（机械设计及理论专业论文）自动调整臂车削中的动平衡问题研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 形状不规则零件的动不平衡对机床的影响很大，本文讨论的是汽车制动机 构中的重要零件自动调整臂的动平衡校正问题及其仿真的研究，自动调整臂零 件的形状非常复杂，其质量中心和转动中心有很大的距离，并且惯性中心和转 动中心有很大的偏移。总之，零件具有很大的动不平衡，需要进行动平衡校正。 但是由于零件的结构特征所限不能直接的在零件上施加平衡校正质量。为了平 衡校正和零件将来的加工，设计了一个便于安装校正质量的工装夹具，然后把 零件和工装组合在一起进行动平衡校f 。经过理论上的分析、计算和校正，得 到了校正质量的大小和相位。然后模拟平衡机的结构车床主轴的支撑方式对其 运动和受力进行仿真分析，并模拟加工时的状况分析支撑的受力情况，得出了 一定的结论。具体研究内容如下： i ) 建立了自动调整臂的几何模型，通过分析其质量特性和不平衡特性，设 计了车削加工其内孑l 用的工装夹具，并在此工装的基础上设计了安装平衡校正 质量的装置。 2 ) 对工装零件整体进行理论上的不平衡计算。并分析其不平衡的特性。然 后对工装整体进行理论上的平衡校正以及精度和误差分析。 3 ) 分析动平衡机的特性，对工装与零件模拟平衡机的主要结构和车床主轴 的支撑方式进行动平衡的仿真分析，接着分析各个转速下支撑的受力情况，得 到满足使用要求的转速值。然后深入讨论零件尺寸变化时的平衡精度情况，以 及考虑零件受到切削力时，支撑的受力情况和动平衡的效果，并得到了相应的 结论。 论文最后在总结全文的基础上对该项研究的前景进行了展望。 关键词：动平衡，静不平衡，偶不平衡，惯性张量 武汉理工大学硕士学位论文 t h ei n f l u e n c eo ft h eu n b a l a n c ep a r tt ot h em a c h i n et o o l si sv e r yb i g , t h et e x tw e d i s c u s s e di st h ep r o b l e mo ft h eu n b a l a n c eo ft h ei m p o r t a n tp a r to ft h eb r a k e m e c h a n i c a lo ft h ec a r , t h es h a p eo ft h ep a r ti sv e r yc o m p l e xa n di t sq u a l i t yc e n t e ra n d r u n n i n gc e n t e rh a v es o m ed i s t a n c e a n di t sr u n n i n ga x i sa n di t si n e r t i aa x i sh a sa l s oa l i t t l ea n g l e i naw o r d ，i th a sg r e a tu n b a l a n c e ，i tn e e db eb a l a n c e d b e c a u s et h i sp a r t c a n tb ea d d e db a l a l i c eq u a l i t yd i r e c t l ya st h el i m i t a t i o no ft h ec o n d i t i o n i no r d e rt o b a l a n c ea n dm a c h i n i n gt h ep a r t ，w ed e s i g nac l a m pw h i c hi se a s yt oi n s t a l lt h e b a l a n c eq u a l i t y t h e na s s e m b l et h e mt od ot h eb a l a n c e ，a f t e rc o m p u t i n g 、a n a l y s i sa n d b a l a n c ei tj nt h e o r y , g e tt h eb u l ka n dd i r e c t i o no ft h eb a l a n c eq u a l i t y , t h e nh a v ea e m u l a t i o na n a l y s i st ot h e i rm o v e m e n ta n df o r c eb ys i m u l a t i n gt h em o d eo fb a l a n t e m a c h i n ea n dt h es u p p o r tm o d eo ft h el a t h e sm a i ns h a f t ，t h e ns i m u l a t et h em a c h i n i n g s i t u a t i o na n dm e a s u r et h ef o i c et ot h eb r a c e ，t h e no b t a i ns o m ec o n c l u s i o n t h ed e t a i l c o n t e x ti sn e x t 1s e t t i n gu pt h em o d e lo ft h ea u t o r e g u l a t i o na r r f l ，b ya n a l y z i n gi t q u a l i t y s p e c i a l t ya n du n b a l a n c ec h a r a c t e r i s t i cw ed e s i g n e dt h ec l a m pw h i c hi s u s e df o r m a c h i n i n gi t s i n n e rw h o l e a n dd e s i g nt h ed e v i c eo fi n s t a l l i n gt h ee m e n d a t i o n q u a l i t y 2c o m p u t i n gt h et h e o r e t i cu n b a l a n c eo ft l l ep a r t a n da n a l y z ei t su n b a l a n c e c h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h e nh a v eat h e o r e t i cb a l a n c ee m e n d a t i o na n di t sp r e c i s i o na n d e r r o ra n a l y s i s 3a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eb a l a n c em a c h i n e ，a n dh a v eae m u l a t i o n a n a l y s i st ot h ec l a m pa n di t sp a r tb ys i m u l a t i n gt h em o d eo f b a l a n c em a c h i n ea n d t h es u p p o r to ft h em a i ns h a f to ft h el a t h e t h e na n a l y z et h es u p p o r t sf o r c ei ns o m e r o t a t i n gs p e e d ，g e t t h es p e e d s a r i s f y i n gt h eu s e t h e nd i s c u s sd e e p l ya b o u tt h e p r e c i s i o no ft h eb a l a n c ew h e nt h ep a r t sd i m e n s i o ni sc h a n g e d ，a n dw h e nt h i n k i n g t h ec u t t i n gf o r c e ，h o wa b o u tt h es u p p o r tf o r c ea n dt h eb a l a n c ee f f e c t ，a n dt h e ng e t s o m ec o n c l u s i o n k e yw o r d s ：d y n a m i cb a l a n c e 、s t a t i cu n b a l a n c e 、c o u p l eu n b a l a n c e 、i n e r t i at e n s o r 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 自动调整臂及其制造概述 制动间隙自动调整臂在国外是一个比较成熟的重型车制动配件，欧美的一 些汽车发达国家早已将制动间隙自动调整臂作为一种标准件来使用。近几年随 着汽车工业的发展及公路状况的改善，用户对汽车的制动性能越来越重视，要 求也越来越高，制动间隙自动调整臂正逐渐得到推广和应用。 自动调整臂的原理：自动调整臂能自动、及时的调整由磨损而增大的问隙， 它基本上属于连续调节，使制动间隙始终保持在设计范围内，而且各制动器的 间隙达到一致，制动分室活塞始终在最小行程下工作。 国外一些厂家开发研制的自动调整装置，采用不同的方法，构思非常巧妙。 下面介绍一种由瑞典h a l d e x 公司生产的自动调整臂的工作原理。 1 1 1 制动过程 当制动器因制动衬片磨损使制动间隙增大时，制动分室活塞行程和调整臂 对应的转角由三部分组成，如图1 所示。正常间隙角c ：制动摩擦衬片与鼓之 间设置的最小间隙c c ：车辆使用过程中，由于摩擦衬片磨损增大的间隙，是需 要调整的间隙；弹性角e 是制动受力元件制动鼓等受制动力而产生的弹性变形。 图1 调整臂偏移角度1 3 j 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 自动调整装置的组成 如图2 所示，自动调整臂壳体内装有蜗杆和蜗轮，这与手动调节装置的结 构是一样的，出于保险起见在蜗杆的左端仍有外露的六角螺母，可人为地调节 过量间隙。在蜗杆上装有个单向离合器：由离合环、矩形弹簧、齿轮组成， 离合环有内锥齿，与蜗杆上的外锥齿形成第二离合器。在控制臂上有一缺口a 对应于间隙角度( c ) ，即摩擦衬片和制动鼓间正常间隙。齿条在缺口上下滑动， 与齿轮啮合，齿条内有定位弹簧和回位弹簧，在蜗杆右端有一预紧弹簧。缺口 的大小由h a l d e x 公司根据各用户的制动器规格参数确定。 1 1 3 调整原理 图2 h a l d e x 型自动调整臂结构p 1 初始状态：当不制动时，齿条停留在缺口的上沿，有过量间隙时的制动过 程：壳体带动整套装置向箭头方向转动，齿条在控制臂缺口上沿向下移动，至 缺口下沿，调整臂已消除了正常间隙角c ，壳体继续左转，齿条被缺口挡住不 动，与之啮合的单向离合器齿轮随壳体左转，在齿条上顺时针纯滚，记录下过 量间隙c c ，同时压下齿条后面的回位弹簧，此时，摩擦衬片与制动鼓接触，制 动力矩增大，同时作用在凸轮轴上的制动反力矩增大，使蜗轮带动蜗杆推动预 紧弹簧向右轴向移动一间隙，蜗杆与离合环脱开。壳体继续转动，克服制动受 力元件的弹性变形，克服制动受力元件的弹性变形，齿轮在齿条上又顺时针纯 武汉理工大学硕士学位论文 滚了角度e 摩擦衬片紧紧压在制动鼓上，实施制动：有过量间隙时的放松制动 过程：放松制动时，制动分室回位弹簧拉动调整臂右转。调整臂回位弹簧推动 齿条上移，齿轮逆时针旋转，单向离合器起作用，带动离合环逆时针旋转弹性 角度e ，此时，弹簧衬片将与制动鼓分离，所以作用在凸轮轴上的反力矩减小， 预紧弹簧推动蜗杆向左轴向移动，离合环与蜗杆接合，齿条继续带动齿轮逆时 针旋转，蜗杆随之逆时针旋转，带动蜗轮即凸轮轴向工作方向转过角度c e ，使过 量间隙得以补偿。制动器恢复到正常间隙，调整臂继续回位，直到与制动分室 推杆处于垂直位置，齿条回到缺口上沿，完成一次调节i ”。 1 2 与本课题有关的国内外研究现状 不规则零件的动平衡及其加工的问题，现在研究的也不多，国内动平衡研 究的比较多的一般集中在一些比较常用的转子，比如风机的叶轮，汽车的车轮， 离心泵的叶轮等等。而对不规则零件的动平衡及其加工，主要集中在曲轴、曲 柄等质量较大的零件。而像自动调整臂这样的零件动平衡问题研究的不多，因 为一般而言，加工这类零件主要是用钻削的方法来进行，而用钻削的方法就无 需进行动平衡。下面看看国内外对各种零件动平衡方法的研究情况。 在传统的转子动力学中，分析计算的主要内容是转子弯曲振动的临界转速、 不平衡响应和稳定性分析及各种激励下的瞬态响应计算。有些转子系统还需要 计算扭转振动的固有频率和响应。从力学的角度来看，上述计算分析就是求解 一个机械系统的特征值和响应问题。对一个实际的工程机械来说，精确求解特 征值或响应是很困难的，特别是当自由度数较多时。发展到今天，现代的计算 方法可分为四大类：有限元法，模态综合法，传递矩阵法和动刚度法。 7 0 年代有人开始把有限元法用于转子动力学分析中。振动分析的有限元法 是建立在r a y l e i g h 原理基础上的直接变分近似法，基本思想就是将连续体看作 在节点彼此相连的若干单元的组合体，将无限自由度的连续体振动转化为多自 由度系统的振动，借助于线性代数方法分析，从而避开了连续系统振动必须求 解偏微分方程的问题。这种方法表达式简洁、规范；对于复杂结构，通过构造不 同的形函数，能较真实地模拟复杂物体的形状。但当单元划分的比较疏时，运 算结果的精度较低；单元划分的较密时，对大型转子系统，单元数目将会很大， 运算时间和对计算机内存的需求将大大增加。此外，有限元法编程也比较复杂。 武汉理工大学硕士学位论文 早在6 0 年代初，h u f f y 等人提出了模态综合法。其基本思想是把完整的结 构人为地肢解成若干子结构，首先对自由度少得多的各子结构进行模态分析， 分别取各子结构若干低阶模态。根据各子结构对接面位移协调条件或力平衡条 件把各子结构模态形状装配成整体运动方程，导出缩减自由度的综合特征值问 题。由于它大大缩聚了自由度使得内存需求降低，机时显著减少。不过，如果 子结构划分不合理、子结构保留模态数太少，将直接影响计算精度：这些问题的 解决往往依赖于计算经验。而且，模态综合法的编程也比较复杂。 1 9 4 4 年n 0 m y k e l e s t a d ，1 9 4 5 年m ap r o h l 把h h o l z e r 用于解决多圆盘 扭振问题的初参数法成功地推广到解决轴的横向振动问题。从而可以用简单的 计算工具，通过表格化的方式来计算转子的临界转速。随着电子计算机的发展， 以及在振动问题的研究中采用矩阵运算，初参数法也就发展成为传递矩阵法。 传递矩阵法就是用某一传递矩阵来决定单元两端截面的状态向量之间的关系。 其主要特点是：矩阵的阶数不随系统的自由度数增大而增加，因而编程简单，占 内存少，运算速度快，特别适用于像转子这样的链式系统。但此方法用于求解 高速大型转子动力学问题时，有可能出现数值不稳定现象。1 9 7 8 年h o m e r 与 p i l k e y 提出r i c c a t i 传递矩阵法，保留了传递矩阵法所有优点，而且在数值上比 较稳定。传递矩阵法与阻抗祸合法，直接积分法等其它方法相配合，还可以求 解复杂转子系统的问题。可以说，传递矩阵法在转子动力学的计算中占有主导 地位。 1 9 6 1 年d i l i i e n t b e r g 提出了解决转子动力问题的动刚度法，t h o m 笛和r i e g e r 发展了这一方法，将其应用于带有阻尼各向异性支承的转子系统的临界转速、 失稳转速和不平衡响应计算。动刚度法的主要思想是，把一个转子一轴承系统 分割成一系列的单元，每一单元的位移场都精确满足相应的控制方程：单元的惯 量( 质量和转动惯量) 和刚度都综合到一个矩阵一动刚度矩阵里。综合各单元的 动刚度矩阵，可以得到描述整个转子一轴承系统的线性方程组。 幻；f 其中，k 是系统的总动刚度矩阵，q 和f 分别为系统的广义位移和不平衡 力矢量。求解这一方程，就可得到转子系统的动力特性。动态刚度法是一种精 度比较高的方法，不过目前这一方面的工作做得还比较少。 对转子进行动力学分析的目的，就是在于寻找解决转子动平衡的方法。由 于生产的需要，转子动平衡的理论发展迅速，截止目前，出现了好多平衡方法。 武汉理工大学硕士学位论文 主要有振型平衡法和影响系数法两大平衡技术体系。振型平衡法是较早研究成 功并用于实践的一种方法，基于振型叠加理论，主要应用于能准确计算或测出 其振型的场合，由于其比较复杂，且对操作者要求较高，故目前用的不多；影响 系数法是一种建立在实验基础上的平衡方法，对转子的动特性了解要求较少， 特别适合现场动平衡，而且易于自动化、操作方便，因此被广泛应用。 近几年来，国内外都在探索一些新的平衡方法试图克服现有平衡方法的不 足，进一步提高平衡效率和精度，于是一些先进的算法如遗传算法、神经网络、 有限元法、全息技术等应用于转于动平衡中，出现了等效刚度系数法、无试重 平衡法、全息平衡法等。这些方法需要大量的实验数据，需要进行复杂的数学 运算，对转子系统本身的特性了解要求较高，对测试系统处理数据性能要求较 高，且通用性不强，目前还不成熟，需进一步完善。 总的说来，平衡方法的改进主要体现在以下几方面； 提高平衡精度，减少起停次数。 平衡时尽量减少加( 减) 重质量。 测试系统便携简单化。 实现在线动平衡。 1 3 课题的目的、意义与来源 1 3 1 本课题的研究目的 本课题通过为形状很不规则的自动调整臂零件设计一个工装，来校正整体 的不平衡量，达到消除自动调整臂加工中的动平衡的目的，并对其平衡过程和 加工过程进行仿真分析，分析平衡的效果，并在不同的转速下对平衡机支撑的 受力和主轴支撑的受力进行仿真的分析，并得出一定的结论。得到在何种转速 下，剩余不平衡对平衡机和主轴轴承的作用在允许的范围之内。并对加工时主 轴支撑的受力等进行分析。 1 3 2 本课题的来源与意义 本课题来源于浙江玉环新龙机械有限公司预研项目。 本课题的意义：由于自动调整臂的形状特点，零件下面部分的巾6 0 孔可以 武汉理工大学硕士学位论文 用来加工的方法有镗削，钻削和车削。一个形状比较规则的零件，用来钻削或 者镗削的时候，要进行工装的设计，而一个形状比较规则的甚至不太规则的零 件也可以直接在车床上加工，从这点就看出车削的优越性。由于本零件极不规 则，并且巾6 0 加工的孔的精度并不高，如果用镗削的方法加工，由于镗削与车 削一样都要考虑动平衡的问题，而动平衡又要求工装结构不能太复杂，因为要 在工装上安装平衡块。采用车削的方法时，工装如果设计得好，调整和安装平 衡块将比镗削用工装方便得多。因为车床上本身有一个装央装置：卡盘，并且 镗削能达到的精度比车削要大，用镗削的方式来加工一个要求并不高的零件是 不划算的。虽然钻削不用考虑动平衡的问题，但是，钻削还是要设计工装，由 于零件极不规则，钻削用工装肯定比车削用工装要复杂，并且钻削所达到的精 度也比较高。从成本和工作量来看，用钻削的方法也是不合理的。还有一种方 法就是数控铣的方法，但是数控铣所达到的精度很高，此零件中心孔没有必要 达到很高的精度。并且，最重要的是，厂方要求使用车削的方法来加工。所以， 从便捷性、成本、工作量这三个方面来综合考虑，此零件的巾6 0 的孔最便捷， 最经济，最合理的加工方式是车削。 而一旦确定了用车削的方式来加工这个零件，那么就必须要考虑零件的动 平衡问题，因为应用s o l i d w o r k s 软件的质量特性命令可以得到，该零件的质心 ( 3 ，4 0 ，7 3 7 ) ，严重的偏离了加工中心轴( 0 ，0 ，z ) ，中心惯性主轴也偏离了z 轴。即使不考虑这一点，由于该零件的形状不规则，在加工之前也必须为它设 计工装。在设计好工装的前提下，再来设计平衡配重的安装方案，本着为现场 工人的工作强度的考虑，平衡配重的安装必须尽可能的简单，快捷，并且能在 零件的安装有偏差和尺寸有变化的情况下依然能方便的调整配重，所以就对平 衡配重安装部分的设计提出了很高的要求，这部分的设计将在第2 章描述，工 装完全设计好之后，就对工装和零件的整体进行动平衡校正，然后进行模拟平 衡机和加工系统进行主轴的受力分析，确保工装整体的剩余不平衡不至于影响 加工精度和机床的使用寿命。此时，动平衡的工作才算完成，由于该零件是批 量生产，如果能方便的安装零件和方便的进行平衡块的调整，那么，对节省成 本，提高生产效率，对于零件的加工，对于机床的使用寿命，以及对于工人的 劳动强度的改善，都具有很重要的意义。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文的主要内容 1 第1 章，介绍将要研究其不平衡特性的零件的工作原理，以及对其不平 衡特性进行初步的分析，并介绍国内外在转子动平衡领域的研究情况。 2 第2 章，分析零件的质量特性，设计零件加工所用的工装，并设计和装 配平衡校正装置。 3 第3 章，在理论上计算该工装和零件的整体的动不平衡量，并进行理论 上的校正工作。 4 第4 章，模拟车床主轴和动平衡机的支撑方式对主轴系统进行动力学仿 真分析，分析各个转速下支撑的受力情况。并考虑零件尺寸有变化时对支撑在 不同转速下的受力分析，考虑加工时对支撑的受力分析。 5 第5 章，总结和展望，论文的主要工作和需要进一步深入讨论和研究的 问题。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章自动调整臂工装和平衡配重方案的设计 2 1 自动调整臂的建模 首先使用s o l i d w o r k s 软件建立该零件的几何模型。下面来简单的介绍一下 s o l i d w o r k s 软件。 2 1 1s o l i d w o r k s 软件的特点 s o l i d w o r k s 软件是在总结和继承了大型机械c a d 软件的基础上，在w i n d o w s 环境下实现的第一个机械c a d 软件。它是面向产品级的机械设计工具，全面采 用非约束的特征建模技术，为设计师提供了极强的设计灵活性；其设计过程的 全相关性，使得设计师可以在设计过程的任何阶段修改设计，同时牵动相关部 分的改变；其中的完整机械软件包包括了设计师必备的设计工具；零件设计、 装配设计、工程制图。 1 - 利用w i n d o w s n t 作为开发环境，充分发挥w i n d o w s 的强大功能。熟悉 w i n d o w s 操作的用户可以迅速掌握s o l i d w o r k s 的应用。可以用v i s u a lb a s i c 和v i s u a lc + + 进行二次开发。 2 采用p a r a s o li d 作为几何平台和d e l l 作为约束管理模块，底层功能得到 专业机构的支持，技术上相对成熟、运行稳定。 3 三维参数化造型软件1 0 0 特征造型，1 0 0 参数化，1 0 0 可修改。 4 突出了机械设计和修改的方便、灵活。在屏幕左侧显示特征树和装配树， 可以直观的管理产品的设计过程。当工程师进行设计时，软件会跟踪特征结构 树，工程师很容易利用图形的结构树修改设计。 5 有严密的几何和尺寸约束管理。清楚区分欠约束和全约束。零件、装配 体和二维图三部分全程共享关联性约束，任一环节中的修改会t l 动反映到其他 两个环节的图形上，二维草图设计过程的动态导航智能操作能力强。 6 功能丰富。s o l i d w o r k s 虽然运行在微机平台上，但具有丰富快速的特征 建模功能和信息查询功能。 7 数据存储交换格式：p a r a s o li d 的存储格式有x t ( t e x t 文本) 和x b ( b i n a r y 二进制) 两种，对外不公开。二维图的交换格式用d x f 和d w g 。三维 设计的交换将用s t e p 规范。 8 虽然s o l i d w o r k s 是单一c a d 软件，但它能在单一的w i n d o w s 界面上无缝 集成各种专业功能，产生了d e s k t o pi n t e g r a t i o n 一基于w i n d o w s 的 8 武汉理工大学硕士学位论文 c a d c a e c a m p d m 集成系统。这些专业功能模块包括：有限元结构分析 c o s m o s w o r k s ，数控加工c a m w o r k s ，运动和动力分析d e s i g n w o r k s ，注塑模分 析m o l d f l o w ，逆向工程r e v w o r k s ，动态模拟装配i p a ，产品数据管理 s m a r t t e a m ，高级渲染p h o t o w o r k s 。 s o l i d w o r k s 的一个缺点是曲面造型功能不强。而冲裁模设计中，所涉及的 冲裁件多为平板件，模具零件也没有太复杂的曲面零件，正好利用了s o l i d w o r k s 的长处，避开了它的短处。 2 1 2 自动调整臂的建模及其质量特性分析 通过综合使用s o l i d w o r k s 的曲面，特征，剪辑等功能，建立了自动调整臂 的三维实体模型，( 见图2 2 ) ，通过质量属性工具可以看出该零件的质量几何的 分布是极不规则的，各个参数分别如下： 质量：2 9 9 k g 重心位置( 3 ，“4 9 ，8 2 5 ) 。 惯性主轴的方向向量( 单位，g m m 2 ) x = ( o 3 1 ，0 9 1 ，- 0 2 9 ) p x = 3 0 2 8 5 2 4 9 3 矽= ( - o 9 3 ，0 3 5 ，0 1 1 ) p y = 8 1 9 9 1 9 4 8 7 z = ( o 2 0 ，o 2 3 ，0 9 5 ) p z = 9 8 2 3 4 2 8 5 2 可以看出，除了重心偏离了z 轴4 0 m m 多之外，旋转轴k 和惯性主轴的方 向并不重合，而是有了一个角度偏移，这说明零件存在很大的静、偶不平衡。 由重心决定的惯性张量为：g m m 2 j x x = 7 7 8 0 7 1 0 9 0 j 砂= 1 3 6 1 1 3 2 7 7 j x z = 一7 7 3 3 2 6 1 1 j y x = 1 3 6 1 1 3 2 7 7 j y y = 4 0 3 3 2 9 0 5 1j y z = 一1 7 1 2 4 9 8 0 0 j z x = - 7 7 3 3 2 6 1 1 j z y = - 1 7 1 2 4 9 8 0 0 j z z = 9 2 3 7 1 4 6 9 1 惯性张量就是表示物体质量分布不规则程度，和表达物体不规则部分对各 个轴的离心力偶矩的物理量，如果惯性张量的矩阵j y x , j y z 等不为零说明物体具 有偶不平衡。关于这个量的具体说明见下章。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 自动调整臂夹具和平衡配重安装装置的设计 2 2 1 工装夹具的设计的原则和方法 工装的设计有几个基本的要求： 工件夹紧牢固可靠；操作安全方便； 注意以下一些问题： 1 定位精度 工件定位正确，定位精度满足加工要求； 成本低廉。为此，在设计机床夹具时，应 定位精度主要包括，工件在夹具中的定位精度，还有夹具在机床上的定位 精度和刀具在夹具上的导向精度等。下面重点讨论第一种，工件在夹具中的定 位精度，主要与定位基准是否与工序基准重合，定位基准的形式和精度，定位 元件的形式和精度，定位元件的布置方式，定位基准与定位元件的配合状况等 因素有关。这些因素所造成的误差，可以通过数学计算求得。在采取提高定位 精度的措施时，要注意夹具制造上的可能性。在总的定位精度满足加工要求的 情况下，不应过高的提高工件的定位精度。还有过定位问题，夹具中当两个或 两个以上的定位元件限制同一自由度时，将产生过定位现象，定位基准的形位 误差或定位基准的制造误差较大时，过定位将造成不良的影响。1 1 l j 例如：工件 位置不确定；造成位置上的干涉；夹紧工件后使工件或定位元件产生变形等。 夹具中出现过定位时，可通过撤消多余定位元件，使多余定位元件失去限制重 复自由度的能力，增加过定位元件与定位基准的配合间隙等办法来解决。 2 夹紧方式 选择夹紧方式时，要注意以下几点：夹紧力应通过或靠近主要支撑点，或 在支撑点所组成的平面内；夹紧力应靠近切削部位，并在工件刚性较好的部位； 夹紧力应垂直主要定位基准，以避免因夹紧而破坏工件原有的定位状态；夹紧 必须可靠，但夹紧力不可过大，以免工件或夹具产生过大的变形。为防止工件 变形，可采用多点夹紧或宽爪夹紧，以降低单位面积的夹紧力，或在工件刚性 薄弱部位，安放适当的辅助支撑。 3 结构设计 夹具机构既要可靠，又要和生产实际相适应，大批生产中使用的夹具和中 小批生产中使用的夹具在结构上应有所区别。在大批生产中，既要解决工件的 质量问题，又要解决工件的产量问题。因此，在设计夹具时应采用高效、省力 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 的夹具结构。例如，采用各种动力源实现央紧，减轻劳动强度；采用联动夹紧 机构和多件夹紧机构，减少辅助时间；采用多工位分度装置，使加工时间和辅 助时间重合。大批生产中使用的夹具比较复杂，造价较高。在中小批生产中， 采用夹具的主要目的是保证加工质量和扩大机床的工艺性能，以及便于多品种 的生产等。因此，对夹具机构的要求，主要是精度和通用性，效率问题比较次 要。所以应尽量采用各种形式的通用夹具、可调夹具和组合夹具等配以适当的 专用附件，以满足生产要求。在设计专用夹具时，要充分采用通用部件及标准 元件，以提高夹具标准化程度。 从上面的讨论来看，此零件属于中小批量的生产，所以，将要设计的夹具 是专用夹具。 2 2 2 自动调整臂夹具的设计 由2 1 2 节的分析知道，零件的偏心距离非常大，大于4 0 r a m ，如此大的偏 心距离，对于动平衡的校正是很不利的。另外此零件整体的前后左右没有一个 可以方便安装平衡质量的位置。而且零件又是个不平整，不规则的零件，有两 个相距8 5 m m 的折弯平面，根本无法在车床上安装，所以，本章的目标是设计 一个加工妒6 0 孔的工装，并在工装上设计能安装和调整平衡质量的装置。以下 是工装设计的具体过程。 首先，零件的外形十分不规则，其中间横向的圆柱的两个端面可以用来定 位，其上部妒1 8 5 的孔，也可作定位用，该零件的后平面，如图2 2 中的a 面， 也可以作为定位来用。先考虑大的方面，鉴于零件的偏心距很大，并且其x , y 方向的惯性张量也很大，所以要设计工装的尺寸应在允许的范围内尽可能大些 才有可能通过改变工装各个部分的质量分布以减少其偏心距离。所以设计工装 的第一步，就是通过设计一些结构使工装的偏心距尽可能减少。 没有工装前零件总不平衡量为m + e = 2 9 9 * 4 4 6 = 1 3 3 3 5 k g m m 。从平衡校正 的角度来讲，校正半径越大，平衡块质量越小，但是，校正半径大了，总质量 也会变大，而总不平衡量也会随之变大，所以工装的半径也不能太大，考虑半 径取2 0 0 r a m 左右刚好够装夹此零件。此时的工装质量约5 0 k g , 若假设工装偏心 距离2 m m ，那么此时的不平衡量为5 0 x 2 = l o o k g n l n l ，比没有工装前零件自身的 不平衡量1 3 3 3 5 k g m m 并没有减少多少。为了显示设计工装的好处，应该在设 武汉理工大学硕士学位论文 计时尽量考虑减少工装的偏心距，若偏心距为l m m ，那么不平衡量就5 0 k g m m ， 这样就减少了其初始不平衡量，这个值比1 3 3 3 5 k g m i l l 虽然并没有减少很多， 但是由于工装的质量很大，其不平衡率减少了很多。 不平衡率就是物体的不平衡量除以物体的质量，其物理意义是物体单位质 量的不平衡量。没有工装时的不平衡率；1 3 3 3 5 2 9 9 = - 4 4 6 m m k g ，设计了工装 之后的不平衡率：5 0 5 0 = l m m k g ，可以看出，光从不平衡率来看就减少了将近 4 5 倍。所以，设计工装的目的除了装夹以外，就是通过设计一些结构使整体的 偏心距离减少到l m m 左右。下面是具体的结构设计过程。 1 工装基体的设计 为了使工装能方便的在车床上安装，设计了一个类似于水杯盖似的结构。 水杯盖结构的底面作为定位和安装自动调整臂上部小折弯平面b 的基准面。将 来放置平衡块就在前面的圆环端面和后端面上进行，将两端面的距离定为 1 2 0 r a m ，此距离比零件原来两端面的距离大了约2 倍，将来旌加的偶平衡校正 质量也会因此变小许多，然后在底面的右上部钻一个定位孔，这个孔的位置和 零件上巾1 8 5 的孔在零件上的位置相同。见下图所示。 图2 1 工装基体图 2 各个安装和夹紧部件的设计 1 1 主要的折弯部分两平面的定位和上面小孔的定位和夹紧 仔细看看零件的侧面图，零件的上部的面积较小，而下部的面积较大，他 们并不在同一个平面之内，如图2 2 所示，为了定位带有孔的较大的面a ，在 水杯结构底面增加一个凸台，如图2 3 所示，凸台设计成这个形状主要是为了 武汉理工大学硕士学位论文 尽可能的减少工装的质量。由于该凸台的形状复杂，安装时应采用焊接的方式 安装，再将各表面铣平，零件a 面就定位于此凸台之上，再在凸台的中央车一 个巾4 0 孔，此孔是为了动平衡仿真时安装芯轴所用。此凸台样式如图2 3 所示 图2 2 自动调整臂三维图形 图2 3 安装夹紧部件的凸台样式 2 1 左右两个圆柱端面的定位和夹紧装置的设计。已经确定了自动调整臂上 部的小圆孔、上端底面和下端底面的定位问题，现在的问题是定位巾6 0 孔以及 圆柱的左右两个端面如何夹紧，由于设计此凸台的时候，已经考虑了上下两个 孔的位置要求。所以现在只需定位和夹紧左右两个端面使他们垂直于凸台左右 侧平面，那么工件的中心巾6 0 孔和凸台上的m 4 0 孔就是同心的。经过比较决定 用下面的方法，先在大凸台左边焊接一个长方形的凸台，再将其右端面铣平， 并让此凸台距离零件左端面约4 - 5 m m ，此距离是为夹紧左端面用的垫片留出的 武汉理工大学硕士学位论文 空间。然后设计一个如图2 4 所示的凸台，先将此凸台焊接于大凸台上距离右 端面较近的地方，然后在凸台中间开一个矩形槽，并在其中心位置钻一个螺纹 孔，再在其中安装个能水平滑动的压块，然后设计一个拧紧螺栓。拧动螺栓 就可以使压块靠近右端面并压紧右端面。定位和夹紧过程是：先在左凸台和零 件端面之间塞入一些厚度适合的薄铁片，然后拧动右边的压紧螺栓，压块随着 螺栓前进压紧右端面，此时，两个端面都被定位和夹紧。 图2 4 右端面压紧装置 3 ) 夹紧上部和中部两表面的装置的设计。现在已经定位了上表面的一个孔， 零件上部小孔部分的夹紧用一个两头带螺纹的销来进行夹紧，具体结构就不详 细说明了。但是，因为自动调整臂是一个长条形并且折弯的零件，所以只定位 和夹紧了上面的小孔还不能满足使用要求，还需在折弯面c 的大孔之外的不加 工部分设计一个夹紧装置，以使其上、下表面和大凸台夹紧。考虑使用前面步 骤中用于定位左端面的凸台，先钻个大孔，再在大孔的下表面钻一个较小的 螺纹孔，将弹簧放进大孔中，然后将螺栓拧入，再将带有螺纹孔的压块穿过螺 栓放入大孔中，压块的另一端靠近零件上表面，这样，弹簧就在大孔的下表面 和压块的下表面之间，最后在压块上表面突出来的螺栓上加一个螺母，拧紧螺 母，在弹簧力的作用下压块就和上表面夹紧了。 4 ) 压紧零件下面圆弧装置的设计。前面已经基本将自动调整臂的各个部位 定位和夹紧了，但仍觉得不太完善。因为定位和夹紧的都是零件上面的部分， 而加工的却是下面的大孔，当切削力作用到大孔时，由于大孔附近没有任何的 夹紧装置，所以加工时也许会出现问题。设计工装不仅要考虑到理论上是否合 理的问题，而且还要考虑到实际加工时会出现的问题，所以对于下面的圆弧从 安全的角度看应该设计夹紧装嚣。按照上面夹紧右端面的方法，在一个焊接到 武汉理工大学硕士学位论文 工装体上的凸台里面开一个可以使压紧块滑动的槽，然后在凸台的下面钻一个 螺纹孔，然后用螺钉推动弧形压块压紧自动调整臂的下面的圆弧部分( 如图2 5 所示1 ，至此工装的定位和夹紧装置已经基本完成a 工装各个部件和自动调整臂零件的最后装配图，如图2 。5 所示。 图2 5 工装和零件的装配图 2 2 3 自动调整臂平衡配重安装装置的设计 接下来考虑安装平衡配重方案的设计，在设计前先看看平衡校正配重的多 种方案的选择。 1 配重方案的选择 由于该零件是批量生产，所以对平衡校正配重的要求就是应该能够快速、 准确的安装到位。配重方案主要有两种，去重型配重和加重型配重，显然不能 使用去重型配重，因为除了要加工的部分不能去除零件的任何一部分，所以主 要考虑加重型的方案，加重型主要有以下几种，焊接型，螺钉型，铆接型等。 2 设计本工装的配重块的安装部件和安装方案 通过比较这几种配重方案，觉得都不理想，焊接配重浪费成本，且不容易 调整，铆接也是一样的道理，螺钉配重方式也不好，调整困难，经过思考和查 阅相关资料，得到了一个既方便安装，又方便调整的平衡块配重方案。 安装方式见下图。分别在两个端面上开一个”倒r 形槽，然后把配重的外 形设计成圆环的- - 4 , 部分，其内外径的尺寸和t 形槽的相同，使配重能刚好放 入槽内，而其厚度比t 形槽外形的t 字的那个“一”子薄一点以方便安装和夹 紧，然后在配重的中心开一个螺纹孔。如果确定了要在某个相位上施加配重的 武汉理工大学硕士学位论文 话，就将配重从开口e 处放到槽的相应相位处，然后用紧定螺钉穿过t 形槽和 配重的孔，由于螺钉的旋转运动，配重的上表面就逐渐的向t 形槽的d 面靠拢， 然后在螺钉尖和t 形槽底面压力的作用下，配重的上表面和t 形槽d 面压紧、 固定，同时螺钉的钉尖部分和t 形槽的底面压紧、固定，这样就达到了固定平 衡块的要求。如果平衡块的相位需要调整，那么松开螺钉，就可以在滑槽内方 便的移动平衡块了( 见图2 7 、2 8 ) 。为了在平衡之前就充分考虑到校正平面误差 的问题。可将平衡块的厚度取为1 2 m m ，那么只需修改平衡块的向心角度一个 参数就可以修改平衡块的质量，这对于平衡校正试验是很方便的。所以最后选 择此方案。图形包括了下面几幅：滑槽的剖面如图2 6 所示。 图2 6 滑槽剖面图 图中左边开口是为方便安装平衡块所开的槽，右边是滑槽的剖面效果图。 平衡块和螺钉装配的示意图如图2 7 所示。 图2 7 平衡块和螺钉装配示意图 平衡块安装在工装滑槽里面的示意图如图2 8 所示。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 图2 8 在滑槽中安装的平衡块 本章为自动调整臂设计一个工装来实现两个目的，第一，为将来零件的加 工做准备。第二，设计了便于安装平衡质量的装置。通过设计工装可以使自动 调整臂的初始静不平衡量减小。设计安装平衡质量的装置则为将来的平衡校正 提供了方便的条件。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章动平衡理论上的校正的过程 3 1 动平衡的基本理论 3 1 1 转子动平衡的基本概念和理论 1 不平衡和平衡的转子 平衡转子：机器中绕轴线旋转的零部件，称为机器的转子。如果一个转子 的质量分布均匀，制造和安装都合格，则运转是平稳的。理想情况下，转子对 轴承的压力，除重力之外没有其他的力，即与转子不旋转时一样，只有静压力。 旋转与不旋转时对轴承都只有静压力的转子，称为平衡的转子。如果转予在旋 转时对轴承除有静压力外还附加有动压力，则称之为不平衡的转子。转子如果 是不平衡的，附加动压力将通过轴承传达到机器上，加速轴承的磨损，降低机 器寿命，甚至使机器的控制失灵，发生严重事故i ”。所以必须对不平衡转子进 行平衡校正。 2 转子的分类 按照简单明了的分类方法，或者按照转子不平衡的性质，可以将转子分成 两大类：刚性转子和挠性转子。刚性转子就是在任何力的作用下都不发生变形 的转子，显然，这是一种理想的状态，这种假设是与事实不符合的，任何物体 在力的作用下都会产生变形，只是变形的程度不同，但是，如果一般机器的转 子重量不大，转速不高，转轴跨距不长，旋转时转子的变形很小，其影响可以 略去不计，则可假设这种转子是刚性的。如果转子转轴细长，旋转时转子的变 形很大，用普通的动平衡的方法无法完全消除不平衡，那么这类转子就称为挠 性的转子i “。 3 转子动平衡的动力学基础 任何一个转子在旋转的时候，其体内的无数个质点都将产生惯性力，要确 定此转子是否是平衡的转子，则必须根据其惯性力系的合成结果而定。设有一 个不平衡的刚性转子，其质量为m ，以等角速度( ) 绕一固定轴旋转( 如图3 1 ) ， 取其转轴上任一点作为坐标原点，转轴为z 轴，并做出相应的o x 及o y 轴，转 子质心坐标为q 砖，y c ，船) ，沿坐标轴方向单位矢量为i ，j , k ，设质心c 对旋转轴 z 的矢径为r c ，贝0 ，c t f + y 。， 武汉理工大学硕士学位论文 y 图3 1 动平衡原理图 当转子以等角速度旋转时，质点产生的离心力为e 一埘2 ，i ，其指向 为离心力的方向，即为矢径孑的方向故可以写成 ez 2 r i m i t 0 2 i + y i j ) ( 3 1 ) 它在坐标轴上的投影为 最- m i t 0 2 t 露- m i w 2 咒 ( 3 2 ) 疋一0 这些f 构成了一个惯性力系，由力学的基本原理可知，将此惯性力系向坐 标原点o 简化( o 点称为简化中心) 一般可以得到一个力r o ( 称为力系的主矢) 和一个力偶m o ( 称为力系向。点简化的主矩) ，主矢作用于o 点并等于力系中所 有各力的矢量和，而主矩等于力系所有各力对o 点矩矢的矢量和，即 瓦- ；| ；瓦 瓦= 砉( 耳) 将式( 3 1 ) 代入( 3 3 ) 式中，得到 1 9 (