（机械工程专业论文）基于正弦机构的曲轴复合车削刀架系统的研究.pdf

中文摘要 曲轴加工复合车床通过随动车削的方式对曲轴连杆轴颈进行加工。本文拟采 用正弦刀架机构来实现随动车削。通过对随动车削曲轴连杆轴颈的过程迸行分析 计算，总结出能够完成随动车削的两个必要条件。利用a d a m s 软件对正弦刀架机 构和曲轴组成的系统进行仿真，计算出刀尖点在切削运动过程中的轨迹，证明正 弦机构满足随动车削的两个必要条件。接着将进一步对刀尖点相对于连杆轴颈表 面上点的相对运动进行研究，当曲轴和刀架机构同步转动时，得到了刀尖点绕曲 轴连杆轴颈做圆周运动，而且圆的半径刚好等于轴颈的半径。根据上面的研究可 以说明正弦刀架机构可以完成曲轴连杆轴颈的随动车削。 刀架的曲柄长度必须等于曲轴的曲柄长度，加工不同类型的曲轴时，就要对 刀架的曲轴长度进行调整。经过分析，确定了曲柄长度调整方式，将曲柄截断并 通过转动副进行连接，然后利用机构自身转动来实现自动调整。对具体的调整过 程进行了分析，同时完成了曲柄转动角的计算。对导轨进行选择，并计算导轨在 工作状态下的受力，以此为依据进行导轨寿命的计算。完成刀架机构的总体结构 设计，通过p r o e 软件建立刀架的三维模型。 对正弦机构进行运动学分析，求解出正弦机构各个部件的速度、加速度表达 式。利用a d a m s 软件进行虚拟仿真，验证运动学分析的结果，并对运动过程 中产生的惯性力进行分析。根据仿真分析的结果提出刀架机构动平衡的总体方 案，进行动平衡装置的设计，最后利用a d a m s 软件分析安装了动平衡装置后 的刀架机构的惯性力，以验证动平衡装置的效果，仿真结果表明动平衡装置能够 平衡刀架机构的惯性力，达到了预期的效果。 对刀架机构中的重要部件进行有限元分析。计算刀盘在载荷作用下所产生的 节点位移、应力、应变情况，对得出的位移、应力、应变云图进行分析。对刀盘 进行模态分析，得出刀盘的固有频率以及振型等动态特性。分析结果表明刀盘满 足设计要求。上述分析结果可以为刀盘的结构改进和结构优化提供参考依据。 关键词：随动车削，正弦机构，曲柄长度调整，动平衡，运动学仿真 a b s t r a c t t h ec r a n k s h a f tm a c h i n i n gc o m p l e xl a t h et u r n e dt h ec r a n ka l t nj o u r n a l 嘶mt h e w a yo fs e r v ot u r n i n gm e t h o d s t h el a t h eu s e ds i n em e c h a n i s mt oa c h i e v es e r v o t u r n i n g b ya n a l y z e dt h ep r o c e s s i n go fs e r v ot u r n i n g ，t w on e c e s s a r yc o n d i t i o n so f c o m p l e t i n gt h e s e r v oc u t t i n gw a ss u m m e du p u s i n gt h ea d a m ss o r w a r et o s i m u l a t et h es y s t e mc o m p o s e do fs i n et u r r e tm e c h a n i s ma n dc r a n k s h a f ti no r d e rt o c a l c u l a t et h et r a j e c t o r yo ft h et i pp o i n ti nt h ep r o c e s so fc u t t i n gm o t i o na n dp r o v et h e s i n em e c h a n i s mt om e e tn l et w on e c e s s a r yc o n d i t i o n sf o rs e l v ot u r n i n g a _ f k rt h a t , i t d i df u r t h e rs t u d yo nr e l a t i v em o t i o nb e t w e e nv e r t e xo ft o o la n dp o i n to ft h ec r a n ka r m j o u r n a lb yu s i n ga d a m s s o f t w a r e w h e nt h ec r a n k s h a f ta n dt o o lm o u n tm e c h a n i s m m a d es y n c h r o n o u sr o t a t i o n ，t h et r a j e c t o r yo fv e r t e xo ft o o lw a sa l s oac i r c l ew h i c hh a d t h es a m er a d i u sf i t sc r a n ka l t nj o u i l a l a 1 lt h i ss t u d yc o n c l u d e dt h a tt h e s i n e m e c h a n i s mc o u l df i n i s ht h et u r n i n gm e t h o d so f t h ec r a n ka r l n t h ec r a n ko ft u r r e tm u s te q u a lt ot h el e n g t ho fs i d ea n no fc r a n k s h a f t ，i tn e e dt o c h a n g et h el e n g t ho fc r a n ko ft u r r e tw h e np r o c e s s e dd i f f e r e n tc r a n k s h a f t t h ew a yo f c h a n g i n gt h el e n g t ho fc r a n kh a db e e nd e t e n n i n e d t h ec r a n kh a db e e ni n t e r r u p t e d a n db e e nc o n n e c t i o nw i t hr o t a t i o np a i r , t h e ni tm a d ec h a n g eb yc h a n g i n gt h e p o s i t i o n a lr e l a t i o n s h i po ft w op a r t s s p e c i f i ca d j u s t m e n tp r o c e s s i n gh a db e e na n a l r z e d ， a n dt h er o t a t i o na n g l eo fc r a n kh a db e e nc a l c u l a t e da tt h es a m et i m e a tl a s t c o m p l e t i n gt h ed e s i g no ft h et u r r e t , a n de s t a b l i s h i n gt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo f t h et u r r e ti np r o | es o f t w a r e d ot h ek i n e m a t i c a la n a l y s i so ft h e s i n ei n s t i t u t i o n st os o l v et h es p e e da n d a c c e l e r a t i o no fe v e r yp a r t so ft h es i n ei n s t i t u t i o n s t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo f t u r r e ts h o u l db ei m p o r t e di n t oa d a m ss o f t w a r e t h e n , d ot h ev i r t u a ls i m u l a t i o n , t o v e r i f yt h er e s u l t so f k i n e m a t i c a la n a l y s i s ，a n dd ot h ea n a l y s i so f t h ei n e i t i af o r c eo f t h e m o v e m e n t a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h et u r r e t , w es h o u l d d e t e r m i n et h eo v e r a l lp r o g r a mo fb o d yb a l a n c i n ga n dd e s i g nt h ed y n a m i cb a l a n c i n g d e v i c e f i n a l l y , t h et h r e e - d i m e n s i o n a lo ft u r r e ti n s t a l l e dt h ei n e r t i af o r c eb a l a n c i n g d e v i c ew a si m p o r t e di n t oa d a m ss o f t w a r ei no r d e rt ov e r i f yt h ee f f e c to fb a l a n c i n g d e v i c e s ，a n dt h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o ns h o u l db ee v a l u a t e d d i dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fi m p o r t a n tp a r t so ft h et u r r e t ，a n dc a l c u l a t e dt h e d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sa n ds t r a i no fn o d e so fc u r e r w ea l s od i dt h em o d a la n a l y s i s ， a n dc a l c u l a t e dt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h em o d e so ft h ec u t t e r a tl a s t , w es h o u l d i i e v a l 吼t et h er e s u i t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h er e s u l t ss h o w t h a tt h ed e s i g no f t h ec u t t e ri sr e a s o 似b l e a l lt h er e s u l t s c a np r o v i d ear e f e r e n c e f o rs t r u c t u r m i m p r o v e m e n t s k e y w o r d ：s e r v om m i n g ，s i n em e c h a n i s m ，c h a n g i n gt h e l e n g t ho ft h ec r a n k d y n a m i eb a l a n c e ，s i m u l a t i o n m 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的目的 第1 章绪论 近年来，国内汽车市场发展较快，并有持续高速发展的趋势，据有关部门 发布的最新统计资料显示，我国汽车销售量从2 0 0 3 年开始进入上升通道，并且 迅速增长，2 0 1 0 年汽车销量大幅增长，涨幅超过3 6 。曲轴是发动机的核心部 件之一，随着汽车销售量的增大，市场对曲轴的需求也会越来越高。 从进几十年的发展来看，世界汽车工业强国十分重视曲轴的加工，不断地 提出新的曲轴加工工艺，并且基于新的加工工艺研发出许多优秀的曲轴加工设 备，使得曲轴加工的技术水平有了很大的提高。详细调查国内曲轴加工和生产 的现状后，我们发现国内发动机的制造设备绝大部分是从国外引进，发动机中 的缸体、缸盖、曲轴等重要零部件的生产设备8 0 是从国外引进的，国内品牌所 占的市场份额非常小。因此，为了打破国外产品的垄断，研发一款有自主知识 产权的新型曲轴加工机床是非常有必要的。 1 2 课题研究的意义 目前，我国汽车发动机的加工装备水平与国外汽车制造业发达国家相比仍 然有较大差距，一些相对落后的加工设备如：摇臂钻床、凸轮仿形车床、卧式 车床、曲轴多刀车床等仍然在大量使用，这些加工设备生产加工精度较低、效 率也不高，柔性化程度也较差，在曲轴加工设备方面更为如此。一些关键技术 和设备基本还是依赖进口，而国外一些先进设备价格较为昂贵。 针对曲轴连杆颈外圆跟随车削方法进行基础理论研究，由此形成的曲轴连 杆颈外圆车削新技术以及曲轴外圆高速、高效、高精度车削新机床，对提升我 国汽车零部件装备制造业的技术创新能力和市场竞争力，带动相关企业的发展 具有积极的促进作用，对我国汽车制造领域和装备制造领域的发展都具有极为 重要的意义。因此，加大在曲轴加工方法方面的创新研究，创立曲轴加工设备 的民族品牌，这不仅有利于推动整个国内曲轴加工的整体水平，而且能有效增 强我国的国际竞争力。 武汉理工大学硕士学位论文 1 。3 曲轴j 口- r 技术概述 曲轴是汽车发动机的主要核心工作部件，它与连杆相连接，将连杆机构的 上下往复运动转换成循环的旋转运动。它由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、 前端和后端等组成，其材料一般采用锻钢或者球墨铸铁，并且为提高它的综合 性能一般需要进行调质处理。 工作时，曲轴不仅需要承受气体的压力、连杆产生的惯性力和惯性力矩的 作用，还要承受交变负荷的冲击作用，这些力往往都较大而且较为复杂。另外， 由于连杆传来的力是周期性变化的，在某些瞬时还是冲击性的。上述这些周期 作用着的力，还将引起曲轴的扭转振动而产生附加应力，曲轴的转速很高，它 与轴承之间的相对滑动速度很大。 为了保证曲轴能够安全可靠的进行工作，要求曲轴必须具有足够的刚度和强 度，良好的耐冲击性能以及耐磨性能，并且需要良好的润滑。为了提高疲劳强 度，还经过特殊的处理，例如：淬火、滚压强化等独特的工艺措施。 1 3 1 曲轴的粗加工和半精加工工艺总结 回顾近半个世纪的曲轴加工工艺发展，笔者认为曲轴主轴颈和连杆轴颈的 粗加工和半精加工工艺可以分为以下几种类型n 吲：传统的曲轴主轴颈及连杆轴 颈的多刀车削工艺；数控车削工艺；数控内铣铣削工艺；数控车一拉工艺和数 控车一车拉工艺：数控高速外铣工艺；复合加工工艺。下面将分别对各年代的 主要加工工艺做简要介绍和评价： 曲轴主轴颈及连杆轴颈的多刀车削工艺是最传统的加工工艺，在上个世纪 7 0 年代之前，发动机曲轴的主轴颈和连杆轴颈的粗加工主要采取这种工艺。这 种加工工艺的加工精度低、柔性差、加工质量的稳定性也不高，并且在加工过 程中还会产生很大的内应力，加工的余量也不容易控制。由于加工过程中产生 的内应力的存在，需要在粗加工后进行去应力退火处理以消除内应力，同时为 了消除热处理过程中出现的弯曲变形量，需要在粗加工的时候为后面的精加工 预留足够的加工余量。而曲轴的精加工则一般采用磨削工艺，比如利用m q 8 2 6 0 曲轴磨床完成粗磨、半精磨、精磨和抛光等工序。由于整个加工过程基本依靠 手工操作完成，因此产品质量的稳定性不高，废品率较高。 数控车削加工工艺兴起于上世纪7 0 年代末8 0 年代初，数控车削设备具有价 格相对便宜和所需刀具简单等突出优点，但缺点在于它仅仅适用于小批量生产。 2 武汉理工大学硕士学位论文 数控内铣铣削工艺出现于上世纪8 0 年代中期，并广泛运用于曲轴的粗加 工。数控内铣加工性能指标一般高于数控外铣，其突出特点在于加曲轴时与外 铣工艺相比更有利于断屑，对于锻钢曲轴而言这种优势尤为突出。精加工一般 采用半自动曲轴磨床，加工精度与过去相比有所提高。但是铣削方法也存在一 定的不足：铣削的断续切削运动使得加工而成的曲轴外圆实际形状为一个多边 棱形加大了后续磨削工序的加工余量；另外，断续切削引起的振动和噪声大， 铣刀盘的更换和调整技术要求高，对机床操作者有较高要求。 上世纪8 0 年代中期至1 9 0 年代初出现了数控车一拉工艺睁1 町和数控车车拉 工艺。该工艺具有精度高、效率高、加工后的曲轴无需初磨就可直接进行精磨 加工等优点，比较擅长加工平衡块侧面不需要加工且轴颈有沉割槽( 包括轴向 沉割槽) 的曲轴。数控磨床磨削工艺已经出现在曲轴的精加工中，因此改善了 尺寸的一致性。车拉工艺的不足之处主要在于：以连杆颈中心为工件旋转中心 进行曲轴连杆颈外圆的加工时，为了防止工件的加工质量受到工件旋转产生的 离心惯性力的影响，必须对机床主轴和工件组成的系统进行实时动平衡，这样 一来机床的制造成本就会大大增加；而以连杆颈轴线为旋转中心进行加工时， 工件较大偏心质量使得机床需要添加很大的配重来实现动平衡，这样会使整个 机床主轴与工件组成的系统的惯量特别大，造成机床启动和停止的困难；另外， 车拉加工的多次装夹和定位会造成多次定位误差。 2 0 世纪9 0 年代出现了一种新型的曲轴加工工艺即数控高速外铣加工工艺。 这种加工工艺适用范围较广，其中双刀盘数控高速外铣工艺由于具有较高的加 工效率、产品稳定性以及高度自动化等特点迅速成为曲轴粗加工的重点研究方 向。 1 3 2 曲轴的精加工工艺 在实际生产过程中传统的加工工艺是采用磨削工艺来进行曲轴的精加工， 通常采用线速度为3 5 m s 的磨床，在加工过程中由手动操作完成砂轮的进给和修 整。这种加工工艺的缺点是轴颈和台肩加工余量较大，砂轮耐用度低，对操作 人员素质要求高。经过数十年的发展，新的曲轴磨削加工工艺不断涌现，比如 单序加工和复合加工等。单序加工有加工效率高、加工后各轴颈的一致性较好、 容易控制轴颈跳动量等优点，缺点在于其加工柔性较差，只能加工一个系列的 产品，曲轴的前端和后端可用宽砂轮组合磨削。例如五砂轮磨削四拐曲轴主轴 3 武汉理工大学硕士学位论文 颈、双砂轮磨削四拐曲轴连杆工艺： 图1 - 1 五砂轮磨削主轴颈 图1 - 2 双砂轮磨削连杆颈 4 武汉理工大学硕士学位论文 复合加工n 卜1 5 1 是指一次装夹磨削所有主轴颈和连杆轴颈，在磨削连杆轴颈时 采用柔性化程度较高的摆动跟踪磨削技术。复合加工可以采用的两种加工工艺 即顺序磨削主轴轴颈及连杆轴颈和同步磨削主轴轴颈及连杆轴颈。 图1 - 3 顺序磨削主轴颈和连杆颈 图1 - 4 同步磨削主轴颈和连杆颈 为了适应市场的需要，要求现代曲轴磨床既要有很高的静态、动态刚度和 加工精度，同时还要求具有很高的磨削效率和更好的加工柔性。这就要求机床 具有很先进的驱动和自动控制技术、很精密的测量控制技术、硬度更高的加工 武汉理工大学硕士学位论文 用砂轮材料以及更加合理的机床部件设计。曲轴连杆轴颈的随动磨削工艺正是 以上先进技术在现代磨削机床上的集中体现。曲轴连杆颈的加工效率、加工柔 性以及精度在使用了这种随动磨削加工工艺以后均得到了很大的提高。 a ：x 轴( 砂轮) 跟随运动；b ：c 轴( 工件) 的旋转方向；r ：曲轴旋转的角 度；s 2 ：冲程半径；r 1 ：砂轮半径；d 1 ：连杆颈直径 图1 - 5 连杆颈跟随磨削的运动原理 采用曲轴连杆颈随动磨削加工技术进行连杆颈加工时，曲轴以主轴颈中心 线为旋转中心进行旋转，在一次装夹的前提下完成对主轴颈和连杆轴颈的磨削。 在加工的过程中，刀具进行往复摆动进给，跟踪加工绕主轴颈中心线高速旋转 的连杆颈。c b n 砂轮的出现和应用是实现连杆颈跟随磨削的关键，c b n 砂轮的高 硬度和耐磨性保证在磨削曲轴连杆颈时砂轮的直径几乎不变，因此大大简化了 运动学计算。同时c b n 砂轮的应用使得磨削加工的速度得到很大的提高，其加工 速度可达( 1 2 5 1 4 0 ) m s 甚至更高，加工速度的提高使得加工效率大大提高。 现代磨床必须要有较高的静、动态刚度和动态性能才能使这种新型加工工 艺的潜能得到充分的发挥。磨头的质量要足够小，以保证通过往复摆动进行跟 踪磨削时的运动质量较小；另外，直线电机的运用减少了回转运动和直线运动 之间相互转换的零部件，不仅使结构变得紧凑简单，而且还消除了回转运动和 直线运动之间相互转换时产生的传动间隙和误差，大大提高了磨头的动态性能 6 武汉理工大学硕士学位论文 和轴的动态性能及运动速度。 1 3 3 曲轴的复合加工技术 在2 0 0 0 年以后，曲轴加工出现新的加工工艺n 蝴1 即复合加工工艺，采用此 工艺的复合机床具有工序集成的突出优势。国外在这方面具有代表性的是奥地 利的w f l 公司。该公司生产的卧式车铣复合加工中心能在一次装夹的情况下完 成所有粗加工工序，加工后的曲轴能直接进行精加工。而我国在这方面的代表 则为沈阳数控机床有限责任公司。该公司生产的c k z 8 0 5 车铣加工中心通过直 线光栅尺和圆度光栅尺检测从而实现五轴中四轴的闭环控制，提高加工精度， 并且该加工中心有非常完备的刀库，能实现自动换刀，可以在不改变装夹位置 的情况下一次性完成铣、车、钻以及攻丝等加工工序。而在曲轴精加工领域的 代表则为c b n 数控磨床，它能实现在不改变装夹位置的情况下的全部曲轴主轴 颈和连杆颈的磨削即摆动跟踪磨削工艺口4 别。 图1 - 6m 4 0 g 车铣复合加工中心 1 4 机床刀架研究方法及内容概述 本文以基于正弦机构的曲轴随动复合加工车床的刀架系统为研究对象，主 要研究内容如下： 1 首先要对曲轴随动复合车削的原理进行分析，总结出能够实现随动复合 车削的条件，然后说明正弦机构能够满足上述条件，并进一步研究刀尖点与曲 轴连杆颈上的对应点的相对运动规律，以验证采用正弦机构来执行曲轴连杆颈 随动切削任务的可行性。分析过程需要首先建立正弦机构和曲轴轴颈组成的随 7 武汉理工大学硕士学位论文 动切削模型系统，然后运用a d a m s 软件对简单模型的运动过程进行仿真分析。 2 完成曲柄长度调整方案的选型，设计出具体的调整机构，并推导出曲柄 转动角调整的具体表达式。 3 对整个刀架机构进行结构设计，包括部分零部件的选型和设计，最后运 用p r o e 软件建立三维模型 4 对刀架机构在运动过程中所产生的惯性力进行分析，提出刀架机构动平 衡的总体方案，并进行动平衡装置的设计；然后利用a d a m s 软件检查机构是否存 在干涉，分析安装了动平衡装置后的刀架机构的惯性力，以验证动平衡装置的 效果。 5 对重要零部件进行有限元计算，以验证刀架机构设计的合理性。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章正弦机构随动切削方式的研究及可行性验证 本章将针对正弦刀架机构随动切削方式进行研究。首先通过公式计算，推 导出对曲轴连杆轴颈进行随动车削加工过程中刀尖点的实际运动轨迹；然后建 立简单的正弦机构模型，利用a d a m s 软件对正弦刀架机构的随动切削方式进行运 动学仿真，得出机构中刀尖点和曲轴连杆轴颈表面上与刀尖点相对应的点的运 动规律，将两者的运动规律相比较得出两者之间的相对运动规律，以证明正弦 刀架机构可以完成曲轴连杆轴颈的随动车削，最后对随动车削原理进行详细阐 述。 2 1 随动切削方式的研究 本课题的研究对象是基于正弦机构的曲轴加工复合车床的刀架机构，该刀 架采用随动车削方式对曲轴连杆轴颈和主轴颈进行加工。随动加工方式在很多 曲轴加工机床中被采用，比如在数控高速外铣工艺中，通过建立曲轴旋转速度 和铣刀进给量的联动控制机制，从而实现在一次装夹的情况下随动跟踪铣削曲 轴连杆颈。高速外铣工艺是利用伺服控制技术来实现随动切削运动，而在本课 题中将采用另一种机构正弦刀架机构来实现曲轴连杆颈的随动车削。 曲轴连杆颈随动切削加工的过程如图2 - 1 所示。曲轴以主轴为旋转中心进行 旋转，刀具水平放置，刀具同步跟随曲轴连杆颈外圆进行高速高精度车削。曲 轴与机床主轴一起以速度转动。 慕 专天。 图2 - 1 连杆轴颈加工示意图 下面拟对夹具刀尖点a 的运动轨迹进行计算。我们将曲轴连杆轴颈运动到最 9 武汉理工大学硕士学位论文 高点时的情况作为初始位置，规定曲轴顺时针旋转的方向为正方向，曲轴连杆 轴颈的直径为r ，连杆侧臂的长度为l ，分别以主轴颈轴心和连杆轴颈轴心为原 点建立静坐标系和动坐标系。刀尖点在动坐标系o t x y 中的坐标方程为： x _ r - c o s o ( 2 _ 1 ) y = 一r s i n 0i 动坐标系原点0 相对静止坐标o x y 的坐标方程为： b 刊s 证9 ( 2 - 2 ) 咒，= 1 c o s oj 经分析得到动坐标系0 x y 和静坐标系o x y 之间的转换关系为： 弘x o , c o s o - y s i n 日 ( 2 - 3 ) y = y o + x s i n o + 夕c o s o j 将公式( 2 一1 ) 、( 2 2 ) 带入公式( 2 3 ) 中可以得到刀尖点a 在静止坐标系 中的坐标方程为： 肛小血尺( 2 圳 y = 1 c o s o j 将公式( 2 4 ) 的参数方程转化成轨迹方程为： ( x - r ) 2 + y 2 = ，2 ( 2 5 ) 从以上分析可以看出，刀具在对曲轴的连杆轴颈进行随动车削时，刀尖点 的实际运动轨迹是一个以曲轴连杆侧臂长为半径的圆。至此，可以总结出实现 随动切削的两个必要条件：1 刀具必须做圆周平动。2 刀具做圆周平动轨迹圆的 半径必须和曲轴连杆侧臂长度相等。本文拟采用正弦机构来带动刀具实现圆周 平动运动，从而实现随动切削，并且正弦机构的曲柄长度必须和曲轴连杆侧臂 长度相等。 2 2 正弦刀架机构的可行性分析 前面分析了刀具在对连杆轴颈进行随动车削时刀尖点的运动轨迹，并总结 出了能够实现随动切削的必要条件，接下来将分析采用正弦刀架机构进行随动 切削的可行性。利用a d a m s 软件对机构进行运动学仿真分析，将刀尖点和曲轴连 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 杆颈表面上与刀尖点相对应的一点作为研究对象，画出刀尖点的运动轨迹图， 说明刀尖点做圆周平动，满足随动切削的必要条件，求出刀尖点相对于曲轴连 杆颈表面上相对应点的运动规律，证明用正弦机构作为随动切削机构是可行的。 2 2 1 正弦刀架机构模型的建立 在a d a m s 软件中建立机构模型的方法有两种，一种是直接利用a d a m s 软件中 的建模命令进行建模。由于a d a m s 软件所提供的建模功能与p r o e 这种专业的建 模软件相比较为繁琐且效率不高，因此这种建模方式一般运用于模型结构较为 简单的结构中。另外一种是首先通过p r o e 进行建模然后利用p r o e 和a d m a s 间的 接口软件m e c h p r o 将模型导入，这种方法主要用于模型较复杂的结构中。由于只 需要建立简单的正弦机构模型进行运动学研究，机构结构并不复杂，因此选择 直接在a d a m s 软件中利用建模命令进行建模。在a d a m s 中建立正弦机构刀架的简 化几何模型，如图2 - 2 所示： o 一 曲柄 | ；、 f 。 图2 - 2 正弦刀架机构简化几何模型 图中正弦机构分别由导轨、平动滑块、曲柄组成，其中导轨和机架之间用 移动副进行约束，使得导轨在机架上沿着x 轴进行左右移动；平动滑块和导轨之 间也用移动副约束，使得平动滑块在导轨上沿着y 轴进行上下移动；曲柄和机架 之间用旋转副约束；曲轴和机架之间同样用旋转副约束。平动滑块的左端为刀 武汉理工大学硕士学位论文 尖点m a r k e r _ _ a ，与其重合的m a r k e r _ b 点为曲轴连杆轴颈表面上一点。经过测量 模型中曲柄长度为2 5 0 m m 与曲轴连杆侧臂长度相等，连杆轴颈半径为3 0 m m 。 2 2 3 正弦刀架机构的仿真及结果分析 在a d a m s 中进行运动学分析，施加电机驱动为3 6 0 。s ，并设置好仿真时间为 1 s ，步长为i 0 0 步，保证正弦刀架机构和曲轴同步转动。首先测量刀尖点的位置 随时间变化的规律，并绘制出刀尖点运动轨迹图，以证明刀具做圆周平动，满 足随动切削的必要条件。刀尖点相对于机架在x 轴方向的位移随时间变化规律如 图2 - 3 所示： “q l 征r a j - l c u - e n i i： - ! ； ” “ 弋、 厂；，：! ：； t 。 j j 、7 一； ； j j j ； ；t ：；| o 一二- ：， 口口19 工口)口4口9 口，口u u口 h t 曲 图2 - 3 刀尖点相对于机架在x 轴方向的位移变化规律 从曲线图中可以看出，刀尖点在x 轴方向的位移在6 7 0 - - - - 1 7 0 m m 之间呈正弦 规律变化，变化周期为0 1 秒。将位移最大值减去位移最小值得5 0 0 m m ，正好等 于曲柄长度的2 倍。最小刀尖点相对于机架在y 轴方向的位移随时间变化规律如 图2 - 4 所示： 董誊匿 堂二： o 5 0 0 ，2 o 矗鞠0 o o0o：0 3g 40 50 o ，r0 8o ，1 o 饥( 嘲 图2 4 刀尖点相对于机架在y 轴方向的位移变化规律 1 2 o o o o 口 o o 棚 埘 埘 埘 栅 棚 栅 l l e 善王 武汉理工大学硕士学位论文 从曲线图中可以看出，刀尖点在y 轴方向的位移在一2 5 0 - - 2 5 0 m m 之间呈余弦 规律变化，变化周期为0 1 秒。其曲线的最大值正好等于曲柄长度。下面转换坐 标轴，将x 方向的位移作为y 轴、以y 方向的位移为x 轴，将上述两条曲线转换到 一个坐标系下就得到刀尖点的运动轨迹如图2 5 所示： 嘲 翩 铷 琴7 享专i 、 ! ： ” 、 i ，7 图2 - 6m a r k e r _ a 相对于m a r k e r _ b 点在x 轴方向的位移随时间变化规律 搠 捌 武汉理工大学硕士学位论文 从曲线图中可以看出，m a r k e r _ a 相对于m a r k e r _ b 点在x 轴方向的位移在0 - 6 0 之间呈余弦规律变化，变化周期为0 1 秒。m a r k e r _ a 相对于m a r k e r _ b 点在y 轴 方向的位移随时间变化规律如图2 - 7 所示： r = = 五：二1 ：，一二：一： e 掣；_ ：。一l ：；一j ：一一： 厂、 ； 一二_ 。，_ _ 艾o 0 ，_ 一o “_ _ j 0 - - _ _ i 一- i i 一- 一 5 ： 之一”罗o vq口t 1u uj饥u ， n ，q d ，1p 伽“ 图2 7m a r k e r _ a 相对于m a r k e r _ b 点在y 轴方向的位移随时间变化规律 从曲线图中可以看出，m a r k e r _ a 相对于m a r k e r _ b 点在x 轴方向的位移在 一3 0 + 3 0 之间呈正弦规律变化，变化周期为0 1 秒。 以x 方向位移为x 轴、以y 方向位移为y 轴将以上两条曲线转换到一个坐标系 下，就可以得到两点相对运动轨迹曲线，如图2 - 8 所示： 嘲 | 嘲形! 墼豫o i ， ! ： 7 j ! ： 、 ；：! | 1 。 l ，j ， 。j j ：。 柚睫蚺蝉嘲 d 拍h 篇撇l a _ 攥 图2 8m a r k e r _ a 相对于m a r k e r _ b 点的运动轨迹 从上图中我们可以得到结论，当正弦机构刀架旋转一周后，m a r k e r _ a 相对 1 4 o o o o o o o 舢 ； ；言 m m 一 ； 童量 甜 淞 撇 舭 m 淞 -v工yij 武汉理工大学硕士学位论文 于m a r k e rb 的运动轨迹为一个圆，而且该圆的半径和连杆轴颈半径相等。因此 说明刀尖点可以紧贴着连杆轴颈进行相对转动，完成切削任务。 经过仿真验证，可以说明正弦刀架机构能够实现对曲轴连杆轴颈的随动车 削，车削原理如下：将曲轴安装到机床上，曲轴以主轴颈为旋转中心由机床主 轴带动进行高速旋转，曲轴连杆颈作平面回转运动。刀架机构为正弦机构，机 构的曲柄长度必须和曲轴连杆颈侧臂的长度相等。正弦机构的曲柄和被加工曲 轴连杆颈的曲柄一起做同相位同转速的旋转运动，从而带动车刀做跟随曲轴轴 颈的圆周平动。将曲轴轴颈的运动跟车刀的运动进行复合产生了车刀刀尖相对 于曲轴连杆颈做定轴转动的效果，从而实现车刀对曲柄轴颈的车削。 2 3 本章小结 对随动切削方式进行研究，总结出能够进行随动切削所需的必要条件。利 用a d a m s 软件建立简单的正弦机构模型，对由正弦机构和曲轴连杆轴颈组成的系 统进行仿真分析，证明正弦机构满足随动切削的条件，研究正弦机构刀尖点和 曲轴轴颈上与刀尖点相对应点的运动轨迹，验证了利用正弦刀架机构进行随动 切削的可行性。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章刀架结构设计 3 1 刀架曲柄长度调整方案的设计 曲轴的种类有很多，比如四缸机曲轴、六缸机曲轴等。不同类型的曲轴其 曲柄的长度是不一样的。当我们加工各种类型的曲轴时，我们必须调整正弦机 构刀架的曲柄长度使得刀架的曲柄长度和曲轴曲柄的长度相等，这样才能实现 对曲轴连杆轴颈的随动车削。 3 1 1 刀架曲柄长度调整的选型 实现刀架曲柄长度调整的方式有很多种，这里采用将正弦机构的曲柄截断， 然后通过添加不同的运动副将被截断的两部分连接起来的方法实现。在截断部 分添加移动副或者转动副均可达到改变实际曲柄长度的效果。使用移动副进行 曲柄长度调整示意图如图3 1 所示： 图3 1曲柄截断使用移动副 图3 1 中采用的是利用移动副将截断两杆进行连接的方式。这种方式是通过 被打断的两杆之间的相对直线运动实现曲柄长度的调整，如图所示通过增加使 b c 相对于c o + 做直线运动的执行机构来实现曲柄长度的调整。使用转动副进行 曲柄长度调整示意图如图3 - 2 所示： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 2 曲柄截断使用转动副 图3 2 采用的是用转动副将截断两杆进行连接的方式。这种调整方式是通过 被截断两杆绕c 点相对转动来实现曲柄长度调整的。曲柄长度调整方法如图3 3 所示： 图3 3 调整曲柄长度 如图所示通过转动b c 绕c 点转动来实现。图中bd 的长度即为调整后曲柄 的长度。 结合刀架机构的实际情况考虑，本文拟采用截断曲柄增加转动副的连接方 式来实现曲柄长度的调整，因为这种方式可以简化结构同时也有利于实现自动 化调整。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 0 1 2 刀架曲柄长度调整方案的设计 不： 正弦机构曲柄长度调整的机构由一根轴和一根曲轴组合而成，如图3 - 4 所 图3 4 曲柄长度调整机构 轴l 上有一个孔，轴2 穿过孔装到轴1 上。将轴1 和轴2 固连在一起，整个机构 以轴l 的中心线为旋转中心进行旋转。曲柄的长度为l 如图所示。 当需要调整曲柄长度时，转动轴2 以改变轴l 和轴2 的相对位置，通过相对位 置的改变来调整曲柄长度。如下图3 - 5 所示： 形g ， 、 弋。夕 入 1 义l 。o 轴2 轴1 图3 5 调整后曲柄长度 转动轴2 以后曲柄o b 的长度发生变化，实际长度为l 。 当轴2 绕点a 转动一周时，曲柄的长度会跟随绕a 点转动的角度而发生变化， 转动过程中会出现一个最大值k 和一个最小值k ，曲柄长度的变化范围为： 三血三三妇。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 设o a = a ，a b = b ，z b a o = a 则： 当a = 1 8 0 。时，此时曲柄长度最大。 曲柄长度为：o b = o a + a b = a + b ， 当a = 0 。时，此时曲柄长度最小。 曲柄长度为：o b = a b - o a = b a ， 在a o a b 中，由余弦定理得： o b 2 ：a 0 2 + a b 2 2 a 0 a b c s a 即r = a 2 + 6 2 2 a b c o s a ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 由此得曲柄长度三：4 a 2 + b 2 - 2 - a b - c o s a ( 3 3 ) 通过给定曲柄长度计算转动角度的关系式为： 口。s ( 笔) ( 3 - 4 ) 运用这个机构，当需要加工不同类型的曲轴时，就可以通过控制转动a 角 的大小实现对刀架曲柄的长度的调整。由于公式( 3 - 4 ) 中所有的数据均是已知 的，我们可以利用计算机编程，直接输入需要加工的曲轴的曲柄长度，通过计 算机计算出需要转动的角度，然后调整机构进行曲柄长度的调节。 3 2 圆周平动机构的设计 由前一章的论证我们知道，正弦机构能够实现刀具的圆周平动并且能够实 现曲轴连杆颈的随动切削，下面将基于正弦机构进行刀架运动执行机构的结构 设计。拟采用的结构设计方案如下： 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 图3 6 平动机构对应关系图 5 一传动轴6 一换刀盘7 一往复滑动板8 一刀盘 正弦机构简图中构件1 对应于刀架圆周平动机构的传动轴5 ，通过轴5 传输动 力带动整个圆周平动机构运动。构件4 对应于换刀盘6 ，加工时换刀盘固定在机 架上，换刀盘为圆盘形，换刀盘沿圆周方向切出齿形，便于实现自动换刀。同 时换刀盘上安装有直线导轨，以保证水平方向的直线运动。构件2 对应于往复滑 动板7 ，在往复滑动板上安装有4 个滑块，与换刀盘上的导轨相配合，完成水平 方向的直线运动，同时在滑动板的另一侧也布置有导轨，以保证竖直方向上的 直线运动。构件3 对应于刀盘，在刀盘上同样安装有四个滑块与滑动板上的导轨 相配合，完成竖直方向的直线运动。通过水平和竖直两个方向的直线导轨的约 束，最终实现刀盘的圆周平动。 3 2 1 直线导轨的选择 导轨的种类和型号多种多样，选用的时候可以根据自身的需要自行设计， 也可以选择市场上比较成熟的产品直接使用。本机构为了简化设计，降低制造 成本，经过比较，最终决定选用直线滚动导轨。 直线滚动导轨是成熟的产品，它具有如下优点： 1 定位精度高 由于滚动导轨的摩擦类型为滚动摩擦，因此滚动导轨的摩擦系数非常小， 武汉理工大学硕士学位论文 其值约为滑动导轨的1 5 0 。另外，由于动静摩擦系数相差较小，大大减小了驱 动扭矩，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。 2 降低机床造价并节约电能 由于直线滚动导轨的摩擦阻力较小，使得传动构件的尺寸相对减小，减轻 了质量，因此降低了驱动机床所需电能，起到节能的作用。 3 提高机床的运动速度 与滑动导轨相比，滚动导轨有摩擦阻力小的优势，其运动所产生的热量也 相对较小，因此更能适应机床高速运动的需要，提高其工作效率。 4 可长期维持机床的高精度 采用流体润滑的滑动导轨面无法避免润滑油膜浮动所产生的运动精度误 差。大多数情况下，流体润滑只存在于边界区域，由金属接触而产生的直接摩 擦是无法避免的，大量的能量在这种摩擦中以热量的形式消耗并浪费掉了。与 之相反，滚动接触能大大减小摩擦损耗，使得直线导轨长时间保持在高精度状 态。另外，直线滚动导轨润滑方便，仅需润滑脂润滑，能够大大简化润滑系统 的设计，方便直线滚动导轨的使用和维护。 综上所述，选择采用两层直线滚动导轨来形成两个移动副进行约束。 直线滚动导轨选用上银科技股份有限公司生产的h i w i n 直线导轨，该公司 生产的h i w i n 直线导轨有以下几种系列产品：( 1 ) h g 系列主要用于磨床、铣 床、车床、钻床等机床。( 2 ) e g 系列主要用于产业自动化机械、半导体机械、 雷射雕刻机等。( 3 ) m g n m g w 系列主要用于印表机、机器手臂、电子仪器设 备、半导体设备等。( 4 ) r g 系列主要用于c n c 加工机、重切削加工机、c n c 磨床、大型龙门机床等重型加工设备。 刀架机构为复合车削机床的一部分，属于机床故选用h g 系列产品，选择 h g h 3 0 c a 型号的四方形导轨。其截面结构如图3 7 所示： 图3 7h g 系列导轨截面图 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 直线滚动导轨寿命的计算 直线导轨的使用寿命是根据滑块的动额定负载与工作负载的负荷比推算出 来的，而单个滑块的工作负载则由直线导轨的型式、规格、工况来计算，其计 算公式如下： ( 3 5 ) 其中，l 寿命；厶硬度系数；f 温度系数；c 基本动额定负载；耳工作负 载；名负荷系数。 直线导轨珠道表面硬度要求为h r c 5 8 6 2 ，如果硬度值达不到要求，那么 需要乘以对应的硬度系数，h i w i n 出场的导轨硬度h r c 5 8 ，故硬度系数 厶= 1 ；当导轨工作环境的温度高于1 0 0 。时会对导轨材质有影响，进而会降低其 寿命，由于该导轨是在室温工作的，显然低于1 0 0 。，故取温度系数，：= 1 。作用 于直线导轨上的负荷，除了自重、惯性负荷外，还有因运动伴随的