（机械设计及理论专业论文）大型装备零部件转运系统关键技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 大型装备在装配过程中必须实现零部件的转运和装配功能，这是整个装配过 程得以顺利完成的基础。大型装备结构复杂、零部件大而重、种类繁多、产品批 量不大，目前并没有通用的转运设备和装配平台，所以针对大型装备零部件转运 系统展开研究，不仅具有很强的必要性而且具有重要的实际意义。 为了实现大型装备零部件的转运和装配功能，本课题从以下几个方面进行了 研究： 通过对大型装备整个装配过程的分析，得到转运设备的转运路径和与各辅 助设备的接口关系；运用系统化设计法，通过功能分析、功能分解、功能实现， 对零部件转运系统进行方案设计，确定转运系统的组成部分为：转运小车、零部 件装配平台和电动叉车； 以连杆受力最小为目标函数，综合考虑影响举升机构连杆受力的各个因 素，对其进行优化设计并确定最优尺寸； 针对举升机构进行运动学分析，推导出摇杆和连杆角位移、角速度、角加 速度的计算公式；通过对举升机构的静力学分析，推导出其所受水平力和正压力 的计算公式；运用计算机辅助设计和虚拟样机技术对举升机构进行仿真分析，验 证了运动学和静力学分析的正确性； 阐述了滚珠丝杠的选型流程，根据本课题的约束条件选取b n t - 4 5 1 0 5 3 型滚珠丝杠，从所受水平力、刚度和寿命等方面考虑，对其进行了校核；阐述了 伺服电机的选取方法，从电机的负载转动惯量、转矩和功率三个参数考虑，对本 课题所要求的电机进行选型和校核； 应用c o s m o s w b r l ! 【s 对滑块支座与连杆进行接触有限元分析，得到其接触 面上各个单元的接触应力分布曲线，找到受力的危险区域，为结构优化提供依据。 关键词：曲柄滑块机构，运动学分析，运动仿真，接触分析 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a bs t r a c t i i lm e 嬲s e m b l yp r o c c s so fl a 玛e - s c a l ee q u i p m e m ，m e 觚l s p o r t 孤d 船s e n 曲l i i 喀 如n c t i o 粥o fc o m p o n e n tp a r t sn m s tb er e a l i z e d ni st l l ef o u n d a t i o no fm a l 【i n gt l l e 嬲s e m b l yp m c e s sc o m p l e t es l l c c e s s 龟l l y g e n e r a l l y ，t l l el a 唱e - s c a l ee q u i p m e n th 嬲 c 妇t e r i s t i c so fc o m p l e xs t i 咖，l 鹕ea n dh e a v yc o m p o n e 咄v a r i o 髑聊p e ，l i t t l e b a t c h 趾ds 0o n a tp r e s e n t ，m e r ei si l og e n e r a l 仃a n s p o r t i i 玛e q u i p m e n ta n d 舔s e m b l i n g t d b l e ，t i l e r e f o r e ，i ti sv e 巧n e c e s s a r y 觚dp r t i c a l l ys i g i l i f i c a n tt 0 咖d yo nc o m p o n e n t s p a r t s 饷n s p o n i n gs y s t e mo f 也el a 略e s c a j ee q u i p i n e n t i i lo r d 髓t or e a l i z em e 仃趾s p o r t a t i o n 锄da s s e m b l i n g 向n c t i o l l so fc o i n p o n e m sp a r t s o f 1 el a 唱e - s c a l ee q u i p m e n t ，t h ew o f i 【sl l a _ v eb e e i ld o n ei nt h ef 0 1 1 0 、衍n g 唧e c t si nn l i s p a p e r ： t h et r a n s p o r tp a ：c hr a l l g eo fm e 觚p o r te q u i p m e n ta l l di n t e i f a c er e l a t i o l l s m p b 吨w e e ni ta n de v e r ) ra u x i l i a d re q u i p m e mi sg a i l l e db ya 砌y z i n gt l l e 、：h o l ea s s e m b l y p m c e s so ft h el a 略e - s c a l ee q u i p m e n t ，t h e n ，瑕i n gs y s t e m a t i cd e s i g nm e m o d ，m e s c h 锄ed e s i 口o ft h e 仃趾咖r ts y s t e mo ft t l ec o m p o n e n tp a r t si sd o n cb y 劬c t i o n a r 试y s i s ，缸1 c t i o nd e c o m p o s i t i o n 锄d 舢1 c t i o n 删i z a t i o n 1 1 i eo 砸窳z a t i o nd e s i 印o fl i i = 【i n gm e c h 肌i s mi sm a d ea n dt h eo p t i m u m d i m e i l s i o n si sc o i i f m n e db yc 0 璐i d e r i n g 也em i i l 血啪f o r c eo fc o n i l e c t i i 唱r o d 嬲m e o b j e c t i v ef 岫c t i o na n dc o m p r e h e i l s i v e l yt a l 【i n gt h ee v e r yf a c t o rm a t 斫f e c tt 1 1 ef o r c e o nt i l ei n e c h a i l i s mm t oa c c o u n t u s i n gm e 妨1 e m a t i c a l 也i e 0 m em e o r e t i c a lf o n n u l aa n d 缸1 c t i o nc u r v e so f 觚g u l a rd i s p l a c 锄e n t ， a c c e l e m t i o na n d趾g u l a ra c c e l e r a t i o no fm er o c k e r跚d c o m l e c t i i 玛r o da r eg a j i l e db ym a l 【i n gl 【i n e m a t i c a l 锄a l y s i so f t l l el i m i 培m e c l 磁i l i s m t h e 也e o r e 喧i c a lf o 珊u l a 龇l d 如i l c t i o nc u r 、，e so fh o r i z o n t a l 趾dv e r t i c a lf o r c eo fl i a i n g m e c l l a l l i s ma r eo b t a i n e db yc 哪7 i i l go ns t a t i c s 锄a l y s i so ft l l el i r h 唱m e c h a i l i s m t h e n ， n ：屺s i i i l u l a t i o no fl i m n gm e c i 叫s mi sd o n eb yu s i n gc o m p u 衙a i d e dd e s i 印a n dv 砷脚 p r i d t o t ) ，p et e c l l i l o l o g y 锄dc o s m o s m o t i o n ，吐圮r e s u l t so f 、) i 桩c hi sm e nc o n l p a r e d 、) l ，i t h t h et l l e o r e 虹c a lo r l e s 舶ml 【i n e m a t i c a la n ds t a t i c sa 1 1 a l y s i s t h es e l e c t i o np r o c e s s 龇l dm e t l l o do fb a l ls c r e wi s s h o w ni i lt l l i sp a p e r a c c o r d i i 培t om ea c t u a ls i 似i o ni i lt h ep r o j e c t ，m eb n t - 4 5 10 5 3b a l ls c r e wi sc h o s e n 锄dc h e c k e d t h e n ，t h cs e l e c t i o nm e t l l o do fs e r v om o t o ri se x p l a i n e d 锄dt l l em o t o r 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 r e q u h di i lt h ep r o j e c ti sc h o s e l li i lt ) ，p e 趾dc h e c k e db yc o n s i d e m g l el o a dr o t a t i o n i n e i r t i 如t o r q u e 觚dp o 、) l 惯o f m o t o r ： u s i n gc o s m o s w 6 r k s ，t h e c o n t a c ta m l y s i so fs l i p p e rp a da n dc o n n c c t i o nl i i l l 【 i sc 删e do n w h e nt l l ec o n t a c ti sc o n s i d e r e d ，t l l er e l a t i o n s l l i p sb e t 帆：e np o s i t i o na 1 1 d s t r e s so fm em l j _ t t l mc o n t a c t e dn o d e sc 锄b e 删u s t e db yt i 地d e f - m e ds u r f 如ec o n t a c t ， 岫f o r e ，也es _ 廿e s s 觚ds t 嘣no fb e a r i n gp e d e s t a lc 锄b er e f l e c t e d 仃i l l yb yl o a d i n g l e b c a r i n gp e d e s t a lu s i l l 唔c o n 僦w l y k e y w o r d s ：w h o l ep r o c e s sa n a l y s i s ，s 1 i d e r - c r 铷【l l 【m e c h a i l i s m ，m 0 t i o ns i i i l l l l a t i o l l ， c o n _ t a i c ta n a l y s i s 学位论文独创性声明 本人声弱所呈交酌卑士学位论文叁翌鬈查霆鸯陴弛缘由塞戳盎觋 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取褥熬研究成聚。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一网工佟靛同志对本研究所徽的任何贡献均己在论文中作了螭确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：殂裤 导师签名： 签字犀霸：细芦芗0 签字因期：汐扩声厂f 学位论文使用授权书 本入完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中重优秀硬士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程 ，愿意将本人的致士学位论文缝嬲霎溅象燃稳涨交中圜学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博顼学垃论文全文数据痒孛全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中豳优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入傩i 中国知识资源总库，在中国博 碛士学位论文评徐数据库孛使用秘在互联网上传播，阕意按“章程 规定享受辐关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：垒垂褪翩躲丝 神哆年 厂胃彳日 备注；审核通过的涉密论文不得签署“授权书一，须填写以下内容： 谶娇耢蹴丸期缎年滞蝴艟年一月一艮 重庆大学硕士学位论文 1 引言 1 引言 1 1 课题背景 装备制造业是我国先进生产力的主要部分，是国民经济持续高速增长的发动 机，对外贸易的支柱和国家安全的保障，是实现工业化的源泉和现代化的原动力。 近一个世纪以来，国际竞争中各国竞争力消长的经验教训以及计算机技术、信息 技术、自动化技术在装备制造业中日益广泛深入的应用，使人们重新认识到装备 制造业和制造技术的重要性，工业化国家把装备制造技术列为跨世纪的关键技术 之一。当今世界上的工业强国，均是以重大科技装备为主要代表的装备制造业强 国。统计资料显示，美国、日本、德国、英国均以装备制造业为重点发展对象， 根据自身国情，分别在某些大型装备制造业领域形成了较强的领先优势，如美国 的飞机产业、日本的电器机械产业、德国的运输机械产业。 大型装备的制造不但是一国制造业的基础，也是促进国家其他产业发展壮大 的重要动力，具有带动性强、科技含量高等特点，其整体能力和技术水平是衡量 一个国家经济实力、技术实力、综合国力的重要标志。 大型装备产品多由复杂多样的子系统和元件集成，技术构成复杂，产品批量 不大，制造与开发过程复杂，生产周期长，所需投资一般较大，这些特征决定了 装备制造企业在开发过程中有别于大众消费品生产企业，其竞争力更多依赖技术、 人员、设备等多方面资源及其相互之间的整合i l 硎。 1 2 课题目的和意义 大型装备的装配过程中必须实现零部件转运和装配的功能，这是使整个装配 过程得以顺利完成的基础，大型装备结构复杂、零部件大而重、种类繁多、产品 批量不大，目前并没有通用的转运设备和装配平台，所以对该大型装备零部件转 运系统的研究有很大的必要性和重要的实际意义。 整体自装卸车只是完成物资装卸和运输的功能，使用环境比较单一，而在大 型装备装配过程十分复杂，这决定了本转运系统所应用的环境十分复杂，转运系 统需在多种辅助设备之间进行转运，与各辅助设备的接口众多，本课题研究的转 运系统对其与各辅助设备的接口进行归一化设计，减少了转运设备的种类和数量， 节约成本；转运系统除了实现大型装备零部件的装卸功能外，还要充当某些零部 件的装配平台；能在o 9 0 0 范围内任意角度下实现装配；装配零部件能在竖直状态 下实现1 8 0 0 翻转。 目前车用内燃机仍然以往复活塞式为主，在往复活塞式内燃机中，曲柄连杆 重庆大学硕士学位论文1 引言 机构是内燃机传递运动和动力的机构，通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴 的匀速旋转运动而输出动力，很多参考文献均对内燃机曲柄滑块机构做了运动学 和动力学分析。虽然本课题的举升机构也是曲柄滑块机构，但是滑块为匀速直线 运动，曲柄为变速直线运动，所以对此举升机构进行运动学和力学分析并得出理 论公式具有很大的实际意义。 本课题的目的就是，应用系统化设计方法，对转运系统进行方案设计；将曲 柄滑块机构作为举升机构的关键结构，并对举升机构运动学和力学分析采用理论 推导和仿真相结合的方法，并将两种分析结果进行对比来验证理论分析的正确性； 对转运系统关键传动件进行选型和校核；应用有限元分析理论，对设备的关键零 部件进行接触有限元分析，得到接触面上各个单元的接触力分布曲线。 1 3 国内外研究现状 市场竞争的加剧要求厂家必须缩短产品开发周期以增强市场竞争力，同时， 为了提高质量、降低成本，又需要做大量的实验分析和处理数据。这使得现代设 计理论和计算机辅助设计系统得以快速发展。 1 3 1 计算机辅助设计 计算机辅助设计是从6 0 年代发展起来的，是现代设计方法的一个重要分支， 它从根本上改变了机械设计的传统模式，引起了工程设计领域的深刻变革，并由 此而发展派生出了计算机辅助分析( c a e ) 和计算机辅助制造( c a m ) 。目前国外在这 方面的技术已经十分成熟，知名的三维c a d 软件主要有法国达索公司的c a t 认、 美国e d s 公司的u g 、s d r c 公司的i d e a s 和p t c 公司的p r 0 e 。我国也开发出 了三维建模软件c 舰u n j 。 1 3 2 虚拟样机技术发展状况 虚拟样机技术又称为动态仿真技术，是2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的发 展而迅速发展起来的一项新技术，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术， 同时还包括三维c a d 建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术、最优化技术 等相关技术。在产品设计开发过程中，工程设计人员利用c a d 系统所提供的各零 部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对产品进 行虚拟装配，获得产品的虚拟样机，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行 仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能。 虚拟样机技术可以使产品设计人员在各种虚拟环境中真实的模拟产品整体的 运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本 无法进行的试验，直到获得系统级的优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯穿在 整个设计过程当中，它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经 2 重庆大学硕士学位论文 1 引言 验与想象结合在计算机内的虚拟样机里，让想象力和创造力充分发挥。当虚拟样 机用来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率 得以大大提高。 虚拟样机技术在一些发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用， 应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防 工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。我国 从“九五”期间开始跟踪和研究虚拟样机的相关技术，主要集中在虚拟样机的概念、 系统结构以及相关的支撑技术，应用多集中在一些高精尖领域。近年来，才尝试 着将虚拟样机技术用于一般机械的开发研制【1 0 1 。 1 3 3 有限元分析 有限元分析早在2 0 世纪2 0 年代就有人提出，但是由于其庞大的计算量，并 没有被广泛应用，随着计算机工具的进步，有限元计算过程中大量的计算被简化 为计算机的后台操作，使得有限元方法的应用有了今日崭新的阶段。有限元法是 一种很有效的数值计算方法，它能对工程实际中几何形状不规则、载荷和支承情 况复杂的各种结构进行并行计算、应力分析和动态特性分析，这是典型的弹性力 学方法所不及的。有限元的基本思想是：把一个连续的弹性体划分为有限多个彼 此只在有限个节点处相互连接的、有限大小的单元组合体来研究，也就是用一个 离散结构来代替原来的结构作为真实结构的近似力学模型，以后的所有分析计算 均是在这个离散结构上进行。有限元计算不仅可以得到较准确的计算结果，而且 通过有限元分析软件还可以对整个结构的应力、应变和位移分布状况进行可视化 观察。有限元法之所以能够求解结构任意复杂的问题，并且计算结果可靠、精度 高，其中原因之一在于它有丰富的单元库，能够适应于各种结构的简化p 1 0 1 。 c o m o s w o r l ( s 使用s r a c ( s t m c t u r a lr - e s e a r c ha n d 加谳y s i sc o 呐r a t i o n ) 公司开 发的当今世上最快的有限元分析算法一快速有限元算法( f f e ) ，完全集成在 w i n d o 、v s 环境并与s o l i d w b r l ( s 软件无缝集成。从最近的测试表明，快速有限元算 法( f f e ) 提升了传统算法5 0 1 0 0 倍的解题速度，并降低磁盘存储空间，只需原 来的5 就够了；更重要的是，它在微机上就可以解决复杂的分析问题，节省使用 者在硬件上的投资。 1 3 4 优化设计理论 机械优化设计就是把机械设计与数学规划理论及方法相结合，借助电子计算 机，寻求最优设计方案。现在优化设计理论已相当成熟，有多种优化算法可供研 究者参考。在各种计算软件已经相当成熟的今天，如何更好的利用各种计算软件 对所设计的问题进行优化并取得可靠结果是研究的重点。目前国外的科研机构已 经可以利用各种工具对曲柄滑块机构进行优化1 1 1 1 。 3 重庆大学硕士学位论文 1 引言 1 4 课题所研究的主要内容 为了实现大型装备零部件的转运和装配功能，本课题从以下几个方面进行了 研究： 通过对大型装备整个装配过程的分析，得到转运设备的转运路径和与各辅 助设备的接口关系；运用系统化设计法，通过功能分析、功能分解、功能实现， 对零部件转运系统进行方案设计，确定转运系统的组成部分为：转运小车、零部 件装配平台和电动叉车； 以连杆受力最小为目标函数，综合考虑影响举升机构连杆受力的各个因 素，对其进行优化设计并确定最优尺寸； 针对举升机构进行运动学分析，推导出摇杆和连杆角位移、角速度、角加 速度的计算公式；通过对举升机构的静力学分析，推导出其所受水平力和正压力 的计算公式；运用计算机辅助设计和虚拟样机技术对举升机构进行仿真分析，验 证了运动学和静力学分析的正确性； 阐述了滚珠丝杠的选型流程，从滚珠丝杠的精度、载荷、刚性、寿命等方 面考虑，对举升机构中的丝杠进行选型和校核，选取b n t - 4 5 1 0 5 3 型滚珠丝杠； 阐述了伺服电机的选取方法，从电机的负载转动惯量、转矩和功率三个参数考虑， 对本课题所要求的电机进行选型和校核； 应用c o s m o s w b r l ! ( s 对滑块支座与连杆进行接触有限元分析，得到其接触 面上各个单元的接触应力分布，找到受力的危险区域，为结构设计和优化提供依 据。 4 重庆大学硕士学位论文2 基于系统化设计法的转运系统设计 2 基于系统化设计法的转运系统设计 2 1 基于系统化设计法的方案设计 2 1 1 系统化设计法概述 系统化设计方法建立在系统工程的基础上。工程设计内容错综复杂，如果孤 立地分析其某方面问题，得出结论往往是片面、局限的；系统工程方法将事物当 作整体系统研究，分析系统各组成部分的有机联系和系统与外界环境的关系，是 较全面的综合研究问题的方法。 系统的主要特征是具有整体性和可分解性。系统具有整体目标或整体功能， 整体性是研究系统的出发点。系统由元素组成，可分解性体现为系统可分解为元 素进行分析，很多复杂问题在分解中化繁为简。分解的另一面是组合，通过一些 元素的组合可形成特定的系统，若能组合出多个达到预定目标的系统，就为解决 问题提供了广阔的选择空间。产品设计中产品本身是系统，产品的功能、结构、 评价目标等都可用系统工程方法处理【1 2 1 。 用系统工程方法进行产品的原理方案设计，其步骤和各阶段应用的主要方法 如图2 1 所示。 求功能元 _ f s z 一 求功能元解 _ f j 艺一 系统原理解 黑箱法 功能树 图2 1 原理方案设计流程图 f i g 2 1t h en o wd i a g r 砌o fp 血c i p l ec o n c e p t u a ld i s i g n 5 象| | 索 | 解一 索| | 合f | 敛 抽一 搜| | 分一 搜l | 组| | 收 重庆大学硕士学位论文 2 基于系统化设计法的转运系统设计 2 1 2 功能分析 在明确设计任务的基础上进行总功能分析。总功能分析体现设计任务的总目 标。功能是产品或技术系统特定工作能力抽象化的描述，它与产品的功用、用途、 能力等概念不尽相同。如燃气轮机的功用是原动机，具体用途可能是驱动发电机， 而它的功能是能量转化热能转化为机械能。 功能的描述要准确、简介，合理地抽象，抓住其本质，避免带有倾向性的提 法，这样能避免方案构思时形成框框，使思路更为开阔。 复杂的技术系统难以直接求得满足总功能的原理方案。系统分析法利用系统 的分解性原理，将总功能分解为较简单的功能元，通过功能元求解和功能元解的 组合探索系统的原理方案解。 大型装备零部件转运系统总体功能要求： 大型装备零部件转运系统实现零部件在实验室内不同位置间的运输； 完成零部件装配的辅助设备在实验室内的运输； 大型装备零部件转运系统实现零部件在0 9 0 0 之间任意角度装配，且实现部 分零部件在竖直状态下的1 8 0 0 翻转以实现双面装配； 大型装备零部件转运系统实现与其他辅助设备的准确对接； 实现多角度( 平放、斜放、垂直、1 8 0 0 翻转) 装校； 通过对不同元件对象功能要求进行分解分析，获得执行机构及其组合如图2 2 所示。 2 1 3 功能实现 为满足大型装备零部件转运系统总体功能要求，转运系统由洁净转运小车( 主 要针对零部件) 、经改装的电动叉车及附属装置构成。 由于需转运的零部件众多，且在三维尺寸、重量、接口尺寸等方面有很大不 同，零部件需采用不同设备进行传递。根据零部件三维尺寸和零部件质量，以及 零部件装配过程中的洁净度和清洗工艺的需要，有些零部件需要采用高压喷淋和 真空烘烤等工艺实现清洗，对转运设备要有一定的防水和耐高温的要求，零部件 在清洗过程中统一使用具有翻转功能的转运小车实现转运，并兼做装配平台。系 统技术指标如下： 洁净转运小车： 转弯半径：q 5 0 0 n 蚰； 动力方式：翻转与提升采用电动方式，区间转运采用人工方式； 运行速度： 艺2 ，所以轴向平均负荷为吒= 巴。= 9 0 4 2 3 ) 额定寿命 负载系数无= 1 5 ，平均负荷巴= 9 0 4 2 ，额定寿命三( 陀v ) 三_ ( 彘卜6 l 无幸c 、7 表4 1 螺母型号和额定寿命对应表 t a b l e4 11 1 h ec o m s p o n d i n g 讪l eo f 卯e 锄dl i f e t i m eo f n u t 4 ) 每分钟平均转数 每分钟往返次数刀= 0 3 7 5 i i l i n ，行程长度= 1 0 0 0 聊朋 文 导程：只= 1 0 聊聊 虬= 等= 学娟衙1 b 导程：= 1 2 聊m 虬_ 等= 学观1 5 ) 根据额定寿命计算工作寿命时间 扎b n t - 3 2 1 0 2 6 ：额定寿命三( 旭，) = 8 1 5 1 0 6 ，每分钟平均转数7 5 l l 血一1 乙。：l ：业型q ：1 8 1 1 1 办 厶5 i 而2 丽刮引l 伪 b b n r - 3 2 1 0 5 3 ：额定寿命( 陀1 l ，) = 4 8 9 1 0 6 ，每分钟平均转数7 5 i i l i n 一1 l ：l ：兰璺：! 兰! q ：1 0 8 6 6 7 办 2 i 而2 丽剐吣0 0 刀 c b n t - 3 6 1 0 2 6 ：额定寿命三( 彤，) = 9 4 7 1 0 6 ，每分钟平均转数7 5 i i l i n 1 三。：上：2 ：兰z 兰! q ! ；2 1 0 4 4 办 厶2 i 瓦2 丽叫川钒彻 d b n t - 3 6 1 0 5 3 ：额定寿命三( 坨v ) = 5 6 7 1 0 6 ，每分钟平均转数7 5 i 血一1 。：l ：! 鱼：z 兰! q ：1 2 6 0 0 办 “2 i 瓦2 丽。1 伪w 门 e b n t 4 5 1 0 5 3 ：额定寿命三( 阳1 ，) = 1 2 6 6 1 0 6 ，每分钟平均转数6 2 5 也一 。：l ：! 兰鱼：鱼兰! 里：3 3 7 6 0 厅 2 i 而2 丽副川叫厅 6 ) 根据额定寿命计算运行距离寿命 a b n t - 3 2 l o 2 6 ：额定寿命三( ，p 1 ，) = 8 1 5 1 0 6 ，导程最= 1 0 聊聊 丘= 只1 0 。6 = 8 1 5 砌 b b n t 3 2 1 0 5 3 ：额定寿命三( 旭1 ，) = 4 8 9 1 0 6 ，导程忍= 1 0 所朋 丘= 三只1 0 。= 4 8 9 砌 c b n t - 3 6 1 0 2 6 ：额定寿命三( 旭v ) = 9 4 7 1 0 6 ，导程只= 1 0 所所 = 三只l o 。= 9 4 7 砌 d b n t - 3 6 1 0 5 3 ：额定寿命三( 坨1 ，) = 5 6 7 1 0 6 ，导程最= 1 0 m 掰 厶= 三只1 0 。6 = 5 6 7 砌 e b n t 4 5 1 0 5 3 ：额定寿命三( ，p 1 ，) = 1 2 6 6 1 0 6 ，导程忍= 1 2 所所 三。= 三只1 0 。6 = 1 5 1 9 2 砌 3 7 重庆大学硕士学位论文 4 举升机构传动件的选择与校核 由上可知，能满足希望寿命时间l 1 0 4 小时， 4 1 6 定位精度的探讨 导程精度的探讨 选择了精度等级为c 7 的滚珠丝杠导轨， 轴向间隙的探讨 可选择以下型号：b n t 4 5 1 2 5 3 运行距离误差：土o 0 5 所朋3 0 0 聊聊 从一个方向进行定位时，轴向间隙不影响定位精度，所以不需要探讨。 b n t - 3 2 1 0 ： 轴向间隙0 1 4 n u n b n t - 3 6 l o ：轴向间隙0 1 7 m m b n t 4 5 1 2 ：轴向间隙0 1 7 i 衄 轴向刚性的探讨 因负荷方向发生变化，所以需要根据轴向刚性来探讨定位精度。 在l = 1 0 0 衄和l = 1 1 0 0 n u n 之间的轴向刚性之差，仅为丝杠轴的轴向刚性。 1 ) 丝杠轴的轴向刚性 恕：黑：三安学，e ：2 0 6 1 0 5 m 聊 ( 4 1 4 ) 5 1 0 0 0 三 4 0 0 0 三 、 巩 b n l ，3 2 l u ：d l = r 2 ，2 聊聊 l ：1 0 0 s 时：七：至兰型：兰兰：旦鱼兰! q ：1 1 8 8 “册 l ：1 1 0 0 s 时：七。：垄兰婴：兰兰：q 堕q ：1 0 8 删 b b n l - 3 6 1 0 ：4 = 3 0 5 历坍， l = ，o o s 时：屯= 三2 蔓笔三言掣= 5 0 4 ，“册 l = ，。s 时：屯= 1 2 生笔笔等= 3 7 ，“m c b n 5 1 2 ：磊= 3 9 2 聊坍， l ：1 0 0 s 时：七：至型兰兰：q 堕笠：2 4 8 5 “册 o o s 时：恕= 譬黑焉等珑6 川姗 2 ) 丝杠轴的轴向刚性引起的轴向变位置 3 8 重庆大学硕士学位论文 4 举升机构传动件的选择与校核 h o o s 时：磊= 鲁= 等一s 4 2 “朋 h 姗s 时：嘎= 乏= 等观翩 b b n t - 3 6 1 0 ： h o o s 时：磊= 鲁= 等而6 5 “肌 h 瑚s 时：磊= 乏= 等娟姗 c b n t - 4 5 1 2 ：西= 3 9 2 聊聊， h o o s 时：磊= 鲁= 裟“呦 洲o o s 时：岛= 乏= 等矾2 堋 3 ) 进给丝杠系统的轴向刚性引起的定位误差 b n t - 3 2 1 0 ：定位精度= 8 4 2 9 2 6 = 8 4 1 8 ； b n t - 3 6 1 0 ：定位精度= 6 6 5 7 3 = 6 6 3 5 ； r n t - 4 s 1 ，宦付焙府：4n ，4 4 ，= 4 n1r 4 2 伺服电机的选型与校核 伺服电机是根据负载来选取的，即加在伺服电机轴上的负载转矩和负载惯量。 负载转矩包括翻转转矩和摩擦转矩；负载惯量指由电机驱动的所有做旋转运动和 直线运动的部件的惯量折算到电机轴上的惯量总和。 以b n t 4 5 1 2 进行讨论 4 2 1 由外部负荷引起的摩擦扭矩 摩擦扭矩如下： 互：互磐墨謇彳：型至丝上：1 3 4 5 聊聊：1 3 4 5 所( 4 1 5 ) 2 万木，7 2 万o 95 0 4 2 2 负载转动惯量计算 电机的负载惯量指由电机驱动的所有做旋转运动和直线运动的部件的惯量折 3 9 重庆大学硕七学位论文 4 举升机构传动件的选择与校核 算到电机上的惯量总和【3 鲫】。 丝杠轴上的转动惯量计算： 每单位长度的丝杠轴的惯性扭矩为3 1 6 1 0 。2 堙例2 垅肌， 1 2 0 0 m m 的惯性力矩如下： 以= 3 1 6 1 0 - 2 1 2 0 0 = 3 7 9 2 姆c m 2 = 3 7 9 1 0 。3 堙m 2 减速器转动惯量 则丝杠全长 ( 4 1 6 ) 减速器以= 0 1 3 磁硎2 = 1 3 1 0 _ 5 磁聊2 电机负载转动惯量计算 ，：厶f 丝1 1 0 。6 + 以+ 已 北m 撬卜一枷瓠7 ， = 3 8 1 0 q 堙 加在电机上的负载惯量大小对电机的灵敏度和整个系统的精度将产生影响。 通常情况下，当负载转动惯量小于电机转子惯量时，上述影响不大；但当负载惯 量达到甚至超过转子惯量的5 倍时，会使灵敏度和响应时间受到很大影响。 推荐对伺服电机惯量厶和负载惯量，之间的关系如下：1 乡乞5 口绷，因 此，电机的惯量厶应满足以下关系： 厶t ，即7 6 1 0 _ 4 培朋2 厶3 8 1 0 - 3 姆朋2 初步选定额定惯性矩为1 1 5 5 1 0 _ 4 堙肌2 4 2 3 电机扭矩计算 电机轴转动惯量计算： ，；以f 丝1 彳2 1 0 巧+ 以彳2 + 以+ 厶 地m 魏愕枷刀枷。扣3 枷。n 5 5 枷一 = 1 1 7 1 0 q 堙所2 ( 4 1 8 ) 以模块转动惯量； 饥模块转动角速度； 重庆大学硕士学位论文 4 举升机构传动件的选择与校核 缈电机角速度； 厶电机转动惯量； 电机轴角加速度： 国，：堡生：望兰三q q q ：3 1 4 脚j ： ( 4 1 9 ) 国= 生= 一= j l 珥删，j l i yj 6 0 f 1 6 0 l 根据上述，电机加速所需要的扭矩如下： 互= ，= 1 1 7 1 0 3 3 1 4 = o 3 7 聊 ( 4 2 0 ) 电机轴扭矩： 加速时所需要的扭矩最大 瓦瞰= 五+ 瓦= 1 3 4 5 + 0 3 7 = 1 7 1 5 m 电机扭矩 在上边计算中加速时所产生的扭矩成为所需要的最大扭矩。 甲 乙= 二 ( 4 2 1 ) j i l t - 一丝杠驱动力矩，由前面计算z = 1 7 1 5 所 已一电机驱动力矩( 班) ，7 减速器效率，取，7 = 7 8 代入公式得：乙= 2 1 9 9 m 因此，伺服电机的瞬间最大扭矩必须在2 1 9 9 聊以上。 4 2 4 电机功率 p ：业：三：! 竺! 兰! q q q ：o 6 9 1 册：6 9 1 形 ( 4 2 2 ) 9 5 5 09 5 5 0 因此，伺服电机的功率必须大于6 9 1 形。 根据上述条件，选择g y g 7 5 1 c c 2 t 2 型伺服电机，功率为7 5 0 w ，额定转矩 为3 5 8 聊，额定惯性矩为1 1 5 5 1 0 _ 4 堙聊2 f 删 4 3 本章小结 本章阐述了滚珠丝杠的选型流程和选取方法，根据本课题的实际情况选取 b n t 4 5 1 0 5 3 型滚珠丝杠，并对其进行了校核；阐述了伺服电机的选取方法，从 电机的负载转动惯量、电机转矩和电机功率三个参数考虑，对本课题所要求的电 机进行了选型和校核。 4 l 重庆大学硕士学位论文 5 基于有限元法的关键零部件分析 5 基于有限元法的关键零部件分析 经验证明，机械结构的不少事故时发生在连接处，而连接处的加固比构件的 加固更为困难，因此连接是金属结构设计的重要环节，必须给予足够的重视。 5 1 接触问题的经典力学解法与有限元方法 1 8 8 1 年h e i 血c hh e n z 发表了关于接触问题的著名论文，从而奠定了接触力学 的理论基础。一百余年来，接触力学首先在弹性理论中得到发展和完善，然后逐 渐扩展到弹塑性、粘弹性、塑性以及各向异性材料、动力学和运动学等各领域， 提出了各种接触问题的解法。 工程上的接触问题主要有以下几类1 4 l j ： 弹性物体的接触。主要研究弹性物体之间的接触，或弹性物体与刚性物体 之间的接触。虽然材料本构关系仍然是线性的，但也存在表面非线性。 塑性物体的接触。主要研究材料屈服后的接触，应力应变之间的本构关系 非常复杂，属于材料非线性和表面非线性的耦合问题，包括弹塑性接触、刚性物 体和塑性物体之间的接触、塑性物体和塑性物体之间的接触等。 粘弹性物体的接触。其中主要是线性粘弹性物体的接触，应力和应变仍是 线性，但其系数和时间、速率有关。包括粘弹性物体和刚性物体的接触、粘弹性 物体和粘弹性物体之间的接触。 可变形固体同液体之间的接触。如机械零件和润滑油膜之间的接触，属于 固体和液体之间的耦合问题。 接触问题的解法有解析法和数值方法。解析法又称为经典接触力学法，经典 的赫兹型接触问题可以应用位移势函数或拉普位移函数等求解。接触问题属于数 学上的混合边界问题，积分方程是接触力学的主导方程。由于不连续接触边界的 端点及各种间断点都可能成为奇点，于是有的主导方程变成为奇异积分方程。求 解积分方程可以用积分变化。而平面接触问题可以用复变函数求解，即以半平面 的边界方程作为根据，寻求半平面内部的一个解析函数或者位势函数，从而得到 接触变形和接触应力的计算公式。经典接触力学只能求解一些几何形状比较规则 的物体，应用范围十分有限，但可以给出封闭的解析解，揭示一般规律。 接触问题的数值方法又称为非经典接触力学，随着计算机技术的发展，它可 以求解很多复杂的接触问题，但不能得出一般性的函数关系，对于复杂的问题需 要进行专门的研究来开发软件。在工程运用上数值解已经获取很多重要的成果， 例如有限元法、边界元法、有限差分法，与数值方法相配合的各种变分法、实变 4 2 重庆大学硕士学位论文 5 基于有限元法的关键零部件分析 函数法、泛函数分析法等。其中有限元方法应用最广泛，可以求解边界条件、几 何形状、载荷方式复杂的工程接触问题，本文采用有限元方法求解齿轮啮合接触 问题。 取二维平面接触为例研究接触问题的有限元法的基本算法。如图5 1 为两个相 互接触的弹性体a 和b ，假设弹性体a 上的编号为1 的节点和弹性体b 上编号为 2 的节点是一接触点对，在边界条件和外载荷n 和的作用下，产生位移蝴和 图5 1 两接触弹性体 f i g 5 11 w oe l 鹊t i cb 0 d i e s 根据有限兀i 去的基本理论，分别得剑两弹性体的半衡万) l 茔 m 一 = p _ + ( 5 1 a ) k 口m 8 ) = p 占) + 胪 ( 5 1 b ) 式中： k 月 、 k 口 弹性体a ，b 的整体刚度矩阵； 甜4 ) 、 “日) 弹性体a ，b 的节点位移向量； p 4 、 p b 弹性体a ，b 的外载荷向量； 尺_ ) 、 尺曰) 弹性体a ，b 的接触力向量。 当弹性体材料、外载荷条件确定，且选定单元类型后，上式中 k 4 、 k b 、 p 彳) 、 p 口) 是已知的， ”彳 、 甜口) 、 r 一) 、 足8 ) 是基本未知数，只有这两个方 程无法直接求解出这四个未知量，还必须补充接触点对的接触连续条件。 接触面e 的接触条件，主要为不可侵透条件和摩擦条件。对于接触或将罂棰 4 3 重庆大学硕士学位论文 5 基于有限元法的关键零部件分析 触的两个物体，其界面接触状态可以分为分离、粘结接触和滑动接触三种。对于 这三种情况，接触界面的位移和力条件各不相同【3 4 】。取a ，b 上一个接触点对， 设、磁分别为接触点对的法向接触力，硝、呓为接触点对的切向接触力，以、 ”三为接触点对的法向位移，彳、“去为接触点对切向位移，则以下方程即是接触 点对的定解条件。 1 ) 分离状态 = 硝= 呓= 磷= o( 5 2 ) 2 ) 粘结接触状态 i + 磁= o 髂f 3 ， i 张= “幺 。一7 【彳= 磋 3 ) 滑动接触状态 + 磁= o + 磁= o = 畦 = 醚 ( 5 4 ) 可见对于一种特定的接触状态，假设有m 个接触点对，就可以找到4 m 个定 解条件作为补充方程，那么式( 5 1 ) 就可以求解了。 接触求解的过程是，对于有限元模型中的一个接触点对，首先给定一个假定 的接触状态，将其定解条件代入平衡方程( 5 1 ) ，求出节点位移和接触点对接触力向 量。然后根据节点位移和接触点对向量检查计算得到的接触状况和假设的接触状 况是否相符，如不符即要重新假定接触状态，再次选择定解条件，重新进行迭代 求解平衡方程，直到计算前后接触状态完全符合。 5 2c o m o s w b r k s 简介 c o m o s w b r l ( s 使用s r a c (