（机械制造及其自动化专业论文）两轮多绳金刚石串珠锯创新设计与优化研究.pdf

摘要 摘要 国外多绳金刚石串珠锯价格昂贵，难以推广，加快研发国产多绳金刚石串珠 锯是一项十分紧迫的任务。 通过深入分析国外先进多绳金刚石串珠锯及花岗石砂锯功能、结构特点，并 结合市场上花岗石荒料的尺寸规格情况，确定了新型多绳金刚石串珠锯的锯切技 术参数及性能指标。运用模块化设计理念，通过对锯机的结构和功能分析，依据 功能和结构独立原则，划分了多绳金刚石串珠锯功能模块。针对支撑、回转轮、 张紧、主驱动等模块，根据t r i z 理论提出改进建议，进行综合评价，得到了优 化方案。对各模块进行了虚拟装配，完成整机总体设计。 基于a n s y sw o r k b e n c h ( 以下简称a w e ) 协同研发平台，研究如何将 s o l i d w o r k s 软件建立的多绳金刚石串珠锯模型直接导入，实现s o l i d w o r k s 三维设 计、c a e 分析的协同和管理。以主轴有限元模型为例，在a w e 环境下，阐述了 前处理中的定义材料、网格划分、接触设置、载荷和边界条件的施加的相关内容， 并行的进行了静力学、动力学及疲劳分析。同时应用优化设计思想，利用基于变 分技术的d e s i g n x p l o r e rv t 模块对主轴进行了优化设计，通过a w e 的参数管理 器控制c a d 模型的参数，实现了主轴优化设计。以主动端升降滑套模块为例， 探讨了对于复杂装配体，采用基于实验设计的d e s i g n x p l o r e r 模块进行优化设计流 程。 本课题研究旨在于融入现代设计手段，引入有限元方法，研发出拥有自主知 识产权的多绳金刚石串珠锯，同时快速实现多绳金刚石串珠锯零部件参数化c a d 建模和c a e 有限元分析无缝集成，从而加快整机最优化、系列化设计，填补国内 空白，具有推广意义。同时多绳金刚石串珠锯的整个设计研发过程对其它设备研 发也具有很好的参考价值。 本课题得到山东省自然科学基金( 项目编号：z 2 0 0 7 f 0 7 ) 、山东省科技发展 计划( 项目编号：2 0 1 0 g g x l 0 4 0 5 ) 资助。 关键词多绳金刚石串珠锯；花岗石；锯解；创新设计；优化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti sa l lu r g e n tt a s kt od e v e l o ph o m e m a d em u l t i - w i r ed i a m o n ds a wb e c a u s ei ti s t o oe x p e n s i v et os p r e a da n di t sd o m e s t i cr e s e a r c hj u s ts t a r t e d b a s e do nt h em a r k e tr e s e a r c ho nt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fg a n gs a wa n d e x i s t i n gf o r e i g ns i m i l a rp r o d u c t s ，a sw e l la st h ed i m e n s i o nf o r m a to fg r a n i t eb l o c ki n t h em a r k e t ，t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fn e wm u l t i - w i r es a wa r ed e t e r m i n e d s t r u c t u r e a n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r so ft h ef o r e i g na d v a n c e dm u l t i - w i r ed i a m o n ds a ww e r e r e s e a r c hd e e p l yb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es a w ss t r u c t u r ea n df u n c t i o na n do nt h e b a s i so fi n d e p e n d e n c ep r i n c i p l eo ff u n c t i o na n ds t r u c t u r e ，as e r i o u so fm o d u l a rw e r e d i v i d e da n dd e s i g n e d f o c u i n go nt h em o d u l a ro fs u p p o r ta n dr o t a t i n gw h e e la n d t e n s i o nw h e e la n dm a i dd r i v e w h e e la n ds oo n ，a n db yu s i n gt r i zt h e o r y ，a ni m p r o v e d p r o g r a mw a sp r o p o s e da n dt h et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lw a s e s t a b l i s h e d n eg l o b a l d e s i g nw a sf i n i s h e db ym e a n so fi n t e g r a t e dd e s i g n i n ge a c hm o d u l a r o nt h e b a s i sa n s y sw o r k b e n c h ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt o 嬲a w e ) p l a t f o r m , r e s e a r c ho nd i r e c t l yi m p o r tt h em u l t i w i r es a wm o d a lb u i l tb ys o l i d w o r k ss o f t w a r ea n d t oa c h i e v es o l i d w o r k s w e r et h r e e d i m e n s i o n a l d e s i g n a n dc o o r d i n a t i o na n d m a n a g e m e n to fc a ea n a l y s i sw a sc a r r i e do u t b a s e do ns p i n d l ef e mm o d a l ，u n d e rt h e e n v i r o n m e n to fa w e ，m a t e r i a ld e f i n i t i o n , m e s h ，c o n t a c ts e r i n g ，l o a da n db o u n d a r y c o n d i t i o n si np r e t r e a t m e n ta r ee x p o u n d e d ，a n ds t a t i c ，d y n a m i ca n df a t i g u ea n a l y s i s w e r ec a r r i e d o u t s p i n d l ew a so p t i m a ld e s i g n e db yu s i n go p t i m a ld e s i g n a n d d e s i g n x p l o r e rv tm o d a lb a s e do n v a r i a t i o n a lt e c h n i q u ea n dp a r a m e t e r so fc a d m o d a lc o n t r o l e db ya w e p a r a m e t e r sm a n a g e r w i t hr e g a r dt oc o m p l e xa s s e m b l i e s ，u s i n gd e s i g n x p l o r e rm o d u l eb a s e do n e x p e r i m e n t a ld e s i g nt oo p t i m i z et h ed e s i g n t a k et h e a c t i v e l i f ts l e e v em o d u l eo f m u l t i - w i r es a wf o re x a m p l e ，t h es l e e v es t r u c t u r es c h e m et e n dt ob et h eb e s t c o m p r e h e n s i v ei n d e xw a so b t a i n e d 1 1 1 er e s e a r c hp r o j e c t sa i mt oi n t e g r a t em o d e md e s i g na n ds i m u l a t i o no p t i m i z a t i o n i i i 山东人学硕十学位论文 m e t h o d st od e v e l o pd i a m o n dm u l t i - w i r es a wm a c h i n e w h i c hh a sc o m p l e t ei n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa n dt or e a l i z em u l t i - w i r es a wp a r t sp a r a m e t r i cc a d m o d e l i n ga n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sc a es e a m l e s si n t e g r a t i o nr a p i d l y i ti ss i g n i f i c a n t t oa c h i e v eg l o b a lm a c h i n eo p t i m a la n ds e r i a ld e s i g nt of i nt h eg a p s i ta l s oh a sa v e r y g o o dr e f e r e n c ev a l u et od e v e l o po t h e rd e v i c e st h r o u g ht h ew h o l ep r o c e s so fd i a m o n d m u l t i w i r es a wd e s i g n t h es t u d yi sf u n d e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ( i t e m n u m b e r s ：z 2 0 0 7 f 0 7 ) a n ds c i e n c ea n db yt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp l a n n i n go f s h a n d o n gp r o v i n c e ( i t e mn u m b e r s ：2 010 g g x l0 4 0 5 ) k e y w o r d s ：m u l t i - w i r e d i a m o n d s a w ；g a n g ；e x p l o i t a t i o n ；i n n o v a t i o nd e s i g n ； o p t i m i z a t i o n a ld e s i g n i v 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题提出的背景及意义 “十一五 期间，我国经济的快速增长，尤其是建筑业的快速增长，拉动了 石材产品的消费，使石材产品产量大幅增加。2 0 1 0 年全国规模以上企业花岗石板 材产量达3 1 0 0 0 万平方米。根据我国“十二五”石材产业发展目标，到2 0 1 5 年石 材全行业规模以上企业销售收入4 5 0 0 5 0 0 0 亿元；主要产品产量花岗石板材 6 5 7 0 亿平方米【1 1 。 随着石材制品的应用普及，花岗石大幅面板材及制品需求量日益增加。对于 花岗石大幅面板材的批量锯切加工，传统方式主要是采用金刚石圆盘锯、花岗石 砂锯 2 1 。目前国内石材锯解设备还是以金刚石圆盘锯为主，由于国内石材企业绝 大部分是小企业，金刚石圆盘锯以其高效、低成本、易操作等优势占领了国内锯 解设备的绝对数量，应用多的主要是单片桥式金刚石圆盘锯、悬臂式多片锯机、 龙门式金刚石圆盘锯，其中龙门式金刚石圆盘锯以中型规格圆锯片为主。但加工 幅面一般为直径的l 3 ，若增加加工幅面，则需增加锯片尺寸，这样就会增加成 本，从而无法体现金刚石圆盘锯的优势。从技术上来说，圆锯片很难做得很大【3 1 。 所以金刚石圆盘锯的加工深度受到限制。 目前大型砂锯的锯条数超过1 7 0 根，一次性加工板材的数量多，幅面大，效 率高。但存在基础建设投资成本大、耗能高、废弃物较多、操作较复杂等缺点， 在国内发展的不是很好。国内石材行业砂锯应用情况较差，只有少数大型企业及 外资企业的进口设备能够正常使用，大部分企业的砂锯基本处于停产状态，主要 原因是国产砂锯质量不理想，国内缺少砂锯切割工作的操作管理经验。与意大利 石材企业相比，国内砂锯的砂浆配料及供浆系统还存在较大差距。近年来，大型 金刚石圆锯片的发展更是抑制了国内花岗石砂锯的发展。 1 9 7 8 年，意大利a p u a n 公司的第一条金刚石串珠绳应用于采石场开采大理 石，被称为“大理石矿山开采革命。2 0 世纪末，意大利首先将金刚石串珠锯用 于锯解花岗石板材，可同时安装1 0 2 5 根串珠绳，最多安装6 0 7 0 根串珠绳，能 山东大学硕十学何论文 像砂锯一样从荒料上直接切割板材【4 1 。同一台锯机，通过调整串珠绳间距，可以 灵活地改变成品板材的厚度，其加工效率是同等规模砂锯的6 8 倍，耗电约为砂 锯的1 4 ，加工板材的表面类似磨削的质量，生产效率很高。目前生产多绳金刚 石串珠锯的企业主要集中在意大利等石材工业发达的欧洲国家。国产金刚石串珠 锯主要是单绳锯，应用于异型制品加工方面，在板材锯解方面尤其是多绳金刚石 串珠锯的应用还很少。 本课题以多绳金刚石串珠锯为研究对象，通过对国外已有的多绳金刚石串珠 锯产品的研究分析，设计并开发出加工效率高、设备操作简便、性能稳定可靠的 新型多绳金刚石串珠锯产品样机。随着我国石材行业的快速发展，迫切需要提高 开采工艺技术和开采装备水平，以提高资源的利用率，充分发挥我国石材资源优 势，迎合加快建设资源节约型、环境友好型社会的要求。金刚石串珠绳锯是目前 世界上最先进的石材开采设备，金刚石串珠绳集金刚石的高硬度和钢丝绳的高柔 性为一体，具有“刚柔相济的特性，有着灵活、安全、环保、高效、成荒率高 等特点，因此本课题研究有了更紧迫的现实意义【5 1 。 1 2 多绳金刚石串珠锯的概述 多绳金刚石串珠锯的主要结构包括：驱动装置、导向装置、张紧装置、立柱 横梁装置、水冷却循环装置等。 1 2 1 多绳金刚石串珠锯锯切原理 4 2 l 、升降滑套；2 、主动轮；3 、立柱；4 、横梁；5 、金刚石串珠绳；6 、张紧轮 7 、定位轮；8 、荒料 图1 1 多绳金刚石串珠锯的加工原理示意图 第1 章绪论 如图1 1 所示，多绳金刚石串珠锯的加工原理是：以金刚石串珠绳作为切削 石材的刀具。首先将金刚石串珠绳构成封闭回路并套在驱动机械的主动轮上，主 动轮旋转带动金刚石串珠绳做回转运动，同时张紧轮沿轨道转动实现对金刚石串 珠绳的张紧。金刚石始终压紧踞缝进行锯切。另外要不断注入冷却水冷却金刚石 串珠绳和清除岩粉。 近年意大利的w i r ee n g i n e e r i n g 、p e l l e g r i n i 和b i d e s e i m p i a n t i 公司相继推出不 同结构形式的多绳金刚石串珠锯锯机，代表了国际先进水平。表1 1 是3 家公司 的多绳金刚石串珠锯技术参数。 表卜1 国外部分多绳金刚石串珠绳的技术参数 型等 p o l y w 塬正p o l y w i r e g s 2 0 0 w 3 2g o l d 6 0f 3 0 8 参驴 5 1 1 63 2 最大切割长度( m ) 3 53 53 544 5 最大切割高度( m ) 2 12 12 12 12 1 加工板材规格( m m ) 2 0 3 02 0 3 02 0 3 02 0 3 02 0 3 0 串珠绳数量( 根) 5 1 63 23 25 88 3 5 串珠绳速度( m s ) 0 4 00 4 00 - 4 00 4 00 3 5 串珠绳长度( m ) 2 5 42 7 6 52 7 01 9 61 5 5 0 装机总容量( 1 、 广_，、，)、)，、 山豕大学硕十学何论文 3 4 2 主轴受力及约束 合理确定有限元模型约束条件是成功地进行有限元分析的基本条件，约束条 件应尽可能符合原结构的实际情况，其中轴承结合面的模拟是提高有限元分析精 度的关键。 假设主轴轴承各向同性，把轴承用b o d y g r o u n d 中的s p r i n g 连接进行模拟， 每个轴承弹性支撑均由4 个均布的弹簧组成，如图3 7 所示。弹簧的一端与主轴 上的节点相连结，另一端为完全固结，每个弹簧的刚度按单个轴承的径向刚度并 联计算【5 6 1 。 零游隙时轴承的刚度：k = 五d f ( 3 1 1 ) 口d 当为球轴承： 墨= 差- 1 1 8 痂丽 ( 3 1 2 ) k = 薏= 3 4 4 丽 ( 3 - 1 3 ) 当为滚子轴承：巧= 箸= 3 3 9 c n l ，口0 8 ( 比) n 8 c 。s i 9 口 ( 3 1 4 ) 疋= 薏- - 1 4 4 3 聃0 9 c o s ”a ( 3 1 5 ) 式中墨、疋轴承的径向和轴向刚度洲岬) ； 吃球径( n l r l l ) ； ，d 滚子的有效长度，等于滚子长度扣除两端倒角( m m ) ； i 、r 滚动体的列数和每列的滚动体数； a 接触角( 。) ； c 、c 作用于轴承上的径向和轴向载荷( n ) 。 第3 章主轴的动静态特性研究 图3 7 径向弹簧分布示意图 在转矩载荷中，固定同步带与主轴的接触面切向方向，将转矩施加在主动轮 内套表面。将其他载荷依次施加到各作用面上，主轴施加载荷、约束如图3 8 所 示。 b ：g a l i cs t r u c t t l a l ( 舢6 y s l s t a t i cs t r u c t u r a l t i m e ：1s 3 4 3 变形及应力分析 00 0 008 0 0 ( m ) 二二二= 二= = 二二 04 0 0 图3 - 8 主轴载荷、约束作用图 f a - ， 静态结构分析时，分别读取主轴在各个方向的最大变形以及主轴的y o n r a i s e s 应力。y o n m i s e s 应力是基于剪切应变能的一种等效应力，它遵循材料力学第四强 度理论，其值应该小于材料的屈服应力值。 3 7 山东大学硕士学位论文 主轴在各个方向的最大受力变形如图3 - 9 所示。由图3 - 9 可知，主轴在y 方 向的最大变形为0 0 6 1 5 r a m ，发生在与前段轴承配合轴段，最大变形很小；主轴 在x 方向的最大变形为一0 1 7 1 m m ( 方向指向x 轴负向) ，最大变形发生在d e 段( 与 主动轮配合轴段) ；主轴在z 方向的最大变形为0 0 8 9 8 m m ，发生d e 段；主轴总 的最大变形为o 1 8 0 m m ，最大变形发生d e 段。 ( a ) x 方向最大变形 t - 憎啊嗡 0 t ( n m o n 口o n3 t ，p 0 n c - “叫d _ n 的nf z e u 时m o i o h i i c 哺n e v “n t h o e l t 世簟r ，i m 曲m n 胛u 帅a l o n t 悱td i r a m d o 呻忡i y 眦 u n t 。m 0 i 曲c o o l n _ e 目m t m 最大变形 ( c ) z 方向最大变形( d ) 总的最大变形 图3 - 9 主轴各个方向上的最大变形云图 机床主轴模块的弯曲刚度k ，定义为使主轴前端产生单位位移，在位移方向 所需施加的力： k ：p ( n i z m )( 3 1 6 ) ， 、 多绳金刚石串珠锯主轴用弯曲刚度作为衡量主轴组件刚度的指标，参照机械 设计手册对主轴弯曲强度进行校核。因最大变形发生在d e 段，所以对c f 段主 轴变形进行单独分析，如图3 1 0 。c 、f 为轴承支撑面，挠度为0 ，o 点为挠度最 大截面，从w o r k b e n c h 中读出坐标为k = 4 8 5 m m 。 第3 章主轴的动静态特性研究 小。戒 q c 瓜国曼一 么 0j 文 图3 - 1 0 主轴c f 轴段变形不慈图 主动轮主轴为刚度要求高的轴，经查表，m = 0 0 0 0 4 l ，其中l 为两支点跨距 8 3 5 5 m m ，m = o 3 3 m m 。l y s i = o 1 8 0 m m y = o 3 3 r a m ，所以d 点挠度满足要求。 因c 、f 点安装滚子轴承，允许最大偏转角 o 】= 0 0 0 1 6 。 p ，y o ：业：0 0 0 0 2 5 r a d 0 0 0 1 6 r a dp f 丝：业：0 0 0 0 5 3 r a d 0 0 0 1 6 t a d l 。 7 1 4 r l 。f 3 4 0 ，所以c 、f 点偏转角满足要求。 主轴的v o n r a i s e s 应力如图3 1 1 所示。 g a n cg r m ：1 m a l 甜孵 e c l u r c d l e n ls t r e s s t y p ee q u r c a l e n tm m i s e s ) b - t r e $ $ u n np a t i m e 个 图3 - 11 主轴的v o n m i s t s 应力云图 由图3 1 1 可知，主动轮内套与主轴配合面及中端螺纹处存在应力集中，前者 应力集中更为明显，最大应力发生为6 2 9m p a ，属于压应力。经查4 0 c r 的屈服 强度为os = 5 0 0 m p a ，此处强度满足要求。 3 4 4 主轴疲劳分析 大量产品在有效寿命内报废，因疲劳破坏而造成的恶性事故也时有发生，因 3 9 山东大学硕士学位论文 此多绳金刚石串珠锯主轴设计时应将产品耐久性作为产品质量控制的重要指标， 保证主轴承受工作载荷而不发生失效，还应保证一定的使用寿命。 假定无缺陷主轴疲劳裂纹形成寿命估算，利用a n s y s 软件，与主轴静力分 析同步进行，主轴交变应力如图3 1 2 所示。 g a u cs 自r u c t u r a l ( t t i s v s ) e c l u r c a l e r d a l t e r n a t i n g 勃 e s s t y l o e ：e q u w a l e n t a l l e m a t m g 勃 e s s u n np a t i m e l0 个、。 t 图3 1 2 主轴交变应力图 当设计转动次数为5 x 1 0 8 次时，循环交变应力为1 0 8 7 3m p a 。由于主轴材料 选用4 0 c r ，疲劳极限仃一。= 3 2 0 m p a ，所以主轴循环交变应力小于疲劳极限，满足 设计要求。 按照新型多绳金刚石串绳锯设计流程，a w e 分析完成之后应进行综合评价。 除评价c a e 结果是否有效外，还应判断基于t r i z 理论提出的模块改进方案效果 是否明显，应将改进前方案与目前方案进行比对分析。原方案( 无副框架) 进行静 力学分析，施加载荷不变，将前端调心轴承处约束去掉，其他约束不变，将原方 案与目前方案的分析结果填入表3 1 ，进行比对分析。 表3 - 1 两种主轴方案有限元分析结果 x 向 循环交 类别 z 向变形最大变发生位最大应力发生位发生 、变形 变应力 项氐( r a m )形( m m ) 置 ( m p a ) 置位置 ( m m ) ( m p a ) 原方案 - 0 3 4 1o 1 9 00 3 6 2d e 段 9 7 0b c 段1 7 3 3b c 段 优化方案_ o 1 7 1- 0 0 8 9 80 1 8d e 段6 2 9d e 段1 0 8 7 d e 段 第3 章主轴的动静态特性研究 由表3 1 可得，优化方案增加副框架后，应力应变得到极大改善。同时，应 注意为保证主轴支撑强度，需保证副框架具有足够的刚度。 3 5 主轴模态分析 模态分析属于动力学的一部分，也是动力学分析的起点，为动力学分析中的 瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析提供了最基本的分析数据。模态分析研究 的主要内容是确定设计结构或机床主要部件的振动特性( 固有频率和主振型) ，是 承受动载荷机构设计中的重要参数。 3 5 1 模态分析相关理论 对处于自由振动的固体和结构，离散系统无阻尼自由振动方程为： 瞰】 舀 + 【k = 0 ) ( 3 - 1 7 ) 其中：【m 】是结构质量矩阵，【k 】是结构刚度系数矩阵； “ 是节点位移矢量： ) 是节点加速度矢量。 由于弹性体部件的自由振动总可以分解为一系列简谐振动的叠加，自由振动 问题的解可以假设为： ” = 彳) s h l 耐 ( 3 1 8 ) 其中 a ) 是节点位移的振幅， 是部件固有频率。将式( 3 - 1 8 ) 代入( 3 - 1 7 ) 中并 消去s i n t o t 因子，就得到： ( x - o , 2 【m 】) = o ( 3 1 9 ) 记：a = t 0 2 ( 3 2 0 ) 可将式( 3 1 9 ) 改写为： ( k 卜a 【m 】) 彳) = o ( 3 - 2 1 ) 此方程式为特征值方程，由于 彳) 是非零向量，故可知( 3 - 2 1 ) 方程组非零解的 必要条件是系数行列式为零，即： d e t ( k - a m ) = 0 ( 3 2 2 ) 4 1 山东大学硕十学传论文 展开上式得到一个关于a 的n 次多项式，求解可得n 个跟：丑( i = l ，2 ，n ) 称为特征值，将特征值分别开方后对应系统的n 个自然频率，将求得的ur ( r = 1 ， 2 ，n ) 分别代入方程( 3 - 2 2 ) 求得相应的 彳 ，这就是系统的模态向量或振型向 量，是不会随意改变。模态分析技术就是利用固有模态的这些特性进行研究的。 3 5 2 主轴组件的模态分析 模态分析时，与主轴静力分析不同，值施加约束。单元选取与网格划分与静 力分析一致。结构的振动低阶固有振型比高阶对结构的振动影响较大，低阶振型 对结构的动态特性起决定作用【5 刀。 进行模态分析时采用的是分块l a n c z o s 方法( b l o c kl a n c z o s ) ，该方法适用于大 型对称特征求解问题，功能强大。其特点是利用递推关系式产生一个正交的矢量 矩阵l a l l c z o s 矢量矩阵，通过该矩阵可以将原来的两个对称矩阵定义的广义 特征问题转化为一个三对角阵的标准特征问题。主轴的前5 阶固有频率和振型， 如表3 2 所示。 表3 2 主轴的前5 阶同有频率和振型 阶数吲有频率h z 振型描述 1 阶 3 9 3 平动 2 阶 1 8 7 4 6 在x o z 平面整体绕y 轴运动 3 阶 1 8 7 4 6 在x o y 平面沿y 轴弯摆 4 阶 2 4 8 2 2 在y o z 平面沿y 轴弯摆 5 阶3 8 9 4 在x o y 平面沿y 轴弯摆 因主轴轴向方向未施加约束，因此会出现整体沿y 轴平动，实际中轴承可起 到轴向固定，此模态可忽略。为保证机床的加工精度和安全性，主轴工作时最高 转速不能超过其1 阶临界转速( 此处为2 阶，2 阶振型如图3 1 3 所示) 的7 5 1 5 引。 从表3 2 可以看出，多绳金刚石串珠锯主传动电机的额定转速为7 5 0 r m i n ，由其 产生的激振频率为1 2 5 h z 。主轴的一阶固有频率远大于主电机激振频率大，主轴 不容易发生共振。 4 2 第3 章主轴的动静态特性研究 c ：喇伪9 隋 t o t a id e f o r m a # o n8 t y p e ：t o t a id e f o r r n a t j o n f r e q u e n m1 8 74 6h z u n 吨m t i m e1 日74 6 0z0 ： 图3 1 3 二阶振型 原方案( 无副框架) 进行模态分析，将前端调心轴承处约束去掉，其他约束不 变，将原方案分析填入表3 3 。 表3 3 主轴的前5 阶固有频率和振型 阶数固有频率h z振型描述 1 阶 3 9 3 平动 2 阶9 2 9 9摆动 3 阶9 3 0 2摆动 4 阶 1 8 7 5 在x o z 平面整体绕y 轴运动 5 阶3 7 1 7 1 在x o y 平面沿y 轴弯摆 对比3 2 与3 3 可知，增加副框架，因提高主轴的支承刚度，可以显著提高 主轴的固有频率。同时，应注意为保证主轴支撑强度，需保证副框架具有足够的 刚度。 3 6 结构优化 主轴模块的支撑间跨距对其刚度的影响比较复杂，是主轴设计考虑的最多因 素之一。通常的做法是将主轴模块简化为简支梁，根据材料力学中变形位移线性 4 3 n【二嬲盈 山东大学硕十学何论文 叠加原理，推导得出公式( 3 2 3 ) t 5 9 1 ： 露一器厶一筹 陆2 3 、 式中厶o 主轴的合理支撑跨距，m m ； 口主轴前端悬伸量，i i l m ； g ，g 前后轴承径向刚度，n “m ； e 主轴材料的弹性模量，n m m 2 ； j 主轴两支承截面内平均抗弯惯性距，i l l m 4 。 因主轴结构形式多样，利用公式( 3 2 3 ) 计算轴承合理跨距的精确解较困难。本 文将主轴c a d 模型需改进的设计变量传递到a w e 环境下，并且在优化模块下设 定好约束条件及设计目标后，高度自动化的得到主轴轴承最佳跨距精确解。 一个典型的c a d 与c a e 联合优化过程通常需要经过以下的步骤来完成：描 述工程问题、参数化建模、c a e 求解、后处理、优化参数评价、根据已完成的优 化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环【鲫。图3 1 4 是a w e 环境下数值优化的过程框图。 a n s y sw o r k b e n c h 有两种多目标优化模块：基于实验设计( d o e ) 技术的优化 工具d e s i g n x p l o r e r 和基于变分技术的优化工具d e s i g n x p l o r e rv t 。 d e s i g n x p l o r e r 模块( d e s i g no f e x p e r i m e n t s ，实验设计简称d o e 模块1 ，无须 解析函数，根据输入参数的数目，根据输入参数的数目，利用蒙特卡罗抽样技术， 采集设计参数样点，计算每个样点的相应结果并根据灵敏度来衡量其与目标变量 之间的权重关系，得到最优解，利用二次插值函数构造设计空间的响应面或设计 曲线。 变分技术( v a r i a t i o n a lt e c h n o l o g y ) 在利用“响应面 概念对所有输入变量建立 显式近似函数，具体为在有限元分析矩阵( 如刚度阵、质量阵) 级别上利用级数展 开方法建立他们与设计变量之间的关系，计算出来的结果与设计变量之间也是类 似的关系【6 l 】。变分技术关键特征通过一次有限元分析，自动建立设计空间的响应 面曲线，该方法可提速十倍甚至几千倍。 第3 章土轴的动静态特性研究 图3 14a n s y sw o r k b e n c h 环境下数值优化过程框图 3 6 1 设计变量与设计目标的确定 本次优化选择尺寸，前端与中端轴承之间的跨距及中端与后端轴承之间的跨 距分别用参数d s _ l i 和d s _ l 2 来标定，双列圆锥滚子处轴段直径用d s _ r 来标定， 根据设计要求确定设计变量的取值范围，如表3 - 4 所示。只有以“d s 一 作开头 的尺寸变量才能传递到分析工具d e s i g ns i m u l a t i o n ( d s ) 和优化模块d e s i g nx p l o r e r ( d x ) 中。在保证主轴受力、变形许可范围内，尽可能减轻主轴的质量，减少 应力集中及变形，故选取主轴质量、最大等效应力、最大变形为设计目标。 表3 4 定义变量参数 变量名最小值r a m最大值m m原始值m m类型 d sl l8 5 01 1 5 01 1 3 9 l e n g t h d sl 26 5 08 4 08 3 9 l e n g t h d sr7 51 0 51 0 0d i a m e t e r 山东火学硕士学位论文 3 6 2v t 优化设计 按照设计好的c a d 模型变量，在s o l i d w o r k s 下建模，然后在a w e 环境下点 选所需的输入参数，如图3 1 5 所示。划分网格、设置约束条件和求解结果后，从 p r o j e c t 进入d e s i g n x p l o r e r ，启动v t 优化设计模块，将变量按上表确定变化范围， 设置为连续的输入变量，按默认1 0 变化。程序根据输入的设计变量，自动生成 一定数量的随机样本模型，本次优化系统自动生成了2 5 个随机样本模型，设定全 局样本数1 0 0 0 个，通过计算机自动计算得到最终的优化结果。 + r t p h c s r r o p e r t i 。s ：一t f i 丑i t i o n s 、l p d r e s s e d n o ；a s s i i 帅e n t s tr l i c t u r a ls te e l c o o r d i n a tes y s te md e f a u l tc o o r d i j + - o u 丑i n e _ o i + p r o ，e r t i e s + s t t i 互t i c 工 pd s r l e 草圈1 ( 4 13 ) 主动蛇主轴1 p a r t1 0 0 pd s l i 草圈l o ( 4 13 ) 主动地主1 1 p t t r t1 13 9 pd s l 抛草圈l o ( 4 13 ) 主动亡主轴1 p a r t8 3 9 图3 1 5a w e 下的c a d 参数 根据样本计算结果，利用灵敏度图观察每个设计变量在其整个变化范围内对 设计目标的影响程度。图3 - 1 6 ( a ) 显示最大等效应力受d s r 、d s - l 2 的尺寸影响 较大，图3 1 6 ( b ) 显示最大变形受d sr 、d sl 2 的尺寸影响较大。 分别以主轴最大变形及最大等效应力值为z 坐标，以对其影响最大的两个设 计变量为x 、y 坐标生成影响面图形，如图3 1 7 所示。图3 1 7 ( a ) 显示随着d sr 增加，应力近似线性递减，随着d sl 2 增加，应力近似线性递增。图3 1 7 ( b ) 显示， 随着d sr 增加，变形近似“凹”抛物线递减，随着d sl 2 增加，变形近似“凹 抛物线递增。 第3 章主轴的动静态特性研究 | 量鲁詈曼皇曼蔓e 量罡皇皇皇吕量鲁量曼鼍置量皇量詈量皇皇詈皇皇曼曼墨曼量詈鲁皇i 昌量量詈詈詈詈皇置| 皇皇皇 e q u i v a l e n ts t r e s sm a x i m u m 笼e ： 一。 口。s u 一 ( a ) 各变量对最大等效应力灵敏度( b ) 各变量对最大变形灵敏度 图3 1 6 灵敏度 l 州o _ n 矗 ，一t 、 ，7 i | ， 。+ u 一7 - 一+ ! | ：。 囝。 口硷 ( a ) d s - r 、d s - l 2 对最大等效应力的影响面 ( b ) d s _ l t 、d s 一 2 对最大变形影响面 图3 1 7 设计空间 计算完后，定义，设计变量、设计目标的优先级和目标极限可以开始定义设 计目标，如图3 1 8 所示： i n p u tp a r a m e t e rg o a i s n s f f i r t el o w e rb o u n d u p p e rb o u n dt a r g e t d e s i r e dv a l u e i m p o r t a m ：e 陷- r 1 7 5 100冒lower b o u n dd e 4 a u # 璐1 嘲 1 1 5 0 n op r e f e r e n c ed e f a 氓 d s _l2 6 5 08 4 0n op r e f e r e n o e f a 哦 r e s p o n s ep a r a m e t e r g o a l s 婪墅曼 ! 苎蟹竺!堕塾：型! 苎! 塑塑匹坚塑塑! 堕垒型 t o t a l 隗妇嘲m a , 撕n i u i t i 3 e - 0 0 4ml e s st h a et a r g e t 呐o f f e q u i v a n ts l r e s sm a x m u m k i l l i r l l u r r lp i 蓐s 龇d e f a u l lo n p a r tm a s sl i 艚l l m u r l lp o s s i l 叠ed e r a 嘛o n 图3 1 8 定义设计目标 4 7 山东大学硕十学位论文 皇璺曼曼皇曼曼曼曼鲁量葛曼曼尝曼曼曼曼i ii i , i i i 鼍曼鼍曼曼皇曼曼蔓曼曼曼曼曼曼量曼曼舅曼曼曼皇量曼量曼曼量寰蔓舅皇量量曼曼置 最后软件会给出三个优化的候选设计，根据计算结果比较得到最优方案，如 图3 1 9 所示。 c a n d i d a t ed e s i g r l s p a r a m e t e rc a n d i d a t eac a n d i d a t eb c a n d i d a t ec d s _ r 1 d su o s _ l 2 t o c a id e f o r m 甜0 1 1m a x i m u m e q u i v a w ts t , e s sm a x i l l l g m p a n m a s s 7 6 5 8 8露疑 1 1 4 5 5 “ 髓1 岛2 2 3 0 2 4 e 瑚d m 龠 7 7 0 2 9 e * 0 0 7p a 霄 2 6 3 1 7 i 9黉雾穷 7 5 6 8 8 方旁努 1 1 0 3 ，3资 6 5 2 4 4 2 2 9 7 9 e - 0 0 4f f i努 8 4 9 7 3 e - - 0 0 7p a 衡 3 0 6 6 5 k g雾穷 8 3 们3穷 嘲0 8 ” 8 1 6 9 2 9 弛l e - 0 0 4m一 8 0 5 6 e + 0 0 7 户a 努 2 6 5 2k g 雾穷穷 图3 1 9 优化结果 选择方案b ，将优化前后的模型进行应力和应变分析，性能对比如表3 5 所 示。从表中可以看出，在主轴变形、受力许用范围内，质量比原来减少了1 9 6 。 表3 5 优化结果对比 指标优化前优化后变化率 d s l 1 1 1 3 9 r a m1 1 0 3 3m m3 1 3 d s l 2 8 3 9 m m6 5 2 4 m m- 2 2 2 d s - r 1 0 0 m m7 5 7 m m2 4 3 最大变形 o 1 8 m m0 2 3 0 m m2 7 8 最大等效应力 6 2 9 m p a8 5 0m p a3 5 1 主轴质量 6 3 3 4 k g3 0 6 7 k g 5 1 7 3 7 本章小结 ( 1 ) 根据主轴设计要求，对主轴进行结构设计，确定主轴轴系结构。 ( 2 ) 在a w e 优化环境下，将s o l i d w o r k s 软件建立的主轴模型直接导入，实现 s o l i d w o r k s 设计、c a e 分析的协同和管理。对主轴有限元模型，并行的进行零件 的静力学分析、动力学分析以及疲劳分析。 ( 3 ) 在主轴动静特性分析的基础上，运用v t 模块对主轴进行了优化，在刚度 和强度满足的情况下，使得主轴的质量减轻了5 0 以上，得到综合指标趋向最好 的主动轮主轴