CNC工具機結構分析與最佳化評估

Structural and Optimal Design Analysis of CNC Machine Tools

楊清程(Ching-Cheng Yang)

指導教授 ： 王世明

中原大學/工學院/機械工程研究所/碩士(2001年)

https://doi.org/10.6840/cycu200100299

摘要

摘 要
本研究主要是針對CNC工具機之部分結構件作探討，主要探討結構件包括傳動軸、蜂巢式結構機身、主軸頭部。因為工具機在進行切削過程中，振動會影響到產品加工精度，本研究乃是藉由改善結構件的構造設計，以提高結構件的自然振頻，使之不易被激振而產生變形，影響精度。在設計中，係以模態分析進行結構件的振形及動柔度的分析，來判斷結構中比較脆弱需補強的部位。另外就是分析軸在傳動過程中由於不同因素對軸所造成靜態撓度有限元素分析。
由於結構件通常都是屬於比較複雜的，一般不易經由理論分析求得解析解，因此；研究乃藉由ANSYS此分析軟體，於建構有限元素模型中，分別針對多種不同邊界條件的傳動軸、蜂巢式結構機身機身、主軸頭部，進行靜態分析、模態分析、動柔度分析。藉由分析結果對於不同邊界條件作一探討與比較。
根據設計要求，綜合分析性能曲線圖，針對跨距、齒輪減速比、軸徑進行最佳化匹配設計。
關鍵詞：工具機、傳動軸、蜂巢式結構機身、主軸頭部、共振頻率、有限元素法、靜態分析、動態分析

關鍵字

主軸頭部 ； 傳動軸 ； 靜態分析 ； 動態分析 ； 工具機 ； 蜂巢式結構機身

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Abstract

This study is mainly to propose a scheme for optimal design of structure devices of CNC machine tools. With given design constrains, the design scheme consisting of mechanics analysis, modal analysis, and static/dynamic stiffness analysis, provides results that can give machine designer a dimension range for designed structure devices, from which machine will have the relative optimal size and static/dynamic stiffness.
The scheme has been implemented to the design of transmission shaft, honeycomb structured column, and spindle head of a five-axis CNC machining center by varying the gear ration, spaces between gear and bearing, dimension of honeycomb, and acting location on the column of cutting forces etc. Results have shown that honeycomb structure can significantly improve the stiffness of machine structure with lighter weight.
ANSYS software was employed in this study for the modal analysis and dynamic stiffness analysis.

Keywords: machine tools, transmission shaft, honeycomb structure, spindle head, static/dynamic stiffness analysis

並列關鍵字

static/dynamic stiffness analysis ； honeycomb structure ； transmission shaft ； spindle head ； machine tools

參考文獻

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