开题报告-回转工作台

上海电机学院课题名称回转工作台的结构设计指导教师 与有限元分析 机械学院 机械设计制造及其自动化定稿日期：2011年12月21日1回转工作台的结构设计与有限元分析1选题背景及其意义近年来，随着我国国民经济的迅速发展和国防建设的需要，对高档数控机床提出了急迫的大量需求。机床制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。机床是一个国家制造业水平的象征。而卧式加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床，是典型的集高新技术于一体的机械加工设备。它的发展代表了一个国家的设计、制造水平，并渗透到现代加工的各个部门。数控回转工作台是一种可以实现圆周进给和分度运动的工作台，它常被使用于卧式的镗床和加工中心上，回转工作台可以与X、Y、Z三个坐标轴联动，从而加工出各种球、圆弧曲面等。回转工作台可以实现精确的自动分度，扩大了数控机床加工范围，提高加工效率，完成更多的工艺，它主要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成，并可进行间隙消除和蜗轮加紧，是一种很实用的加工工具。本课题主要通过对TH6363卧式加工中心机械结构、工况的分析，结合其刚度性能设计指标要求，设计出回转工作台，并建立有限元分析模型。基于ANSYS平台针对工作台进行刚度分析，找出了工作台的最大应力、应变部位，并对其刚度进行校核计算。2文献综述(国内外研究现状与发展趋势)2.1国内外数控回转工作台的研究现状2.1.1国内研究现状当前，国产五轴联动数控机床在品种上已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应不同大小尺寸的杂零件加工，加上五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等的开发，基本涵盖了国内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ25HMC40卧式加工中心、和交大昆机科技股份有限公司的TH61160卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，可与发达国家的产品相媲美。在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等企业的产品已获得国内市场的认同。而数控回转工作台已广泛应用于数控机床和加工中心上。由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。国产回转工作台配套件2在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、外观造型、精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距，但在产品的价格、交货期和售后服务上占有较大的优势。有限元分析方面，四川大学制造科学与工程学院的秦柱学，殷国富，陈珂，周军，骆军军等人基于ANSYS平台针对THS6350高速卧式加工中心回转工作台进行刚度分析找出了工作台的最大应力，应变部位，并对其刚度进行了校核计算。该回转工作台能连续分度在其圆周方向有进给运动和分度运动，其内部结构复杂零部件较多，分析建模时有必要合理简化。建模时把内部靠螺栓连接的小零部件都固连在一起，工作台可简化为通过与床身连接的4颗紧固螺钉所固定的转台座和在蜗轮的带动下作回转运动的转动台组成，转动台与转台座之间通过圆柱滚子轴承连接2。2.1.2国外研究现状国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲面零件加工而出现的。随着机床复合化技术的新发展，在数控车床的基础上，又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的加工效率相当于两台三轴机床，有时甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费现在复合机床主流形式是以车铣复合加工实现工序集约。以加工中心为基础设计的车铣复合机床，数控回转轴还具有车削主轴的功能，并起着工作台面的作用。图2-1所轴车铣复合加工中心，是以卧式加工中心为基础设计的复合机床。工作台作为C轴，既要有高的转矩，也能实现高转速输出，该机工作铣削(即为数控回转轴)/车削转速20/500r/min,5轴的另一回转轴为B轴，采用主轴头的摆动形式，B。式),回转速度30r/min[2]。图2-132.2国内外数控回转工作台的发展趋势目前数控回转工作台已广泛应用于数控机床和加工中心上，它的总的发展趋势是：1.在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型转台；2.在性能上将研制以钢为材料的蜗轮，大幅度提高工作台转速和转台的承载能力；3.在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。数控转台的市场分析：随着我国制造业的发展，加工中心将会越来越多地被要求配备第四轴或第五轴，以扩大加工范围。估计近几年要求配备数控转台的加工中心将会达到每年600台左右。预计未来5年，虽然某些行业由于产能过剩、受到宏观调控的影响而继续保持着较低的行业景气度外，部分装备制造业将有望保持较高的增长率，特别是那些国家产业政策鼓励振兴和发展的装备子行业。作为装备制造业的母机，普通工机床将获得年均15%—20%左右的稳定增长。随着数控功能部件的发展，精密回转工作台对功能部件的依赖性越来越大。从某种程度上讲，功能部件的发展水平代表了主机的发展水平，其可靠性、先进性尤为突出。精密回转工作台球面蜗轮副具有瞬时多齿接触、磨损小、精度保持持久等优点。而且采用球面蜗轮副后，转台承载能力提高3倍以上。该设备采用气压制动，制动迅速、可靠、耐重切削。其密封采用国外先进公司的产品，防渗漏性能优异。采用高精密轴承，精度保持性能好。数控机床功能部件的产品水平与10年前相比，有了很大的提高。经过近20年的发展，数控分度头、数控刀架产品的品种不断完善，主要性能和可靠性有较大提高。数控刀架、数控转台、数控分度头已能满足中低档数控机床的配套需求。同时也要认识大，为高档数控机床配套的数控附件产品，与国外产品比还有一定差距。在今后几年中，我国机床附件厂要发展中档次品种，在提高产品质量、性能水平和可靠性的同时，跟踪学习发达国家的先进技术，并在产品创新，提高工艺水平上多下功夫；总结经验，加强产、学、研的结合，走专业化生产的路子，面向市场，参与竞争，满足主机发展的需要。3研究内容3.1数控回转工作台的原理与应用3.2机械结构的设计3.3齿轮，轴，涡轮蜗杆的设计3.4UG建模，出装配图和零件图，总装图A01张，各零件图几张。3.5基于ANSYS的工作台的刚度有限元分析，应力、应变图2张。3.6撰写毕业设计说明书。44研究方案4.1总体方案数控回转工作台采用齿轮传动，动力源用步进电机，总体可以实现圆周进给和分度运动，工作台的参数：回转直径400mm;回转角度±180°,分度精确度45’,最大承载4.2传动方案传动时应满足的要求：数控回转工作台一般由原动机、传动装置和工作台组成，传动装置在原动机和工作台之间传递运动和动力，并可实现分度运动。在本课题中，原动机采用应采用步进电机，工作台为T形槽工作台，传动装置由齿轮传动和蜗杆传动组成。合理的传动方案主要满足以下要求：(1)机械的功能要求：应满足工作台的功率、转速和运动形式的要求。(2)工作条件的要求：例如工作环境、场地、工作制度等。(3)工作性能要求：保证工作可靠、传动效率高等。(4)结构工艺性要求；如结构简单、尺寸紧凑、使用维护便利、工艺性和经济合理等。4.3传动方案及其分析由图4-1所示，数控回转工作台的传动方案有两种：方案一为一级和二级都是齿轮传动；方案二为一级齿轮传动，二级蜗杆传动。5方案一的最大缺陷是：2.占用空间大。3.只能使工作台完成回转功能，无法使工作台完成自锁。而方案二虽然传动效率低，但以上三个功能全部都能完成自锁。所以数控回转工作台传动方案为方案二：步进电机——齿轮传动——蜗杆传动——齿轮传动承受载能力较高,传递运动准确、平稳，传递功率和圆周速度范围很大，传动效率高，结构紧凑。蜗杆传动有以下特点：1.传动比大，在分度机构中可达1000以上。与其他传动形式相比，传动比相同时，机构尺寸小，因而结构紧凑。2.传动平稳蜗杆齿是连续的螺旋齿，与蜗轮的啮合是连续的，因此，传动平稳，3.可以自锁当蜗杆的导程角小于齿轮间的当量摩擦角时，若蜗杆为主动件，机构将自锁。这种蜗杆传动常用于起重装置中。4.效率低、制造成本较高蜗杆传动方面：齿面上具有较大的滑动速度，摩擦磨损大，故效率约为0.7-0.8,具有自锁的蜗杆传动效率仅为0.4左右。为了提高减摩擦性和耐磨性，蜗轮通常采用价格较贵的有色金属制造。由以上分析可得：将齿轮传动放在传动系统的高速级，蜗杆传动放在传动系统的低速级，传动方案较合理。4.4锁紧方案当工作台静止时，工作台必须处于锁紧状态，所以，必须要有锁紧装置。图4-2为蜗轮锁紧装置简图。图4-2夹紧装置6当工作台要锁紧时，油缸的上腔连通压力油，活塞向下压向钢球，撑开压紧瓦，从而夹紧蜗轮；当工作台需要回转时，油缸上腔连通回路，在弹簧的作用下，钢球抬起，夹紧瓦松开蜗轮，工作台就能转动。4.5有限元分析方案回转工作台的有限元分析的方案具体为UG软件进行三维模型的建立，再导入到ANSYS软件中，并对其约束与工况载荷进行了计算与导入，基于ANSYS平台对工作台进行刚度分析找出了工作台的最大应力，应变部位，并对其刚度进行了校核计算。在建立有限元分析模型时应该注意的几点：建立有限元模型过程中要对原模型结构进行合理的简化。在划分网格过程中，应注意粗细得当，结构复杂，应力比较高的地方要分的细些，结构简单的地方可以粗点，总的来说，在保证分析精度的情况下，尽量简化，能用二维的不用三维。3.确定边界条件在对结构进行分析时，要确定正确的边界条件，同时也要考虑边界条件对分析结果5进度计划2011年11月----2011年12月：查阅文献资料，撰写开题报告和文献翻译。12月24日-12月30日：开题报告答辩。2012年01月----2012年02月：设计数控回转工作台的结构部分。2012年02月----2012年03月：做出装配图和零件图。2012年03月----2012年04月：ANSYS进行有限元分析。2012年4月9日-4月15日：毕业设计(论文)中期检查。2012年04月----2012年05月：撰写毕业设计说明，准备答辩。2012年05月26日-06月05日：毕业设计(论文)答辩。7参考文献[1]陈于萍，周兆元主编，互换性与测量技术基础，北京：机械工业出版社，2005.10[2]韩文渊，数控回转工作台[J].机械制造，2010[3]成大先主编，机械设计手册，北京：化学工业出版社，2010.1[4]曾艳明，李继伟主编，加工中心操作工，北京：化学工业出版社，2006.5[5]李勇，李伟光主编，机械设备数控技术，北京：国防工业出版社，2007.9[6]王爱玲主编，数控加工中心编程与操作，北京：电子工业出版社，2008.6[7]张乐乐，谭南林，焦风川主编，ANSYS辅助分析应用基础教程，北京：清华谢里阳大学出版社，2006.3[8]谢里阳主编，现代设计方法，北京：机械工业出版社，2010.6[9]濮良贵，纪名刚主编，机械设计，北京：高等教育出版社，2006.5[10]金清肃主编，机械设计课程设计，武汉：华中科技大学出版社，2007.10[11]崔旭芳.数控回转工作台的原理和设计[J].砖瓦，2008,(3):23-27[12]秦柱学，殷国富，陈珂，周军，骆军军，高速卧式加工中心回转工作台刚度有限元分析方法[J].机械制造，2011[13]罗敏，用分度数控轴实现加工中心工作台分度功能的设计方法，[J].制造技术与机床，2007.2:35-38[15]王知行，邓宗全主编，机械原理，北京：高等教育出版社，2006.5金属加工(冷加工),2011[19]baksi;stanley.DYNAMICSTRESSANALYSISOFANEPICYCLICGEAR[20]HuiWang;NingZupropertiesbasedonANSYS,[J].InformationScienceandEngineering(ICISE),20108指导教师意见9开题答辩小组意见1、