（机械设计及理论专业论文）片基带指形接头数控冲床的设计及研究.pdf

浙江工业大学硕士毕业论文 片基带指形接头数控冲床的设计及研究 摘要 切齿是片基带加工工艺过程中重要的一个工序。国内对切齿设备的研发起步 比较晚，只能生产低端产品，不能满足国内片基带加工企业的要求。国外的切齿 设备技术含量高但价格昂贵。因此，研发高性能的片基带切齿设备具有着重要的 社会效益和经济效益。 本文在研究片基带加工工艺的基础上，开发了片基带指形接头数控冲床，并 对机床的支承件进行了优化。论文的主要工作包括： 1 对片基带指形接头数控冲床的机械系统功能进行分析，完成了冲床的整 机和各部件的设计、建模。 2 建立床身有限元模型，在挠度最大位置施加载荷，并在机架地脚螺栓处 施加边界条件，然后对其进行静态分析，得到床身的应力与变形。 3 根据静态分析结果，对床身进行结构改进，通过分析得到一个最优的结 构改进方案，在此基础上，进一步对支承件的截面尺寸进行优化，得到了一个满 意的结果。 4 对床身进行模态分析，用l a n c z o s 方法求出床身优化前后方案的前六阶 固有频率以及振型，与计算出的工作频率相比较，确保冲床工作时不会发生共振。 关键词：数控冲床，有限元分析，优化设计，模态分析 a b s t r a c t 一 r e s e a r c ha n dd e s i g no nt h e b e l tw i t h f i n g e r j o i n tc n cp u n c h a b s t r a c t f i n g e r - c u tp l a y s a l l e x t r e m e l yi m p o r t a n t r o l ei nt h ep r o c e s so f b e l t m a n u 内c 嘶n g a si t sv e r yl a t ed e v e l o p e di nd o m e s t i c ，t h em a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t y c a no n l vc o p ew i t hl o w e n dp r o d u c t ，h a r d l ym e e t i n g t h ed e m a n d so fb e l t m a n u f a c t u r i n gf r o md o m e s t i ce n t e r p r i s e s i nc o n t r a s t ，t h ef i n g e r - c u td e v i c e sp o s s e s s h i g ht e c h n o l o g yb u tc o s tal o ti na b r o a d s o ，i tb r i n g sg r e a ts o c i a l a n de c o n o m i c s i g n i f i c a n c et os t u d yt h ef i n g e r - - c u td e v i c ew i t h h i g h - p e r f o r m a n c e b a s e do nt h ed e e pr e s e a r c ha b o u tp r o c e s s i n go f b e l tm a n u f a c t u r i n g ，t h eb e l tw i t h f i n g e r - j o i n tc n cp u n c h i sd e v e l o p e d a n dt h es u p p o r t i n gp a r t sa r eo p t i m i z e d t h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l v ，t h ef u n c t i o no fm e c h a n i c a ls y s t e mo ft h eb e l tw i t hf i n g e r - j o i n tc n c p u i l c hw a sa n a l y z e d ，c o m p l e t e l yf i n i s h i n gt h ed e s i g na n dm o d e lc r e a t i n g o fc n c p u n c ha n dc o m p o n e n t s s e c o n d l v ，t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo fp u n c hb a s ew a se s t a b l i s h e d ，t h e nt h el o a d w a sp u to nt h em a x i m u md e f l e c t i o nl o c a t i o na n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sp u to n t h e f o u l l d a t i o nb o l to fr a c k t h er e s u l t so fs t r e s sa n ds t r a i nw e r eo b t a i n e db yt h es t a t i c a n a l y s i s t h i r d l y ，a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s u l t s ，t h es t r u c t u r eo f t h el a t h ew a si m p r o v e d m e 砒1 w h j l e t h eb e s ti m p r o v e ds c h e m ew a sf o u n d o nb a s i so ft h i s ，t h ec r o s s s e c t i o n s i z e so fs u p p o r tp a r t sw e r ef u r t h e ro p t i m i z e da n das a t i s f y i n gr e s u l tw a sa c h i e v e d f i n a l l y ，t h em a c h i n et o o lb o d yw a sa n a l y z e dm o d e l y t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n d v i b 期t i o ns t y l ew i t hf i r s ts i xo r d e r sb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o nw e r eg i v e nu n d e r t h e u s eo fl a n c z o s ，w h i c hw a sc o m p a r e dw i t ht h ec a l c u l a t e do p e r a t i n gf r e q u e n c y , a sa r e s u i t t h ep h e n o m e n o no fs y m p a t h e t i cv i b r a t i o nw a se l i m i n a t e di nt e r m so fm a c h i n e o p e r a t i o n 浙江工业大学硕士毕业论文 i l l k e yw o r d s ：c n cp u n c h ，f e ma n a l y s i s ，o p t i m u md e s i g n ，m o d a la n a l y s i s 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 片基带( 图1 1 ) 是一种高速传动平带，中间是带芯层；表面覆盖橡胶、皮 革等。 图1 1 片基带 片基带与传统的帆布传动带和v 带相比，具有拉力强、耐曲挠、效率高、噪 音小、耐疲劳、耐磨性能良好、使用寿命长等优点。因此在印刷、包装、烟草、 纺织印染、邮政等行业广泛应用。 所有的片基带必须接成环形才能使用，所以片基带接头的好坏直接影 响其使用寿命以及使用性能。片基带接头方法一般有机械接头、冷粘接接头、 热硫化接头等三种主要的接头方法。其中，热硫化接头是较理想的一种接头 方法，具有接头效率高、接头质量稳定，使用寿命长等优点。目前，热硫 化接头方法在片基带加工行业中得到了广泛的使用。 采用热硫化方法接头时，片基带对接主要有快速对接、磨接、齿接三种方 式。片基带齿接方式可以有效提高带的连接强度，是片基带加工行业中生产高 强度片基带的主要连接方式。 片基带指形接头数控冲床就是对片基带接头进行切齿加工的专用冲裁设备， 主要有直接切齿以及分层切齿两种切齿方式。其中，分层切齿对冲床的刚度有很 l 第1 章绪论 高的要求。目前，国内能够生产片基带指形接头数控冲床的企业只有几家，大多 处于仿造国外低端产品的阶段，加工效率及自动化程度低，基本上不具备分层切 齿的能力，不能满足国内片基带生产企业的需求。国外的片基带指形接头数控冲 床自动化程度高，精度好，功能强大，但价格高昂，一般中小企业难以承受。 针对上述情况，研发高性能的片基带指形接头数控冲床，对提高我国片基带 切齿设备的技术水平，具有直接的现实意义。另外，为广大的中小片基带加工企 业提供先进技术与装备，能有效提升片基带的加工质量与效率，从而提高产品的 竞争力，具有重要的社会效益和经济效益。 本文主要是对片基带指形接头数控冲床机械结构的设计及重要部件的研究， 目的是解决片基带分层切齿的中冲床的变形问题，开发具有自主知识产权的片基 带指形接头数控冲床，提高片基带切齿加工的质量和效率。 1 2国内外发展情况和研究现状 1 2 1片基带的国内外发展情况 从片基带表面覆盖层用的材料来看，常用的橡胶已经由天然橡胶发展 到合成橡胶，进一步又扩大到特种合成橡胶c s m ( 氯磺化聚乙烯橡胶) 、h n b r ( 氢化丁晴橡胶) 。虽然特种合成橡胶价格十分昂贵，但其性能优异，覆盖 特种橡胶的片基带在很多精密机械方面应用广泛，其发展前景十分广阔。 从片基带中间带芯层的材料看，发达国家带芯的材料主要为锦纶、聚酯、 聚酯一锦纶和芳纶等，其中锦纶和聚酯使用量最大，芳纶也进入应用阶段，早已 淘汰了棉带芯。我国带芯的材料主要为聚酯、锦纶和棉。目前我国棉带芯的产量 已经下斛1 1 ，现在以锦纶和聚酯为带芯片基层的高强力片基带产量却大幅度增长。 这表明片基带带芯材料的升级换代正在快速进行。片基带带芯从结构上主要分为 帆布( 分层式织物) 带芯、整体织物带芯、直经直纬织物带芯及其变型 2 1 。前两 类带芯，尤其是帆布带芯在我国已基本形成生产规模，而直经直纬织物带芯的生 产正处于发展阶段。 由于各种不同行业、机械设备对片基带的要求不同，以及各种片基带 2 浙江工业大学硕士学位论文 的价格高低相差悬殊，今后片基带将朝着结构、材料多元化的方向发展， 材料会不断的更新换代，其用途和品种规格也日趋多样化。 1 2 2片基带切齿设备的国内外发展现状 由于片基带的品种规格很多，生产批量有大有小，且产品变动频繁， 给工艺设备的连续化、自动化带来了诸多困难。当前国外的发展趋势是努 力研究实现工艺的连续化生产，提高设备自控水平，促使生产效率大幅度 提高。而国内除少数引进技术设备的企业和合资企业外，大多处于后进状 态，急需改造、改进生产技术与设备。这一点在片基带切齿设备的生产中 尤其明显。 在国外，以欧美为代表的发达国家片基带的加工起步时间比较早，设备的开 发设计与制造工艺都比较成熟。其生产的片基带指形接头数控冲床自动化程度高， 精度好，但价格高昂。目前国外以h a b a s i t ( 哈伯斯特) 公司为代表的企业能 够设计制造出多款不同结构样式的片基带接头数控冲床，且设备自控水平 很高。图1 2 所示是该公司生产的片基带指形接头数控冲床，型号为a f 1 2 0 i 。 该型设备基本实现了自动化，具有加工精度高、加工质量稳定可靠、操作 简单等优点。 图1 2a f 1 2 0 1 片基带冲床图1 3国内某塑片基带冲裁设备 而国内的企业目前还处在仿制国外低端产品阶段，产品的技术含量不 高，自动化程度较低，加工精度往往不高，安全性能差。图1 3 是国内某型 3 第1 章绪论 片基带冲裁设备，该型产品技术含量较低，依靠手工切齿，加工精度及效率低 下，且存在安全隐患。 因此，开发高性能的片基带指形接头数控冲床非常有必要。 1 2 3 机床结构分析与优化的国内外发展状况 随着应用场合的不同，片基带的宽度也不同，最大规格的片基带宽度达到 6 米，为了适应各种规格片基带切齿加工的需要，机床的横向跨度很大，机床的 弹性变形将直接影响刀片的冲压行程。而切齿加工过程中，对刀片冲压行程要求 很高，尤其是分层切齿的高强度带的加工，冲压行程小，将冲不透，冲压行程过 大将会把下层基带冲坏。因此，要求机床的支承件具有较高的静态刚度。机床工 作过程中，工作载荷是周期性的脉冲载荷，容易引起机床振动，也会影响刀片切 齿的行程和切齿的整齐性，因此，还要求机床具有较好的动态性能。由于片基带 指形接头数控冲床是一种专用机床，成熟的设计参考资料较少，但是通用机床的 设计分析方法和成熟经验具有重要的参考价值。 目前，国内外对机床的研究主要是运用有限元法对模型进行分析优化。首先 介绍一下国外对机床的研究状况。国外在机床的结构动力学分析和结构优化等方 面的研究发展很快。德国的m n e u m a n n 等人对机械压力机建立了三种复杂程度 不同的工程模型，并通过实验验证模型参数的正确性，从而对压力机进行了计算 机仿真和动态设计【3 】。丹麦的m a r e n t o f l 等学者设计了一种压力机实验，确定了 压力机的六个刚度，从而为压力机的设计提供了有益的帮助【4 j 嘲。b e n d s em p 和 k i k u c h in 采用h o m o g e n i z a t i o n 方法实现了对连续体结构的拓扑优化处理，揭开 了结构拓扑优化研究的序幕1 6 。美国g b i a n c h i 等学者进行了机床的动态设计与 控制相结合的研究；l o w a 州立大学的j m v a n c e 与i s u 研究中心的t p y e h 等 学者运用虚拟现实技术来进行机床结构的形状优化设计；m i c h i g a n 大学的t j i a n g 等人在动态分析与应用有限元法的基础上，提出了一种模拟机床结构的联接形式 的数学模型，建立整机的模型并对机床结合面的联接件的位置和数量进行拓扑优 化设计1 7 母】。美国k r i s h n a s w a m i p 等人提出了通过平衡机床的性能、稳健性、公 差许可来对机床系统进行优化【l o 】。美国密歇根大学的o r l a n d e a n 提出采用平面包 4 浙江工业大学硕士学位论文 络算法及a d a m s 软件来优化设计并联机床【1 1 1 。日本京都大学y o s h i m u r a m a s s a t a k a 等人提出采用遗传算法来优化机床结构【1 2 】。韩国的l e ej h 等人提出 了三种3 轴高精度微型机床结构，然后应用稳健性评估方法对其筛选，找出最合 适的结构【1 3 】。韩国中央大学的k i m d i 等人采用参数化设计方法对微细电火花机 床的夹层结构进行优化【l 引。 再对国内的机床研究情况进行介绍。许多学者通过对机床的静态分析取得了 丰硕的成果。郭成壁等利用有限元程序计算出了某型压力机机身各单元节点的位 移与应力，并对机身的线刚度和角刚度进行了求解，还通过实验对其进行验证【l 引。 李陪武等分析了j 5 3 1 6 0 0 型双盘摩擦压力机机身在中心载荷、扭转载荷和偏心 载荷作用下强度和刚度的变化情况【1 6 1 。王留德对闭式数控回转头压力机机身进 行了计算，把计算得到的结果与实际测量的结果进行了比较，找出误差存在的原 因【1 7 1 。王俊领运用有限元对轧机机架进行了分析，找到了危险点的位置【1 8 1 。史 宝军等对某型开式压力机机身进行有限元分析和结构优选，取得了提高强度、刚 度及减轻重量的效果【l9 1 。马闯等对肘杆式数控转塔冲床机身进行分析与计算， 研究了其在公称载荷作用下机身的变形和应力分布情况，并根据分析结果对机身 进行了优化幽1 1 2 1 1 。 国内在机床动态分析方面也取得了大量的成果。鹿新建等对高速冲床中不同 厚度与材质的工作台板进行了模态分析，再通过固有频率与质量反求出工作台板 的刚度，发现了刚度随材质及厚度变化的规律【2 2 】。林有希等对机床整机进行动 态性能分析，判别其薄弱环节，并提出修改方向【2 3 1 。王学林等对机床模态特性进 行了分析，探讨了机床固定立柱和底座结合面的刚度对机床模态的影响【2 4 1 。谢 君翌等对开式和闭式数控转塔冲床的机身进行了模态分析，并改进了开、闭式机 身结构，改善了使机身动态特性【2 5 1 。天津大学的徐燕中等进行了立柱和床身联 接刚度对机床动力特性影响的有限元分析【2 6 1 。宋健伟等进行了机床结构动力特 性灵敏度分析及应用的研究1 2 7 1 。 在结构优化方面，汤文成教授等根据机床结构件的特点，提出了用于机床 大件结构拓扑生成的方法，并对结构进行有限元分析和优化设计，从而实现结构 的自动设计，对结构件的几何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝试【2 8 2 9 , 3 0 l 。谷祖 强等应用结构系统设计灵敏度分析理论，把有限元分析和最优化技术有机结合起 第1 章绪论 来，应用于机床结构件的优化设计，有效地提高了设计效率【3 l 】。于卫红根据轻 量化设计的思想，用a n s y s 对横梁结构进行分析和优化设计，为高速数控转塔 冲床的进给机构的设计提供了科学计算的依据【3 2 1 1 3 3 1 。 综上所述，国外在机床结构的动力学模型修正和动态优化设计等方面研究发 展很快，并采用不同方法进行研究分析；而国内主要注重工程实际问题的分析研 究，解决问题时采用的方法相对单一。从国内外研究现状中还可以得到机床分析 的一般思路：通过对机床主要结构大件的动静态分析，判别其薄弱环节，再对其 进行优化设计，从而使机床主要结构大件的静动态特性显著提高。这种分析思路 对片基带指形接头数控冲床的研究具有重要的参考价值。 1 3 课题来源与研究内容 1 3 1课题来源 本课题来源于浙江工业大学与上海赫敏机械科技有限公司的合作项目：片基 带指形接头数控冲床的设计研发。 1 3 2 研究内容 本文分为六大部分，主要内容结构如下： 第一章，绪论。阐述了本课题的研究背景与意义；介绍了片基带与片基带切 齿设备在国内外的发展状况以及国内外机床结构分析情况和结构优化设计方法。 第二章，片基带指形接头数控冲床总体设计。首先对片基带的加工工艺进行 分析，并对片基带指形接头的冲裁轨迹分析，在此基础上设计冲床的整体机械结 构，并对其重要的部件进行三维建模，为后面分析打下基础。 第三章，床身的静态特性分析。对床身进行受力分析，在此基础上建立有限 元分析模型，得到床身的应力与应变，根据分析结果对结构进行改进并再次分析。 第四章，床身结构的优化设计。基于床身静态特性分析的结果，先对床身的 结构进行改进，再利用a n s y s 分析床身截面尺寸对刚度的影响，并选取合适参 数对床身结构进行结构尺寸优化。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第五章，床身的模态分析。求出其相应的固有频率与相应的振型，与冲床工 作频率相比较，防止冲床工作过程中发生共振。 第六章，结论与展望。对本文的主要工作进行总结，并提出存在的问题或不 足之处。 7 第2 章片基带指形接头数控冲床总体方案设计 第2 章片基带指形接头数控冲床总体方案设计 片基带指形接头数控冲床是一种利用数控技术对片基带进行切齿加工的专 用冲裁设备。本文研制的冲床要求结构简单实用，易于建造、安装、拆卸。在这 一章里，主要介绍了片基带的加工工艺和冲床的工作原理以及对冲床各关键组成 部件的设计与研究，并对各组成部件进行三维建模。 2 1片基带加工工艺分析 片基带的加工工艺流程为：裁剪( 按要求切割成一定宽度与长度的带) 一 切齿( 将一条片基带的两端进行加工) 一拼接( 将切成指形的两头对齐拼接起来) 一加热( 将拼接好的带放到接头机上加热) 一成品带。其流程如图2 1 所示： 蹙禹基氢 图2 一l 片基带工艺流程图 。_ ：_ 薯鬻 j 。誊豢 臼 片基带最容易损坏的部位是它的接头位置，因为片基带拼接后接头位置的强 度相对较差。相同的片基带在接头位置的接触面积越大，其强度就会越好。为了 提高片基带接头位置的接触面积，片基带加工企业通常是将接头位置进行切齿加 工。为了获得强度更高的片基带，需要对其进行分层切齿。因为分层切齿后，构 8 浙江工业大学硕士学位论文 成片基带的几层材料的切齿位置不一样。拼接后，片基带几个接头不在同一位置， 这会有效提高片基带的拼接强度。分层切齿后的片基带如图2 2 所示： 图2 - 2 片基带分层切齿 分层切齿一般都是一次性完成，即上下几层同时进行切齿。切齿时，要求刀 片既要将本层基带切透，又不能损伤下一层基带，这就对片基带指形接头数控冲 床提出了很高的刚性要求。 从上可知：片基带接头的加工在片基带整个加工工艺中具有很重要的地位， 对片基带质量有很大的影响。而片基带指形接头数控冲床就是完成片基带切齿的 关键设备。 2 2片基带指形接头数控冲床的功能原理方案研究 功能原理方案设计是针对产品的主要功能提出原理性的构思，并探索解决问 题的方法【3 4 。3 6 1 。运用科学的理论，从产品的功能分析入手，研究产品的功能系统， 去明确了解产品的总功能、各子功能以及它们之间的关系；再根据设计要求，探 寻各种实现方法，提出创造性的方案。 9 第2 章片基带指形接头数控冲床总体方案设计 2 2 1片基带指形接头成形规律分析 片基带指形接头是冲床的冲压刀头冲裁出来的，其齿形的成型过程如图2 3 所示。从图2 - 3 ( c ) 中可以得到片基带指形接头具有的一些规律：左向的线条等长、 互相平行且相邻平行线等间距：右向的线条与左向的规律一致。根据上述规律， 可以得到冲压刀头刀片的排列方式，即呈八字形排布。下面就以双八字排布的冲 压刀头为例对片基带冲压形成指形接头的过程进行分析。 ( a ) 一次冲裁( b ) 两次冲裁( c ) n 次冲裁 图2 3 冲压刀头运行轨迹 图2 3 ( a ) 是刀头第一次垂直冲压进给时刀片在片基带上切出的轨迹( 即黑 线) ，呈现出双八字状。其中一半冲裁在片基带上，另一半冲裁在下面的垫板上。 图2 3 ( b ) 是通过水平进给一定距离后，第二次垂直冲压进给时在片基带上切出 的轨迹( 红线) 。通过图2 3 ( b ) 可以明显看到，经过两次冲压形成了两个完整 的指形，即所需轨迹。当通过次的水平进给与垂直冲压进给运动后，得到了 图2 3 ( c ) 所示的轨迹图形。 通过以上分析可以得到：只要八字形排布的刀头通过垂直冲压进给运动和刀 头或片基带的水平进给运动，就能生成所需的片基带指形接头。这就要求片基带 指形接头数控冲床有冲压系统与水平进给系统。 2 2 2 功能分析 1 0 片基带指形接头数控冲床的总功能是实现片基带的切齿，主要可以将其分成 浙江工业大学硕士学位论文 五个子功能部分：冲压功能，进给功能、压紧功能、控制系统以及支撑系统。对 其功能分解之后，就可以得到功能结构图，如图2 4 所示： 图2 4 功能分解图 企业对片基带指形接头数控冲床的一些要求，如表2 1 ： 表2 1 企业的要求 企业要求数值参数 片基带加工的宽度 压板行程 刀头上下行程 加工效率 冲床总变形量 工作台高度 总费用尽量低 结构简单可靠，安装拆卸方便 尽量自动化、电气化 可以独立加工，也适合流水生产 通常情况3 m 以内，个别情况会有3 m 以上 2 0 r a m 1 5 r a m 每分钟l m 左右 不超过0 7 m m 8 0 0 r a m 到9 0 0 m m 2 2 3 原理方案的选择 在功能分析的基础上，对各个子功能进行分析求解。对子功能求解时要充分 考虑片基带指形接头数控冲床的实际情况，提出一些适合它的子功能解。下面主 要对其三个运动功能进行求解，如表2 2 ： 第2 章片基带指形接头数控冲床总体方案设计 利用形态学矩阵表进行方案组合，按照表2 1 可得到个组合方案： n=2x3 1 2 2 2 1 2 = 9 6( 2 1 ) 根据实际经验与情况，选择切实可行的解，组成四个组合方案： 组合方案1 ：a 1 + b 1 + c 1 + d 1 + e 1 + f 2 + g 1 + h 2 组合方案2 ：a 1 + b 2 + c 1 + d 1 + e 1 + f 2 + g 1 + h 2 组合方案3 - a 2 + b 3 + c 1 + d 2 + e 2 + f 2 + g 1 + h i 组合方案4 - a 2 + b 3 + c 1 + d 2 + e 1 + f 2 + g 1 + h 1 对以上四个组合方案进行分析：四个方案中的冲压导向与压紧系统的动力源 都是一样的。其中方案1 与方案2 是机械冲压驱动，两个方案主要是冲压驱动方 式不一样。方案3 与方案4 是气动冲压驱动，主要是进给驱动方式不一样。 对四个组合方案进行定性评价，主要从冲压功能的性能优劣、进给功能的安 装难易程度、定位精度等方面进行比较。先分析方案1 与方案2 ，方案1 采用的 是曲柄滑块机构的冲压驱动方式，方案2 采用的是凸轮机构的驱动方式。曲柄滑 块机构具有急回特性和力放大运动特性，但难以获得理想的工作行程曲线，且其 滑块速度不易改变，功率消耗大，还存在运动死点。当不是连续运动时存在柔性 冲击，连续运动时则具有良好的运动特性。凸轮机构只要设计出凸轮的轮廓曲线， 就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且响应快速，机构简单紧凑。但凸轮 轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，且凸轮制造困难，也挺笨重。由于本 文设计的冲床需要步冲，冲压驱动不是连续运动。从冲压运动容易实现及片基带 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 指形接头数控冲床的特殊要求来看，方案2 比方案1 合适。 再分析方案3 与方案4 ，方案3 采用的滚珠丝杠的进给驱动方式，方案4 采 用的是齿轮齿条的进给驱动方式。滚珠丝杠具有传动效率、灵敏度、定位精度高 和可逆向传动、使用方便可靠等优点，但滚珠丝杠的价格相对比较高。齿轮齿条 具有传递动力大、能够保证恒定的传动比、工作平稳和可靠性高等优点。但是其 制造安装精度要求很高，不太适合作远距离的传动。由于片基带的宽度很大，机 构需要作远距离的进给运动。因此，方案3 比方案4 合适。 最后比较方案2 与方案3 。主要是冲压驱动的方式、进给系统及压紧驱动方 式不一样。气缸冲压驱动动与具有动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁 等优点，但是冲压力相对方案2 的凸轮机构冲压驱动方式产生的冲压力小很多。 两个方案的进给系统的中最主要是进给驱动方式不一样。这两种驱动方式的优缺 点前面已经介绍过了。两个方案的压紧驱动方式中，直线压紧驱动方式的空间占 用小，结构简单紧凑，压紧的力不大；摆动压紧驱动方式占用空间比较大，但安 全可靠，压紧效果明显。 参照企业的要求，通过综合考虑，选择方案3 。 2 2 4 支承系统结构形式的选择 根据片基带指形接头成形规律分析得到冲床需要作垂直方向的冲压进给以 及水平进给运动。由于片基带的长度与宽度有时候会很大，并且不具有金属一样 的刚性，不适合作进给运动。因此，冲床需要冲压系统作水平进给运动，这与一 般的数控冲床有很大的区别。但其床身的设计可以参考现有的数控冲床的床身结 构形式。目前主要有两种床身结构形式，如图2 5 所示： 第2 章片基带指形接头数控冲床总体方案设计 冲压剩 c a ) 开式床身( b ) 闭式床身 图2 5 冲床机身结构图 图2 5 ( a ) 所示的是开式床身。它具有其优点有： ( 1 ) 由于机身三个方向均有开口，前后、左右方向均可进行操作，对操作 者极其便利【3 7 l ； ( 2 ) 机身结构简单，重量轻，占地面积小； ( 3 ) 便于机身的加工制造，其它部件的安装也比较容易。 不足之处是冲压系统垂直方向的刚性比较差。 图2 5 ( b ) 所示的是闭式机身即所谓的桥式机身。它具有的优点： ( 1 ) 具有垂直方向的刚性好，机身受力比较均匀，弯曲变形小3 8 】； ( 2 ) 工作时稳定可靠，机身振动小，噪音低； ( 3 ) 适合片基带加工的流水线生产，加工效率高。 不足之处是安装冲压系统比较麻烦，且要求有很高的安装精度。在机身受力 状态下会产生比较大的侧向变形。闭式结构是一种狭长的框架结构，由于侧向力 的存在，横向的刚度相对较差。 根据企业要求，片基带指形接头数控冲床垂直方向刚度要高并且适合流水线 生产。因此床身结构形式选用图2 5 ( b ) 所示的方式。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 片基带接头数控冲床总体方案设计 本课题设计的片基带指形接头数控冲床采用闭式结构，冲压系统作垂直方向 的冲压进给，进给系统推动冲压系统作水平方向的进给。冲床的具体参数：宽度 为1 8 0 0 m m ，高度为1 5 0 0 m m ，长度为3 7 6 0 m m ，工作面距离地面8 6 0 m m 。整机 三维结构模型如图2 - 6 所示： 1 图2 6 片基带指形接头数控冲床三维模型 l 一安全光栅：2 一丝杠：3 一压板部件；4 床身；5 一丝杠螺母固定座： 6 丝杠螺母；7 一冲压部件；8 减速器；9 伺服电机：l o 一工作台 床身由机架、左右两块墙板、项部两根t 型结构的上梁以及下梁构成。其中 机架由矩形空心型钢焊接而成；两块墙板通过螺钉与焊接在机架上的角钢连接； t 型上梁和下梁也通过螺钉与墙板连接在一起。两个工作台通过螺钉与左右两侧 的墙板以及下梁连接。冲压系统则依靠t 型上梁支撑与定位，并在上梁上滑行。 切齿加工时，首先将片基带穿过床身，控制系统控制压板气缸工作，使压板 将片基带压紧，然后控制冲压系统中的冲压气缸工作，驱动刀头作冲压进给运动， ls 第2 章片基带指形接头数控冲床总体方案设训 一次冲压行程结束后，控制伺服电机转动，通过丝杠螺母机构驱动冲压部件横向 进给运动。安全光栅起安全保护作用，工作过程中，任何东西只要挡住了墙板两 侧的安全光栅，整个冲床就会立刻停止工作，从而确保操作人员安全。 该冲床具有的优点： ( 1 ) 整个冲床结构简单可靠，能够加工宽度3 米以内的片基带，也为加工宽 度超过3 米片基带预留了位置( 在墙板上开了槽) 。即本冲床适用于加工任意宽 度的片基带： ( 2 ) 采用伺服电机以及滚珠丝杠传动，冲压系统水平方向的进给精度高； 采用气缸冲压，结构简单且对环境影响小； ( 3 ) 有安全光栅的保护作用，安全性得到了很好的保证。 2 3 1冲压系统 1 6 图2 7 冲压系统结构 l 一冲压气缸；2 一轴承；3 一竖直定位块：4 一滑块加强板：5 一滑板；6 一导柱套筒： 7 一法兰盘；8 一导杆；卜刀头导轨；1 卜刀头固定板；1 1 一刀头；1 2 一刀头挡块 冲压系统的设计主要是选取合适的冲压气缸和刀头的设计，以及整个冲压系 5 6 7 8 9 d 浙江工业大学硕士学位论文 统连接方式及导向结构的选取。如图2 7 所示，整个冲压系统依靠水平安置的轴 承实现水平方向的定位与滚动；依靠垂直方向安装的轴承与滑板共同实现冲压系 统在上梁上的固定。为了防止刀头在冲裁时出现转动的现象，需要导杆与导杆套 筒来实现刀头的稳定。整个刀头通过导轨与刀头固定板相连接，这种连接方式定 位精度高，可靠性好。而且安装拆卸刀头时只要松开一端的刀头挡块就可以实现， 非常快捷与方便。 本结构的特点：结构简单，冲压效率高，整个结构安装拆卸方便，定位精度 好，刀头换装便捷。 根据企业的要求，需要切割五种不同样式的片基带指形接头。因为五种接头 样式的成形规律一致，只是刀片的排列方式不相同。因此，只选择其中一把刀的 结构为例进行分析，其结构如图2 8 所示： 23 5 图2 8 刀头结构 l 一内六角圆柱头螺钉；2 - 刀片；3 一圆柱螺旋压缩弹簧；4 - 刀片固定板；5 一压板 刀头中的刀片固定板两侧为了与刀头导轨配合，做成了阶梯滑块状。刀片安 装在刀片固定板的刀片槽上。压板依靠内六角圆柱头螺钉导向，依靠弹簧压紧片 基带。冲压行程时，压板先接触片基带，在弹簧力作用下将片基带压紧，防止刀 片切齿过程中片基带因弹性变形发生移动，返回行程时，压板将片基带从刀头上 分离开，防止刀片将片基带提起。 1 7 第2 章片基带指形接头数控冲床总体方案设计 2 3 2 进给系统 数控冲床的进给系统是将伺服电机的旋转运动转化成整个冲压系统的水平 运动，选取的进给方式是滚珠丝杆进给。滚珠丝杆的安装支承主要有四种方式： 两端固定支承；一端固定一端游动；两端游动支承；一端固定一端自由。 两端固定支承是指对丝杠两端的支承端限制轴向移动，这种方式适用于高 转速高精度的场合：一端固定一端游动指丝杠一端轴承与冲床床身的位置相对固 定，而另一端则可以与安装位置有轴向的相对移动，适用于中等转速和高精度的 场合；两端游动支承的丝杠安装方式使丝杠不能精确定位轴向位置，会产生轴向 移动，适用于中等转速与中等精度的场合；一端固定一端自由是指丝杠一端位置 相对固定不动，另一端则没有任何的固定方式即可以径向移动，这种方式只适用 于短轴丝杠且要求低转速与中等精度的场合。 本课题中由于滚珠丝杠较长，因此选用一端固定一端游动的丝杠安装方式， 如图2 - 9 所示。固定端能够承受冲压系统水平进给运动时产生的轴向力，并能够 在较高的转速下工作；游动端主要是防止丝杠热变形。 固定端 2 3 3 压板机构 图2 - 9 固定一游动方式 压板结构采用以一根矩形空心型钢为主体，在两端焊接压板滑块。中间加装 阶梯轴形状的压板导杆，并在小头一端装一根圆柱螺旋压缩弹簧。底部是用螺钉 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 连接在一起的压板固定板和梯形压板，并通过螺钉与压板导杆相连。整个底部压 板固定板和压板分成六段。其结构如图2 1 0 所示： 图2 1 0 压板系统结构图 l 矩形空心型钢；2 一圆柱螺旋压缩弹簧；3 一压板导杆；4 一压板固定板； 5 一压板；卜压板滑块 s 这种结构具有的优点：当压板上的气缸向下运动时，整个压板机构中的分成 段状的压板可以充分接触并压紧片基带。由于存在圆柱螺旋压缩弹簧，压板机构 能够经过弹簧的缓冲平稳的压在片基带上，不会对片基带造成损伤。圆柱螺旋压 缩弹簧还具有复位的功能，即压板机构压紧功能完成后能够依靠弹簧存在的力将 压板导杆回到原位。 2 4 本章小结 本章首先对片基带的加工工艺及片基带指形接头的成形规律轨迹进行分析， 得到了冲床的运行轨迹；再根据企业要求的技术参数确定冲床的原理方案，在此 基础上完成片基带指形接头数控冲床的总体方案设计；最后对冲床各关键部件进 行分析与研究，并建立了三维模型，为下一章的静态特性分析作准备。 1 9 第3 章片基带指形接头数控冲床的静态特性分析 第3 章片基带指形接头数控冲床的静态特性分析 片基带切齿加工中要求切齿刀片的冲压行程具有很高的精度。因为行程不 够，将会产生切不透现象；行程过大，刀片就会冲压在片基带下面的垫板上，将 垫板切坏，同时损伤刀刃。尤其是加工高强度带时，通常先将片基带分割成多层， 然后进行分层切齿，各层的齿形成阶梯状分布，如果刀片的冲压行程精度不高， 切制上层基带齿形的刀片将会损伤下层基带。 本课题设计的片基带指形接头数控冲床，由于横向跨度大，冲压过程中， 床身的弹性变形直接影响切齿冲压行程的精度，要求床身具有较高的静态刚度。 因此对片基带指形接头数控冲床的床身结构进行分析具有重要的意义。本章将采 用a n s y s 软件对其进行静态分析，主要是建立冲床床身的有限元模型，并分析 其在额定静态载荷作用下的应力与变形。 3 1 冲床床身的受力分析 冲床在工作时，冲压系统的刀头作用在床身下梁上，对其有一个向下的冲裁 力；冲压系统的滑板与床身上梁相连，对其有一个向上的作用力。作用在上梁与 下梁上的力是作用力与反作用力的关系。由于片基带指形接头数控冲床工作的特 殊性，即冲压系统可以在水平方向沿上梁导轨移动。因此作用在床身上梁和下梁 上的力会随冲压系统的移动而移动。一般设计冲床时，对冲床床身的刚性会重点 考虑，因此需要找到片基带指形接头数控冲床床身的最大变形位置，以方便对其 进行有限元分析。冲床床身的受力如图3 1 所示： 浙江工业大学硕士学位论文 图3 1 冲床床身的受力图 其中丘与b 是一对作用力与反作用力，大小与选用的冲压系统中的冲压气缸 的公称载荷一样大，受力位置与冲压系统所处位置一致。 1 确定上梁最大挠度位置 由于上梁的两侧是与墙板固定的。对上梁受力分析时可以将其进行简化，简 化后如图3 2 所示： 图3 - 2 上梁受力简化图 其中l 为冲床床身的长度；冲压系统处在水平方向的位置到左侧距离为a ， 到右侧为b ；f 1 为冲压系统对上梁的作用力。假定上梁任意距离的扰度为，计 算公式如下【3 9 】： 当0 z a 时： = f b x ( l 2 一x 2 一b 2 ) 6 e i l ( 3 1 ) 当a z l 时， = f 6 咯( x 一口) 3 + ( l 2 一b 2 ) x x 3 6 e i l ( 3 - 2 ) 2 1 第3 章片基带指形接头数控冲床的静态特性分析 假定口b ，则在x = 孚处，挠度最大，最大为： 似= f b ( l z 一6 2 ) 3 2 9 恤儿 ( 3 - 3 ) 上式中志是一个常量，只有一个变量b ，对b 进行求导数，得到： 了、j 正j l m 甜= ，层6 + ( l 2 一b 2 ) ( l z 一6 2 ) 三1 9 垢f ，l ( 3 4 ) 其中：b 0 ，l b ，e 6 + ( 酽一b z ) l ( l z 一6 2 ) i 0 则甜 o 恒成立。 因此m 簖是一个增函数，在b 取得最大值时有极值。 畦6 b ；l 0 ( 3 - 5 ) l 口 则当b = l 2 时，仳最大，即当冲压系统在中间位置时上梁的挠度最大。 2 确定下梁挠度最大位置 下梁的两侧也与两侧墙板相连接。对下梁的受力分析与上梁一样，先对下梁 进行简化，简化后如图3 3 所示： 图3 - 3 下梁受力图 下梁受到一个与上梁大小一样，方向相反的作用力。其挠度的计算方法与上 梁是一样的，只是变形的方向不一样。通过计算可得出：冲压系统在中间位置的 时候，下梁的挠度也是最大。 因此，对片基带指形接头数控冲床床身进行有限元分析的时候，只考虑冲压 系统在中间位置时的受力情况，在别的位置暂时不考虑。 浙江工业大学硕士学位论文 3 2 冲床床身的有限元模型的建立 3 2 1 模型的简化 在进行有限元分析之前，首先需要将分析对象的结构模型转换为便于分析的 数学模型或力学模型，但前提条件是保证简化后的模型跟初始对象的物理特性具 有一致性。为了能够全面准确的反映冲床床身的应力应变情况，同时使有限元模 型尽量简化，在建立有限元模型时需要对一些结构细节进行简化。简化的前提是 这些细节对计算结果精度影响不大而且不是应力集中点。针对片基带指形接头数 控冲床的结构特点和工作情况，确定了以下建模原则： ( 1 ) 简化明显不会影响冲床床身整体刚度、强度的结构，如凹台、圆角等， 忽略两侧墙板上及下梁上的螺栓孔； ( 2 ) 机架地脚螺栓与地面连接处可视为刚度无限大，看作固定约束； ( 3 ) 忽略对整体受力状况影响较小的附件，如墙板与机架之间的连接角钢 及两个工作台板。 ( 4 ) 假定焊接件为等强度焊接，其强度与锻件的强度相等。 片基带指形接头数控冲床的床身是一个对称结构，且载荷施加在中间位置， 即载荷施加也是对称的。因此，有限元分析时可以对其进行对称建模。 3 2 2 建立有限元模型 本文选用的分析软件是a n s y s ，主要有两种建模方法t ( 1 ) 首先利用三维实体造型软件( 如s o l i d w o r k s 、p r o e 等) 创建实体模型， 然后通过这些三维实体造型软件与a n s y s 之间的数据接口，将生成的几何模型 文件导入a n s y s 中，使得有限元模型顺利建立。 ( 2 ) 利用a n s y s 的实体造型功能，直接创建实体模型。这种方法适合不 复杂的实体模型。与第一种方法相比，不会出现模型失真的情况。 片基带指形接头数控冲床床身的结构不算太复杂，因此，本文选用在a n s y s 软件中直接建立模型。根据上文简化后，得到冲床床身有限元模型如图3 4 所示： 第3 章片基带指形接头数控冲床的静态特性分析 3 2 3 网格的划分 图3 - 4 冲床床身有限元模型 1 单元类型的选择 a n s y s 软件有上百种单元类型可供选择，其中实体( s o l i d ) 、板壳( s h e l l ) 、 和梁( b e a m ) 是三类常用单元。由于冲床床身结构构成与受力比较复杂，不能 简单的采用板壳、梁建立有限元模型。为了简单方便可靠，本文选用a n s y s 提 供的s o l i d 9 5 单元进行网格划分。该单元为2 0 节点的二次六面体单元，每个节 点具有沿x 、y 和z 方向的三个平移自由度，有塑性、蠕变、应力刚度、大变形 和大应变能力。它能够吸收形状不规则的单元而精度没有损失；具有可并立的位 移并且对于有曲线边界的模型能很好的适应。 2 材料特性的施加 在进行有限元分析时可以进行如下假设： ( 1 ) 认定片基带指形接头数控冲床是各向同性材料，且质量分布均匀，在 工作时产生的变形可以认为是弹性变形； ( 2 ) 假设产生的位移和变形都是微小的【4 0 】。 片基带指形接头数控冲床床身的机架由矩形空心型钢焊接成，上面是由钢板 构成的墙板与上