玻璃烫钻多头研磨机床的结构优化设计.docx

玻璃烫钻多头研磨机床的结构优化设计王腾龙，秦宝荣，金少波( 浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，杭州 310014)王腾龙摘 要:一阶固有频率是衡量结构动态特性的重要指标，而磨床大件部件本身的固有频率对整机的动态特性起着决定性作用。设计开发出一种专门用于对玻璃烫钻进行表面加工的研磨机-玻璃烫 钻多头研磨机床，并利用有限元方法对研磨机床整机进行了动态性能特性分析。通过改进立柱和 床身这两个磨床大件部件结构的一阶固有频率以提高整机的动态性能，避免整机在工作过程中出 现共振现象。最后对改进后的整机结构动态性能进行了分析，结果显示改进后的整机固有频率得 到了提高，为较合适有效的改进方案。关 键 词:玻璃烫钻; 多头研磨机; 固有频率; 共振中图分类号:tg58文献标识码:a文章编号:1003-8728( 2012) 02-0260-05structural optimization design for a hot-fix multi-head milling machinewang tenglong，qin baorong，jin shaobo( key laboratory of special purpose equipment and advanced manufacturing technology，ministry of education，zhejiang university of technology，hangzhou 310014)abstract: first-order natural frequency is an important indicator to measure the structural dynamic characteristics and the dynamic characteristics of a grinding machine depend on the natural frequencies of its large parts in this paper，the hot-fix multi-head milling machine is designed for the surface processing of hot fix rhinestone，and the dynamic characteristic of hot-fix multi-head milling machine has been analyzed the natural frequencies of great parts such as column and grinder bed were raised by optimizing structures in order to improve the dynamic perform- ance of hot-fix multi-head milling machine，avoiding the resonance phenomenon during its working process final- ly，the model analysis of the hot-fix multi-head milling machine optimized has been conducted and it turn out that the optimization structure is feasiblekey words: hot fix rhinestone; multi-head milling machine; natural frequency; resonance烫钻，其主要成分是水晶玻璃，主要用于装饰工艺。用于增强服装的美感，强化服装的个性，有化平 淡为神奇的功效，是一种新兴的服饰装饰工艺1。 在烫钻制作过程中，需对烫钻进行研磨工艺加工以 去除毛刺提高烫钻表面加工质量2。因此设计和 研发玻璃烫钻研磨机对于提高烫钻制造水平具有直 接意义。国外烫钻研磨设备企业主要以韩国的南荣机电 株式会社为主，该公司主要生产数控精密自动研磨机为主，图 1 就是该公司生产的 kslm900 系列烫钻研磨机产品。该产品具有产量大、品质高、质量稳 定、成本低、采用触摸屏式平板电脑、嵌入式计算机 控制，为用户提供开放式的图形操控界面具有精度 高、操作简单等特点，但价格较为昂贵。国内在烫钻 研磨机领域的研究和开发则比较落后，只有少数厂 家能生产简易烫钻研磨机，例如兰溪市企星工程机 械制造有限公司，图 2 即为其生产的烫钻研磨机。 国产烫钻研磨机与国外产品相比，产品技术含量较 低，自动化程度不高，加工精度低，安全性低，产品使 用寿命短，成本高、研磨时间长、产量低以及对环境 污染严重等缺点，严重影响了烫钻研磨的效率和质 量，这对我国烫钻制造的发展是一个极大的制约。收稿日期:2010-10-10作者简介:王腾龙( 1986 ) ，硕士研究生，研究方向为机床系统设计 与开发，结构分析，wtl 333 yahoo com cn; 秦宝荣( 联系 人) ，教授，博士生导师，qbr600511 zjut edu cn第 2 期王腾龙等: 玻璃烫钻多头研磨机床的结构优化设计261致磨床发生共振4，5，从而引起磨床严重变形，影响加工效率和加工质量，因此因设法提高磨床整机的 第一阶固有频率，远离工作频率。利用有限元方法 首先对烫钻磨床的整机结构进行了模态分析，而后 探讨了如何提高立柱和床身等磨床大件部件的一阶 固有频率及其对于提高整机动态性能的影响，为实 现磨床的优化改进提供必要的依据。因此，开发具有自主知识主权的国产烫钻研磨机势在必行。玻璃烫钻多头研磨机图 3 为多头研磨机的结构示意图，该研磨机装 有 3 个磨盘，分别为粗磨盘、精磨盘和细磨盘，磨 盘下方为转动工作台，工 作 台 上 装 有 6 个 卡 盘。 该研磨机的工作原理为烫钻通过胶水以底面朝上 均匀排列在工装盘上，工装盘通过卡盘卡紧，随着 工作台间歇性的转动依次实现粗磨、精磨、细磨等 加工工序。研磨机采用电机驱动主轴，最高转速 为 1 250 r / min，最大工作频率为 48 hz。1图 1 kslm900 系列烫钻研磨机图 2 国产烫钻研磨机在对玻璃烫钻的加工工艺深入研究的基础上，设计开发了一种玻璃烫钻多头研磨机床。本磨床采 用的是高速磨削技术，它具有提高磨削效率、延长磨 轮寿命和降低表面粗糙度等优点3。然而这种高 速磨床与传统机床比较，要求具有高精度、高抗振 性，其动态性能要高 5 10 倍，且工作频带至少高 2 3 倍。若仍采用普通磨床的结构，磨床结构前几 阶的固有频率可能会处于工作频率范围之内，将导图 3 多头研磨机磨床整机模态分析在实体建模软件 pro / e 中建立整机三维模型， 导入有限元分析软件 ansys，进行模态分析，得到 它们从 0 1 000 hz 的前 10 阶固有频率如表 1 所 列，图 4 为整机的前 3 阶振型图。2表 1 整机模态分析结果分析结果表明，整机的前几阶振型均为立柱的倾斜，对磨床的加工精度有较大的影响。1 阶振型 为中间立柱向前倾斜，固有频率在 48 hz 左右，而此频率与磨床工作频率相近，因此在研磨机加工过程中比较容易引起结构的共振，直接影响着工件的加 工精度和生产效率，因此必须对磨床进行结构优化。阶次1 阶2 阶3 阶4 阶5 阶6 阶7 阶8 阶9 阶10 阶频率 / hz47. 62053. 87067. 37072. 97876. 19184. 53596. 36598. 282138. 79174. 75振型中间立 柱前倾立柱均 向左倾斜立柱均 向前倾斜右侧立 柱前倾左侧立 柱前倾中间立柱 向左倾斜工作台 向左倾斜工作台向 左后倾斜工作台向 右后倾斜平衡架 前倾机械科学与技 术第 31 卷262图 4 磨床整机前 3 阶振型图固有频率是衡量结构动态特性的重要指标，磨床大件部件本身的固有频率对整机的动态特性起着决定 性作用。在远离振源频率的前提下，提高大件部件的 固有频率可以改善整机的动态特性，从而减小磨床加 工过程中的变形6。因此本文对磨床的大件部件如立 柱、床身等进行了结构优化以提高其固有频率。3立柱的结构改进优化立柱原始结构有限元模型见图 5。立柱改进结构如图 6 所示。对立柱进行不同结构的模态分析，具体分析方案见表 2，分析结果及振型规律列于表3，立柱原始结构振型如图 7 所示。图 5 立柱原始结构有限元模型图 6 立柱改进结构图表 2 立柱模态分析方案表 3 不同方案下立柱模态分析结果对比1 阶频率/ hz振型2 阶频率/ hz振型3 阶频率/ hz振型原始结构239. 88扭转241. 22弯曲531. 31扭转方案 1237. 72弯曲254. 15扭转529. 16扭转方案 2240. 73扭转248. 76弯曲534. 19扭转方案 3239. 53扭转240. 64弯曲531. 20扭转方案 4234. 77弯曲368. 61扭转550. 77扭转方案 5260. 19弯曲272. 03扭转581. 56扭转方案结构结构图原始结构原始结构改进结构 1增加一条横向筋板图 6a)改进结构 2增加一条竖直筋板图 6b)改进结构 3在原结构的基础上再在 各连接出增加三角筋板图 6c)改进结构 4立柱采用“米”字型筋板结构图 6d)改进结构 5立柱的左右两侧加上三角筋板图 6e)第 2 期王腾龙等: 玻璃烫钻多头研磨机床的结构优化设计263图 7 立柱原始结构前 3 阶振型图由表 2 和表 3 分析结果可知，5 种改进方案只有方案 5 对立柱侧面加三角筋后其一阶固定频率增 加了 21 hz，而其他 4 种方案结构改进后立柱的 1 阶 频率没有显著的变化。因此可以得出改变立柱结构 内部筋板布置对立柱的 1 阶固有频率影响均不大， 而在立柱外侧加斜筋板可以有效地提高立柱的固有 频率，是比较适合的改进方法。表 4床身模态分析方案床身的结构改进床身原始结构有限元模型如图 8 所示。4图 8 床身有限元模型对床身进行不同结构的模态分析，具体分析方案见表 4，床身改进结构见图 9。分析结果及振型规 律列于表 5，床身原始结构振型如图 10 所示。图 9 床身改进结构图表 5 不同方案下床身模态分析结果对比1 阶频率 / hz振型2 阶频率 / hz振型3 阶频率 / hz振型原始结构140. 76床身横向倾向161. 30后床身倾斜194. 73床身纵向倾斜方案 1158. 37床身横向倾向196. 04后床身倾斜244. 69床身纵向倾斜方案 2142. 77床身横向倾向164. 57后床身倾斜201. 89床身纵向倾斜方案 3173. 71床身横向倾向219. 35后床身倾斜232. 42床身纵向倾斜方案约束结构结构图方案 1所有地角螺 栓处全约束床身侧壁加厚 20 mm原床身结构方案 2在床身壁、平台和底板等 各连接处加强三角筋板图 9a)方案 3减小床身侧壁开槽尺寸图 9b)机械科学与技 术第 31 卷264图 10 床身原始结构前 3 阶振型图从表 4 和表 5 中可看出，上述各种改进方案，方案 1 增厚床身侧壁和方案 3 减小开槽尺寸均能有效 提高床身的固有频率，但方案 2 在连接处增加三角筋 则对床身的固有频率影响不大。对比方案 1 和方案3，得出两者改进后的一阶频率分别降低了 12. 5% 和23. 4% ，可以得出方案 3 对床身的动态性能的改进更 加显著。并且方案 1 中增厚床身侧壁导致床身的质 量增加为 2 737. 6 kg，远高于方案 3 中的改进后结构 的质量 2 427 kg。因此从床身动态性能以及床身轻量化等方面来看方案 3 减小开槽尺寸是较好的改进方案。分析结果说明，在床身侧壁开槽过大，中断了 其纵横筋条，严重影响床身的动态性能。改进后的整机模态分析最后对采用改进结构的磨床整机进行了模态分 析，并与原始结构的磨床进行了对比分析，分析结果 列于表 6，结构改进后整机的各阶振型与原始结构 整机相同。5表 6 结构改进后整机的各阶振型与原始结构整机对比从分析结果可以看出整机的 1 阶频率也提高了4 hz，达到 51 hz 左右，远离了共振频率，其他阶频 率也有较显著的提高。因此可以得出，对立柱和床 身的结构改进对其动静态性能以及整机的动态性能 均有明显的改善作用，为较合适有效的改进方案。重影响床身的动态性能。2)增加侧壁厚度也能提高床身动态性能，但从床身轻量化以及节省原材料等方面来考虑，一般不采用。3)在床身各连接处增加三角筋板对增加提高固有频率影响不大。结论通过对磨床的薄弱环节-立柱和床身及改进型 之间的动态分析和对比，发现各种不同结构对提高 第 1 阶固有频率的影响不同。就立柱而言:1) 对立柱外侧增加斜筋板可有效提高第 1 阶 固有频率。6参考文献1段亚峰 烫帖-现代服装“点睛术”j 西北纺织工学院学报，2001，( 1) : 37 38陈莹 烫钻与服装装饰j 浙江纺织服装职业技术学院学报，2008，3( 1) : 32 35冯宝富，蔡光起等 超高速磨削的发展及关键技术j 机械工 程师，2002，( 1) : 5 9杨棣，唐恒龄，廖伯瑜 机床动力学( ) m 北京: 机械工业 出版社，1983张伯霖 高速切削技术及应用m 机械工业出版社，2002 胡如夫，孙庆鸿，陈南 高精度内圆磨床结构动态优化设计研 究j 中国机械工程，2002，13( 18) : 18 20232)增加立