尾架套筒在数控车床尾架部件中的参数化设计及结构优化

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3.0 高德中 2024-11-19 9 4 4.61MB 64 页 15积分
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摘 要
计算机辅助设计应用于传统机械行业，方便产品开发人员设计、修改对应图
纸，同时可根据相关图纸进行数据共享。随着计算机辅助设计的发展与普及，参
数化设计逐步成为一种发展趋势，它的出现使设计人员易于实现产品的可变性、
并行设计等功能，避免繁重的重复设计。而有限元分析软件应用于产品结构设计，
与辅助设计软件相结合，实现产品设计与工程分析的相结合，结构优化逐步得到
应用。
本文阐述了我国制造信息化发展过程中所取得的成效、当前产品设计参数化
和有限元分析方法各自发展趋势。
本文以 CK61100-42 尾架部件为研究对象。通过查阅及参考 CA6140 普通车
床的尾架部件结构，分析尾架部件的结构设计特点；从 CJK61100-03000 经济型
数控车床尾架部件的设计中进一步总结尾架部件结构设计的关键点；制定对应设
计方案，完成 CK61100-42 尾架部件的结构设计，同时在 Solidworks 中实现尾架
部件三维模型的构建。
对CK61100-42 尾架部件实施套筒在数控车床尾架部件中的三维参数化设计，
生成相同结构不同系列的尾架部件设计方案，为有限元分析提供实体模型。
利用三维参数化后生成的尾架部件系列模型导入至 AWE 11.0 中进行结构静
态有限元分析，总结分析结果，根据相关变形位移参数对比分析结果，提出
CK61100-42 尾架部件的结构优化设计方案，并对优化方案进行模态分析，分析优
化方案结构的自振频率。
本文通过尾架套筒在数控车床尾架部件中的参数化设计及对应系列部件的结
构有限元分析，提出对应尾架部件结构设计的优化方案，为其他尾架部件结构设
计提供了相关依据。同时，本文参数化设计与有限元分析相结合也可为其他相关
结构的设计提供参考作用。
关键词：尾架部件 参数化设计 有限元分析
ABSTRACT
It is convenient for designers of product-developments to design or modify the
corresponding drawings, as well as share the data of relevant drawings’ by use of
computer-aided design in the traditional mechanical industry. Parametric design has
gradually become a trend with development and popularization of computer-aided
design, which is easier for designers to implement product variability, concurrent
design and other functions while avoiding the heavy repetition of the design. The finite
element analysis software used in the product structure design integrated with CAD
software achieves combination of product design and engineering analysis, then the
structural optimization is gradually applied during designing.
In this paper, the successful the results during the development of China's
manufacturing information technology, and individual trends of parametric design in
current products and finite element analysis method are introduced.
In this paper, CK61100-42 tailstock is regarded as the researched object. Analyze
the features of the structural design in tailstock components by consulting the structure
of which in CA6140 lathe, further summarize the key points of tailstock components’
structural design during the process of designing 03000 Tailstock Components of
CJK61100 Economical CNC lathe, then fulfill the corresponding design of
fCK61100-42 Tailstock components as well as the building of components’
three-dimensional model in SolidWorks software.
Implement three-dimensional parametric design of the tailstock sleeve part in
CK61100-42 CNC lathe tailstock components to generate different series of tailstocks
with same structure ，which are prepared for the solid model used in finite element
analysis.
Do the static structural finite element analyses while importing the tailstock
models of different series generate by three-dimensional parametric design to AWE
11.0, then summarize all the results and present structural optimization design of
CK61100-42 tailstock components due to the relevant deformation parameter of
analysis results. Further get the vibration frequency of the optimization program
through the modal analysis.
In this paper, propose a structural optimization solution to CNC lathe tailstock
through the static analysis basing on models of different series generate by
three-dimensional parametric design, which can be regarded as the relevant basis for
other tailstocks’ structural design. This parametric design combined with the finite
element analysis can also provide a reference function for other related structure design
at the same time.
Key Word：
Tailstock Component，
Parametric Design，
Finite Element
Analysis
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 数控车床尾架 ...................................................................................................1
§1.1.1 数控车床尾架的功用 .............................................................................1
§1.1.2 数控车床尾架的分类 .............................................................................1
§1.2 制造业信息化及产品设计参数化 ...................................................................2
§1.2.1 我国制造业信息化的成效 .....................................................................2
§1.2.2 产品设计的参数化 .................................................................................2
§1.3 有限元分析 .......................................................................................................3
§1.3.1 国内外有限元分析研究比较 .................................................................3
§1.3.2 有限元分析方法的发展趋势 .................................................................4
§1.4 课题的研究背景 ...............................................................................................6
§1.4.1 课题来源 .................................................................................................6
§1.4.2 课题意义 .................................................................................................6
§1.4.3 课题所要研究的内容及实施方案 .........................................................6
第二章 尾架部件结构设计 ............................................................................................ 9
§2.1 CA6140 普通车床对应尾架部件结构设计 ..................................................... 9
§2.1.1 CA6140 普通车床的尾架部件结构设计 ............................................... 9
§2.1.2 CA6140 普通车床对应尾架部件结构改进 ......................................... 10
§2.2 CJK61100-03000 尾座部件结构设计 ............................................................ 11
§2.3 CK61100-42 尾架部件结构设计 ....................................................................14
§2.4 CK61100-42 数控车床尾架部件结构定位精度的影响因素 ........................17
§2.5 本章小结 .........................................................................................................17
第三章 尾架套筒在尾架部件中的三维参数化设计 .................................................. 19
§3.1 参数化设计 .....................................................................................................19
§3.2 机械产品设计的三维参数化 .........................................................................20
§3.3 尾架部件三维参数化设计的意义 .................................................................22
§3.4 基于套筒零件的尾架部件三维参数化的实施 .............................................22
§3.4.1 生成基于套筒零件的尾架部件的配置 ...............................................22
§3.4.2 基于 VB 编程的尾架部件三维参数化 ............................................... 25
§3.4.3 尾架部件三维参数化设计方案比较 ...................................................27
§3.5 本章小结 .........................................................................................................28
第四章 有限元分析基础理论 ...................................................................................... 29
§4.1 有限元法 .........................................................................................................29
§4.1.1 有限元法的含义及发展 .......................................................................29
§4.1.2 有限元法的分析步骤 ...........................................................................29
§4.1.3 有限元法的优越性与局限性 ...............................................................30
§4.2 有限元法基本方程 .........................................................................................30
§4.2.1 弹性力学基本假定： ...........................................................................30
§4.2.2 静力学的有限元法基本方程 ...............................................................31
§4.2.3 阻尼矩阵及自振特性基本方程 ...........................................................39
§4.3 本章小结 .........................................................................................................40
第五章 尾架部件静态有限元分析 .............................................................................. 41
§5.1 尾架部件静态有限元分析的目标 .................................................................41
§5.2 静态有限元分析的实施方案 .........................................................................41
§5.2.1 不同系列三维实体模型的建立 ...........................................................41
§5.2.2 有限元分析软件的选用 .......................................................................41
§5.3 静态有限元分析 .............................................................................................42
§5.3.1 尾架部件结构受力分析 .......................................................................43
§5.3.2 尾架部件有限元模型的建立 ...............................................................46
§5.3.3 有限元模型的前处理 ...........................................................................47
§5.4 本章小结 .........................................................................................................52
第六章 尾架部件静力分析结果比较及模态分析 ...................................................... 53
§6.1 静力分析结果比较及方案选择 .....................................................................53
§6.2 尾架部件模态分析 .........................................................................................54
§6.3 本章小结 .........................................................................................................56
第七章 论文总结与展望 .............................................................................................. 57
§7.1 总结 .................................................................................................................57
§7.2 进一步的工作与展望 .....................................................................................58
参考文献 .........................................................................................................................59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 63
致 谢 .............................................................................................................................65
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 数控车床尾架
§1.1.1 数控车床尾架的功用
数控技术的应用不仅给传统的制造行业带来了革命性的变化，使制造业成为
工业化的象征，而且随着数控技术的发展和应用领域的不断扩大，数控技术的应
用对国计民生的一些重要行业的发展也起着越来越重要的作用。数控机床作为当
代机械制造业的主流装备，国产数控机床逐步从成长期过度到了成熟期，覆盖超
重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，产
品种类日益丰富。特别是在超重型数控机床、五轴联动数控机床、数控齿轮加工
机床、立式卧式加工中心等领域部分技术已经达到了世界先进水平[1]。
其中以数控车床为例，它主要由床头箱、床身、刀架进给系统、尾架、液压
与冷却、数控装置等部件构成。作为数控车床设计中的重要部件之一，尾架部件
是车床加工工件时经常用到的定位元件，它可以帮助主轴一起限制工件的自由度，
并起到定心的作用。在卧室数控车床上加工深孔时，一般会利用中心架支撑工件，
车刀安装在刀架上进行加工。但由于刀杆尺寸相对过长，对应刚性较差，因此刀
架的支撑刚度与稳定性都不够，在加工过程中会出现让刀现象和振动，影响加工
质量，甚至达到无法正常加工的状况。为此，考虑到车床尾架的重量因素及良好
的稳定性，且具有足够的力支撑刀杆，也可扩大车床尾座的使用范围，尾架上安
装对应钻头、铰刀等刀具进行孔加工，可取得良好效果[2]。
§1.1.2 数控车床尾架的分类
数控车床尾架按尾架工作时驱动方式分为机械式尾架、液压尾架、气动尾架。
机械式尾架是一种成熟的尾架产品，具有可靠的传动方式，但也存在体积较大，
制造成本相对较高，维修困难等缺陷；液压尾架则利用液体为工作介质，工作时
通过将液体的压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或回转运动，其特点以整
体结构体积相对较小，传动平稳，性能可靠，能轻松实现很多机械传动不能完成
的动作，但也存在普遍的泄露，振动冲击等问题；气压尾架以空气作为工作介质，
通过将气体的压力能转换为机械能，驱动负载实现对应运动，其优点是以空气为
介质进行传动，不会污染环境，以空气为介质尾架工作压力相对较低，对各组件
的材料及制造精度相对较低，但由于空气的压缩性较大，在动作的响应能力、工
作速度的平稳性方面相对较差，传动效率也相对较低[3]。
尾架套筒在数控车床尾架部件中的参数化设计及结构优化
2
数控车床尾架按部件进给时驱动方式又可分手动尾架和电动尾架。目前通用
的C61100 普通车床上的尾架为手动尾架，手动尾架通过转动手轮经齿轮组件、
螺纹丝杆等传动而驱动顶尖前后运动；电动尾架是在手动尾架基础上，通过伺服
电机驱动，并结合离合器传动，在电机工作时驱动尾架进给，在无信号输出时，
离合器将伺服电机电机轴与尾架部件传动部分脱开，可手动进给，其传动原理与
手动方式大致相同。
§1.2 制造业信息化及产品设计参数化
§1.2.1 我国制造业信息化的成效
制造业作为国民经济增长的发动机，是国家工业竞争力的重要体现，在经济
全球化格局一体化趋势下，制造业发展是中国在国际分工地位的重要决定因素。
信息化是工业化、现代化水平和综合国力的重要标志之一。
近年来，国家组织制定了制造业信息化发展的指导意见，实施企业信息化等，
重点支持了装备、有色、纺织等制造行业，对影响力大、核心竞争力强的大型骨
干企业实施信息化改造示范工程，引导制造业企业应用信息技术改造工程，引导
制造业企业应用信息技术改造研发设计、生产经营、企业管理等环节，有效地降
低了我国制造业的企业开发设计成本，企业开发能力有了明显的提高，生产制造
周期不断缩短，生产经营效率稳步提升，企业能耗、物耗水平大幅度降低，污染
排放也明显改善，有力地推动制造业发展方式的转变[4,5]。
目前，我国在研发设计信息化方面取得了全面提高，产品创新能力不断增强。
通过实施制造企业信息化工程，大型、骨干企业集团普遍实现了网络化、数字化
环境和内部资源共享，并逐步建立起了符合现代市场经济环境的产品、技术与开
发创新体系。目前，二维、三维 CAD 等产品及工程辅助设计技术在制造业等重
点行业的应用率已近 70%。随着 CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM 的集成应用逐步得
到推进，不仅大大缩短了机械、轻工等制造业产品开发周期，开发成本得到了显
著下降，还实现了最佳设计目标和企业间的相互协作，使企业的产品设计能力产
生了质的飞跃。通过创新设计软件和数字化软件工具的应用，企业的产品设计也
开始从二维 CAD 逐步走向三维 CAD，从计算经验设计走向综合分析与优化设计，
并借助于协同设计、并行设计和规模化定制等先进的产品开发理念，大大提高了
产品的品质与性能，缩短了产品上市时间，满足了用户的个性化和多样性需求。
§1.2.2 产品设计的参数化
摘要：

摘要计算机辅助设计应用于传统机械行业，方便产品开发人员设计、修改对应图纸，同时可根据相关图纸进行数据共享。随着计算机辅助设计的发展与普及，参数化设计逐步成为一种发展趋势，它的出现使设计人员易于实现产品的可变性、并行设计等功能，避免繁重的重复设计。而有限元分析软件应用于产品结构设计，与辅助设计软件相结合，实现产品设计与工程分析的相结合，结构优化逐步得到应用。本文阐述了我国制造信息化发展过程中所取得的成效、当前产品设计参数化和有限元分析方法各自发展趋势。本文以CK61100-42尾架部件为研究对象。通过查阅及参考CA6140普通车床的尾架部件结构，分析尾架部件的结构设计特点；从CJK61100-0...

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