有限元分析与结构优化和产品动态设计的研究与应用 1 3 1 有限元分析的研究现状 随着有限元分析方法以及计算机软、硬件的发展，有限元分析软什及其与c a d 系统的 集成逐步发展成熟。使得有限元分析方法在很多工程和科学研究领域得到广泛应用。 1 9 4 3 年r c o u r a n t 首先提出离散化概念将一个原来连续的整体剖分( 离散) 成为有 限个分段连续单元的组合，并第一次尝试应用三角形单元的分片连续函数和最小位能原理相 结合来求解扭转问题。1 9 5 6 年m j t u r n e r 和r w c l o u g h 等人用直接刚度法对飞机结构进行 了受力和变形分析，应用当时出现的数字计算机，第一次给出了用三角形单元求得复杂平面 应力问题的解。1 9 6 0 年r w c l o u g h 首次提出“有限元”这个名词，有限元法作为一种数值 分析方法正式出现于工程技术领域。1 9 6 5 年o c z i e n k i e w i c z 等提出了有限元法可以应用于 所有能按变分法形式计算的场问题。从1 9 6 8 年开始，根多关于有限元法的数学文献相继发 表，论证有限元法的基本理论是逼近论，是偏微分方程及其变分形式和泛函分析的结合，并 致力于估计各种单元类型离散化的误差、收敛速度和稳定性。1 9 6 9 年以后，有限元法由丁 其方法的有效性，迅速被推广应用于造船、机械、动力、建筑和核子等丁程部门。并从固体 力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学、声学和振动学等领域，并伴随高速数字电子计 算机的发展和有限元理论的研究得到迅速发展”l 。 国际上早在2 0 世纪6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析 程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局( n a s a ) 在1 9 6 6 年委托美国计算科学公司和 贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析系统。7 0 到8 0 年代是有限元分析软件蓬勃 发展的时期，美国的a n s y s 、a b a q u s 、a d i n a 、i - d e a s 、l s d y n a 、m a r c 、s a p ， 德国的a s k a 、英国的p a f e c 、法国的s y s t u s 等软件不断推出功能强大的新版本。有限 元分析软件的应用从结构分析拓展到各种物理场，从线性分析向非线性分析发展，从单一场 3 东南大学硕士学位论文 的分析向几个场的耦合发展。9 0 年代后有限元分析软件发展更加成熟，在单元类型、非线 性分析、场分析、优化设计和数值方法等方面有很大改进和增强外，前后置处理功能更加强 大和方便，具备良好的用户开发环境，同时还提供与c a d 软件( 如p r o e 、u g 等) 的接口， 将c a d 模型自动转换为适于有限元分析的模型”】。 1 9 7 9 年美国的s a p 5 线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通 用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。1 9 8 1 年a d i n a 非线性结构分析程序引进，一时 间许多一直无法解决的工程难题都迎刃而解了。人家也都开始认识到有限元分析程序的确是 t 程师应用计算机进行分析计算的重要工具。很多企业和科研院所及高校开始引进国外商品 化软件中者自行开发专用软件，获得了巨大经济和社会效益o 】。2 0 0 0 年以米，随着技术的日 益普及和应用，有限元方法等现代结构分析方法已为工程技术人员广为认识和发展，在机床 设计中得到广泛的应用。但是，总的来说，国内的有限元分析应用还处于起步阶段，需要加 强推广，提高企业产品设计的手段和技术水平，增强产品在国际市场的竞争力。 1 3 2 结构优化和产品动态设计的研究与应用 早期的最优化方法可追溯到古典微分法和变分法，而、六十年代发展起来的计算机及计 算技术和数学规划理论为优化设计的发展提供了有利的手段和理论基础。七十年代以来，结 构优化的理论和应用飞速发展则是得益于结构分析理论与方法( 尤其是有限元理论) 和各种 实用的数值计算方法的发展。有限元分析作为一种有效的力学分析手段，其结果中的结构在 外载荷f 的力学响应量及其对设计变量的导数都是结构优化必不可少的信息。利_ 日；i 有限元分 析结构优化设计克服了以往采用经验、类比或采用许多假设和简化导出的计锋公式进行结 构设计在校核方面的诸多局限。使结构设计由消极的校验设计变为主动的改善设计，即可以 根据结构使用和运行的要求，按照力学理论建立数学模型，将有限元分析技术与优化搜索技 术结合起来，自动地设计出满足各种给定要求的最佳结构尺寸、形状等，可使得结构设计快 速而较精确，从而大大缩短设计周期，提高产品和性能。 结构优化设计的不同层次中，目前对于结构的截面尺寸优化问题的研究已经较为成熟。 在截面尺寸优化过程中。有限元模型中节点的位景及各单元的连接关系不变，优化重分析过 程中单元网格划分不变，可通过选用数学规划方法或合适的力学优化准则法来解决问题。 结构形状优化设计中所涉及的变量既包括尺寸变量又包括形状变量，与尺寸优化相比， 其设计空间的维数升高了，因而会得到更优的目标函数值，获得更大的效益。形状优化由于 其巨大的潜在应用背景而成为结构优化领域研究的一个热点，8 0 年代以来，随着有限元网 格自动划分和自适应有限元方法等算法的发展，许多有限元分析软件( 如a n s y s 、 n a s t r a n 、i - d e a s 等) 中加入了网格自动生成和优化设计模块，具有了基于参数的多种 分析类型的形状优化功能m 。 动态设计方法是现代设计方法的一个重要分支。它涉及动态分析、有限元分析理论、计 算机理论以及产品设计理论方法等学科。动态设计充分体现了机械产品的实际动态特性，系 统地反映了振动和响应的全过程。在设计阶段可较精确地进行动态预算，在产品设计之前解 决机械产品的强度、刚度、振动、噪声和可靠性等问题，可以较显著地提高机械设备的设计 水平。 动态设计的主要过程包括机械系统的建模、模型的修改和细化、动力修改和动态优化设 计等步骤。结构动态优化方法可以归结为“正问题”和“逆问题”两类处理方法，所谓“正 问题”处理方法。是根据实际结构可能变更的设计方案，不断地修改设计参数，并通过某种 算法快速熏分析结构的动态特性参数，以达到动态优化的目的；所谓“逆问题”处理方法， 则是给定结构某些动态特性指标或参数，通过某种算法直接反求结构的设计变量。 4 第一章绪论 自上世纪7 0 年代以来，国内外已经开始了对机械系统动力分析和动态设计中有关理论 和方法的研究。但是许多模型过于复杂分析计算的效率很难满足工释设计的要求，相关的 研究成果还无法用于工程设计，研究的问题仅是机械系统的局部问题或其中的某些部什。因 此，至今在工程设计中使用的只是一些过丁简化的局部分析模型，这种计算结果要么过于保 守，要么不能保证系统的安全性。全面考虑人型机械系统的基本特点，从整机动态设计的高 度，全面、系统地研究动态设计理论和方法，使得分析计算模型既要正确反映各种实际复杂 因素，又要进行合理地简化，有着十分重要的理论和现实意义”i 。 机械结构动态设计作为机械系统和结构设计研究的个重要方向，在今后相当长的时期 内，其研究重点仍是技术关键，并在现有的c a d c a e c a m 商品化软件的基础上，逐步开 发有关这些技术关键的商品化集成软件，从而逐步完善机械结构动态设计的理论和方法嘲。 对于机床大件的研究，汤文成教授等根据机床结构的特点，提出了用于机床人件结构 拓扑生成的方法，并对结构进行了有限元分析后优化设计。从而实现结构的自动设计为结 构件的儿何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝试4 】。许超教授等对机床人件几何优化和基于 知识的机床大件结构的动态设计的研究，总结出了对机床大件设计具有普遍指导意义的规律 i l l 【l “。谷祖强等应用“结构系统设计灵敏度分析”理论，把有限元分析和最优化技术有机 结合起来，应用于机床结构件的优化设计，有效地提高了设计效率脚。毛海军等将b p 神经 网络理论与有限元建模方法相结合，提出了采用b p 神经网络建立机床整机主要部件的动力 学模型，并应用大型有限元分析软件a n s y s 的a p d l 进行b p 神经网络样本的快速采样的 方法”。综上所述，在机床的研究上，已从静态向动态上发展，而且应用了各种各样的技 术。数控转塔冲床正向着高速度、高精度、高效率和轻量化的方向发展，在设计方法上也从 材料力学的危险点应力和最大变形的校核，到有限元的使用和数值模拟技术的引入并对其进 行模态分析的动态响应分析使其设计水平有很大的提高，但还存在以下几个问题：1 、建 立的计算模型和实际结构差距较大。2 、静态的特性研究得比较多，对动态的研究得比较少； 对低速设备研究得比较多，对高速的研究比较少。3 、在设计上还未解决静态与动态的联合 设计问题。4 、在结构动力学优化设计中如何去除求解盲目性问题，如何比较清楚地研究其 解的存在性与惟一性问题。5 、只注重研究，不注重应用问题等【i6 】【i “。 1 4 课题研究的主要内容 高速数控转塔冲床，由于机床公称力大，进给速度商，且冲压频率高，在工作过程中，往往 会引起运动部件的抖动，甚至造成进给机构的横梁变形，g l 起冲孔位置精度下降，模具寿命 缩短。因此如何优化进给机构，提高高速数控转塔冲床进给机构的强度、刚度，在保证产品 性能要求的情况下降低其结构重量，是高速数控转塔冲床设计的一个重要问题。 本文研究的进给机构，其机械强度通常是目前结构设计所优先考虑的主要目标。但是在 实际工作环境下，若其机械动态性能不能满足相应的指标，剡很容易囡振动、冲击等动态机 械力的作用而导致设备的可靠性下降甚至出现严重故障。因此其结构动态特性决定了自身承 受机械环境的能力，理应成为结构设计的主要目标。 常规的设计过多的依赖于经验，难以给出准确地的计算结果，有时可能和实际情况出入 较人既无法了解进给机构的受力状态和变形，且即使增加结构重量也难收到预期的效果， 特别是设计后要反复制造并试验，浪费了大量的人力物力，效率较低。同时由于数控转塔冲 床结构的特点，以及业内竞争的日益激烈，使数控转塔冲床的材料成本在产品的制造成本中 占有根大比值。研发周期越来越短，对产品的质量要求也越来越高。传统的设计方法依靠经 验设计和样品试制通过试误法( t r ya n de r r o r ) 进行新产品的开发，产品开发的周期长、成 5 东南大学硕士学位论文 本高，随着企业的发展，这一点已严重制约了企业产品技术水平的提高，因此引入以有限元 分析为主耍内容的c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技术，对缩短产品研发周期、减少样 品试制次数、降低产品重量和制造成本，提高企业效益具有重要意义。本文是阻典型高速数 控转塔冲床进给机构为研究对象，进行有限元建模和分析以及结构优化，为产品的设计和试 验提供依据和指导。 本课题主要是利用有限元分析软件a n s y s 作为分析工具，对数控转塔冲床进给机构的 横梁进行静态分析和动力学分析，并根据分析结果对进给机构进行结构优化设计研究，主要 内容包括以下几个方面： 1 根据数控转塔冲床进给机构的实际下作情况，分析引起加下误著的主要原冈，确立 以迸给机构的关键部件横粱为研究对象； 2 利用a n s y s 的实体建模功能建立横粱结构的几何模型，然后选择合适的单元类型 进行自动网格划分，通过对其在各种工况下的边界条件的确定、所受约束和载荷情 况的分析和简化，合理施加载荷和约束条件，在a n s y s 环境下采用a p d l 语言建 立高速数控转塔冲床横梁结构的参数化有限元模型，来分析其结构强度和进给精 度： 3 对数控转塔冲床横梁结构有限元模型进行静态求解，分析横梁在各工况r 的静态特 性，即应力场分析和变形场分析，并定量计算横梁高速运动导致的结构位移引起的 冲切加工误差。直观地发现横梁结构的薄弱环节和造成冲孔位置误差的结构原因； 4 研究在a n s y s 环境下静刚度分析的实现方法和优化方法研究横梁焊接板的厚度对 横梁应力和应变影响，并根据静态分析结栗提出横梁结构的优化方案，即选择关键 参数为设计变量，对横粱进行尺寸形状结构等方面的优化； 5 研究优化后横梁这一关键部件是否满足机床的加工精度和运动要求： 6 根据模态分析理论，研究动态特性分析的一般方法和基本理论，对横粱进行模态计 算，分析固有模态对横梁的影响。找出对机床加工精度影响最大的动态振型和i 嗣有 频率。在静态结构优化的基础上对横梁重新进行动态结构优化，使横粱的各阶固有 频率远离了机床的工作频率和电动机的频率，从而有效地避免共振现象。 6 第二章横粱结构静态特性分析 第二章横梁结构静态特性分析 本文研究的高速数控转塔冲床，是一种加工多孔薄板的自动化设备。机床公称压力人， 进给速度高，且冲压频率高。数控转塔冲床进给机构结构设计的好坏将直接影响设备的加工 速度、加工精度、工作稳定性和可靠性。所以对数控转塔冲床进给机构的结构分析具有重要 的实际意义。本章将采用有限元法对其进行静态分析。 静态分析是用来计算结构在恒定载荷作用下的响应，如反力、位移、应变以及应力等， 也就是探讨结构受到外力后变形、应力和应变的大小。所谓恒定载荷作用。是指结构受到的 外力大小、方向均不随时间变化。 2 1 有限元法基本原理 2 1 1 有限元法概述 工程和机械结构的力学分析中，最后往往归结为在给定边界条什f 求解某一微分方程。 经典力学的解析法在理论上是严密精确的，但能用解析方法求出精确解的只是少数方程性质 比较简单，且几何形状相当规则和受力状况简单的问题。对丁实际工程中大多数较复杂的结 构，寻求解析解是非常困难的，往往是无法得到的。随着计算机技术的发展和广泛应用，人 们寻找和发展了另一种求解途径数值方法，比较常用的有有限差分法和有限单元法。有 限差分法( f n ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) ，是将整个连续体划分为规则的差分网格( 一 般取等步长) 用差分代替微分，将微分方程离散为差分方程。有限差分法实质上是在求解微 分方程时作数学上的近似处理，推导出的差分方程是对基本微分方群的逐点近似，求解域划 分成较多的节点时，可获得工程上所要求的计算精度。不过，对于几何形状不规则、边界条 件复杂的结构，难于建立表征整个结构力学特性的微分方程的情况下，就无法廊用有限差发 法了。 有限单元法( f e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 则是在力学模型上近似的数值方法，将 被分析的结构直接离散化，使用最小位能原理或虚位移原理等力学基本理论求解。有限单元 法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限数量、且按一定方式相互联结在一起的单 元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，囡 此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法的另一个重要特点是利用在每个单元内假 设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似幽数通常由未知场 函数或及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。这样，未知场函数或及其导 数在各个节点上的数值就成为新的未知量( 即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题 变成离散的有限自由度问题。求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场 函数的近似值，从而得到整个求解域的近似解。显然随着单元数目的增加，或者随着单元自 由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的， 近似解最后将收剑于精确解“一。 2 1 2 有限元法的计算步骤 在采用有限元法对结构进行分析计算时，通常采用如下步骤 1 结构离散化 7 东南大学硕士学位论文 结构离散化是把实际结构划分为有限个单元的集台体，相邻单元之间只在节点处相连 接在一起，传递力和位移，使力学模型变成离散模型。依据结构本身的形状和受力情况的不 同采用的单元类型也不同。常用的有杆单、梁单元、板壳单元、体单元等等。单元划分的疏 密主要依据精度要求年1 5 计算机容量及其计算费用来确定。通常在应力集中的部位以及应力变 化比较剧烈的地方，单元宜划分的密一些，单元的大小要逐步过渡。 2 单元分析 所谓单元分析，就是建立各个单元的节点位移和节点力之间的关系式即导出单元刚 度矩阵。单元分析的具体步骤如下： ( 1 ) 构造单元位移模式 描述单元中各点位移变化规律的函数称为位移模式幽数。一般弹性体受力变形后的内 部各点位移变化是很复杂的，但是，在小单元的区域内，可以假设位移用坐标的某种简单函 数来近似。为了数学运算的方便通常采用多项式形式。比如。一维两节点的杆单元的位移 模式可表示为： u = oo + n l x( 2 一1 ) 式中的两个待定系数a 。和a ，可以根据节点位移值u ，和u z 求出。最后代入式( 2 一1 ) 并写成 用节点位移向量协r 表达的矩阵形式为： u = c n j 。 ( 2 - 2 ) 式中矩阵 n 中的元素与坐标和单元的形状尺寸有关，反映了单元的位移形态，称为形函数 矩阵。 ( 2 ) 导出用节点位移表示的单元应变和单元应力表达式 一维问题的几何方程为： ：( u + d u ) - u ：d u( 2 3 ) d xd x 将式( 2 2 ) 代入上式，得 占= a r m ( a _ = 【口】p y ( 2 - 4 ) m 式中， b 称为应变矩阵或儿何矩阵。 由材料物理方程给出的应变与应力的关系式，并将式( 2 - 4 ) 代入，得 盯= 【d 弦= 研曰】 升= 【s 】p y ( 2 5 ) 式中， d 为弹性矩阵，有物理方程确定，它的元素只与材料的弹性常数e 、p 有关，对一 维单元即为弹性常数e ： s 为应力矩阵。 利用虚功方程建立单元节点力与单元位移之问的关系式即单元刚度方程 伊y = f 别p y ( 2 6 ) 式中， f r 为单元节点力向量； k 。为单元刚度矩阵，只与几何尺寸和材料，而与外载荷 无关。它的表达式为 【k 】。= i 7 【( 2 7 ) t b ) d b d v 3 整体分析 整体分析是将原结构作为由有限个单元组成的离散结构来分析，即将各单元的节点力 8 第二章横梁结构静态特性分析 向量和节点位移向量叠加到整个连续体上。因为各个单元之间仅在节点处连接，单元之闻的 力通过节点传递。根据变形协调条件，某节点的位移对于共有该节点的相邻单元来说是相同 的，结构的节点平衡条件是外界作用在各个节点上的力和力矩等于各个单元在这些节点上的 力和力矩之和，即 ( r - - 协y = 妒y = 【k 】舻r - - - t k l a ) ( 2 8 ) 此式称为总刚度矩阵方程式。式中 尺 为总节点载荷向量，它包括直接作用在节点上 的外裁和不作用于节点的外载经移置到节点上的等效节点载荷。由于叠加过程中，内部节点 上的力和力矩属内力而互相抵消，只剩下边界节点上的外载荷，所以为已知量；协 为整个 连续体所有节点位移向量； k 】为整个连续体总刚度矩阵，它是将备单元的刚度矩阵e k 。元 素叠加组集而成。在单元分析中已指出 k 为已知量，所以 k 也为已知了。为了用总刚度 矩阵方程求得节点位移的唯一解，必须引入边界条件，即已知的节点位移，并相应的修改方 程组。这样就可以求出节点位移向量中的所有未知量。根据式( 2 - 4 ) 和( 2 - 5 ) 就可以求得 单元应变和应力以及节点应力。 2 高速数控转塔冲床组成结构 高速数控转塔冲床，有三大部分组成。它们是主传动系统，转盘选模系统及进给系统。 主传动系统是一台高速压力机传动系统，主要冲孔用。转盘选模系统是用来选择模具，它由 减速器和转盘两部分组成。进给系统它由横梁、x 、y 进给、夹钳和x 轴零点定位装置 组成。x 轴进给传动由伺服电机通过无间隙涨紧式联轴节直接和滚珠丝杠连接，再通过活动 工作台、导轨、滑板、夹紧工件夹钳在x 方向定位。根据板件大小，可调整夹钳间距离。y 轴的进给传动原理和x 轴相同。进给部件的用途为将板件夹在夹锥上，在x 、y 轴方向上 进给并定位冲孔。 圈2 1 高速n c 转塔冲床 作为高速数控转塔冲床进给机构的横粱上部采用优质冷轧钢板折弯件焊接而成，f 部是 由支撑和导轨组成的。下图2 2 是s o l i d w o r k s 软件里的原始进给机构结构图： 9 东南大学硕士学位论文 图2 2 进给机构结构图 2 3 横梁有限元模型的建立 2 3 1 有限元模型建立的方法 建立研究对象有限元模型的目的是要建立能够精确反映系统的物理特性的数学模型，从 最广泛的意义上来说，有限元模型包括节点、单元、材料特性、实常数、边界条件以及其它 一些反映系统物理结构的特性。 在目前比较通用的各种c a e 软件中，建立研究对象的有限元模型主要有两种方法：一 种是直接生成有限元模型法，即直接定义节点，并按照一定的顺序和规则连接相应的节点生 成单元；另一种是间接生成有限元模型法，即先建立研究对象的几何实体模型，然而通过网 格划分在对象实体模型的基础上生成节点和单元。采用直接法建立有限元模型不仅比较复杂 而且容易出错，因此这种方法仅适用于比较简单的机械结构。对于比较复杂的机械结构，其 有限元模型的建立一般采用间接法。 a n s y s 中提供了两种建立研究对象几何实体模型的方法： 先在各种c a d 软件中建立对象的几何模型，然后通过a n s y s 与c a d 软件的接口 导入到a n s y s 环境中。该方法虽然可以使得用户在自己熟悉的c a d 软件中建模， 节省了模型重建的时间，但由于不同软件在算法和设计上的差异模型从不同的 c a d 软件通过i g e s 格式导入到a n s y s 的转换过程中，可能导致所生成模型的不 完整性；从另一方面来讲，c a d 软件生成的几何实体模型往往包含了过多的结构 细节，有时难以对其进行网格划分，或使划分的单元数目过人而占用大量的存储空 间和运算时间。因此需要对导入后的几何实体模型进行一定的修整和简化，才能用 于对象的网格划分。 在a n s y s 中直接建立研究对象的儿何实体模型。a n s y s 的前处理模块提供了比 较强的建模功能