磨床头架的结构分析及优化设计--优秀毕业论文.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 磨床头架的结构分析及优化设计 姓名 龚朴 申请学位级别 硕士 专业 机械制造及自动化 指导教师 韩少军 20070301 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 磨床的头架是磨床的关键部件 其动态特性对磨床的性能有着重要的影响 对磨床的关键部件进行动态分析及结构优化设计对提高的磨床性能是非常重要 的 本文首先根据文献资料以及与设计工程师探讨 分析总结了磨床头架的设 计准则 并针对c n c 8 3 1 2 全数控凸轮轴磨床的头架建立动力学模型 然后利用 有限元仿真软件a n s y s 对头架进行模态分析及谐响应分析 在此基础上结合设 计准则对其进行结构优化设计 利用a n s y s 的优化模块对c n c 8 3 1 2 全数控凸 轮轴磨床的头架进行优化设计 先采用单步法 s i n g l er u n 法对磨床头架的初始 设计进行求解 获得初始设计值 然后采用予问题法 s u b p r o b l e m 法进行优化 求出一个最优解 再以最优解为基础 用一阶法 f i r s t o r d e 0 法进一步优化 在对c n c 8 3 1 2 全数控凸轮轴磨床头架进行动态分析及优化设计的基础上 提出了一种磨床头架的改进结构 再对新结构进行仿真分析 仿真结果表明 在结构的几何尺度 约束和载荷条件相同的情况下 改进结构的顶尖中心振动 位移仅为传统设计的1 4 结构的动态性能有明显改进 关键词 模态分析 谐响应分析 优化设计 动态特性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh e a do ft h eg r i n d i n gm a c h i n ei st h ek e yp a r t so fi t i t s d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sh a v e i m p o r t a n c e i n f l u e n c eo nt h e p e r f o r m a n c e o f g r i n d i n g m a c h i n e d y n a m i ca n a l y s i sa n dt h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h ek e yp a r t so fg r i n d i n g m a c h i n ea r eo fg r e a ti m p o r t a n c et oi m p r o v et h em a c h i n ep e r f o r m a n c e t h i sp a p e rf i r s ta n a l y s e sa n ds u m m a r i z e st h es t a n d a r do nd e s i g n i n gt h eh e a do f t h eg r i n d i n gm a c h i n ea c c o r d i n gt os o m ed o c u m e n t s a n dd i s c u 豁i o n gw i t hd e s i g n e r s a n d e s t a b l i s h i n g t h ed y n a m i cm o d e lo ft h e h e a d a i m i n g a t c n c 8 3 1 2 t o t a l l y n u m e r i c a lc o n t r o l l e dc a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n e t h e nm a k e sm o d a la n a l y s i sa n d r e s o n a n c e r e s p o n s ea n a l y s i s o nt h eh e a dw i t hf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n s o f t w a r e a n s y s w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o no ft h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nw i t h t h eh e l po ft h ed e s i g n i n gs t a n d a r d t h eo p t i m i z a t i o no ft h eh e a do fc n c 8 3 1 2i s p r o c e e d e db yu s i n ga n s y so p t i m i z i n gm o d u l e f i r s t l yg e t t i n gt h es o l u t i o no fi n i t i a l d e s i g no ft h eh e a db yt h ew a y o fs i n g l er u n s e c o n d l yo p t i m i z i n gt h es o l u t i o n sg e t t e d j u s tb yt h ew a yo fs u b p r o b l e mt og a i nt h eb e s to n e t h i r d l yo p t i m i z i n gt h eb e s to n e d t e f i o f l yb yt h ew a y o ff i r s t o r d e r o nt h eb a s eo fd y n a m i ca n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no nt h eh e a do fc n c 8 3 1 2 a i m p r o v e ds t r u c t u r eo fh e a di sp e tf o r w a r da n ds i m u l a t e da n a l y s i so ft h en e ws t r u c t u r e i s p r o c e e d e d f r o mt h er e s u l t w i t h t h es a m es t r u c t u r a ld i m e n s i o n c o n s t r a i n ta n d l o a dc o n d i t i o n t h ea p e xc e n t e rv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n to ft h ei m p r o v e ds t r u c t u r ei s o n l y1 4o ft h et r a d i t i o n a lo n e t h ed y n a m i cp e r f o r m e n c eo ft h es t r c t u r ei si m p r o v e d g r e a t l y k e y w o r d s m o d a la n a l y s i s a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s o p t i m i z i n gd e s i g n d y n a m i c p r o p e r t y 1 1 武汉理上人学硕士学位论文 第一章绪论 随着全球经济一体化步伐的加快和知识经济时代的到来 市场竞争日益激 烈 如何使企业能够快速响应市场 在较短时间内以较高性能价格比的产品占 领市场 是企业得以生存和发展的关键环节 为此企业必须依靠创新性思维 先进的设计制造技术 完善的管理和利用社会丰富的信息资源等有和因素 增 强企业开发新产品的能力 缩短设计周期 提高用户化程度 同时又要降低成 本 保证质量及良好的售后服务 传统的设计方法已无法满足这些要求 采用 虚拟样机设计 模块化设计 敏捷制造 并行设计 网络协同设计制造等先进 的设计 制造技术 使企业实现了快速响应市场 产品批量化生产及大规模生 产条件下的个性化需求 而通过机械动态优化设计 加工过程仿真 运动学仿 真以及动力学仿真等设计 评价手段 可以保证产品应有的良好性能 目前 国内大部分制造业企业的设计 制造手段比较落后 与世界上发达国家的差距 较大 本论文研究宗旨和目的 就是要探索通过采用先进的设计技术和手段 使机床制造企业在较短的时问内 以较低的成本 设计出高性能的机械产品 以增强制造企业在国内外的竞争能力 现代加工条件需求的变化和科学技术的不断发展 使数控机床愈来愈向高 速 高精度 高刚度的方向发展 因此对数控机床的设计技术提出了更高的要 求 计算机技术的发展 使高效的数字化技术成为数控机床设计技术的核心 模块化 并行设计等快速设计技术的发展和应用 大大缩短了机床新产品开发 的周期 有限元分析 仿真技术 虚拟样机技术等新技术不断地运用到新产品 的开发过程中 极大地提高了新产品的性能 并降低了开发的费用 实验模态 分析技术的应用 为数控机床设计理论建模提供了必要的数据和结构修改的依 据 利用理论建模和实验建模相结合的方法 提高了理论模型的精度 使基于 理论模型的新产品性能预测和优化设计变得更加可靠 下面将对数控机床结构 动态设计相关技术的发展状况进行评述 并提出本文研究的主要内容 1 1 机床结构设计动态 制造业直接创造着社会财富 山世界制造业的实践j l 明 工业化国家的真 武汉理工大学硕士学位论文 正财富中的6 0 一8 0 是制造业创造的 提高设计 制造过程中的手段和方法 发展高水平的制造业 是发展我国工业 提高国家综合实力 增加国际竞争能 力的必由之路 数控机床广泛应用于国防 航空航天和国民经济各部门 是自动化加工最 基本的装备 数控机床的数量及其在生产装备中所占的比例 标志着一个国家 工业现代化的水平 也关系到国家的安全和工业生产能否健康地增长 由于国 内外市场竞争加剧 科学技术发展迅速 产品更新换代速度加快以及人们对产 品多样化的需求增加 使得机械制造业向多品种小批量生产方式发展 进入2 1 世纪以来 制造业的研究重点和发展趋势是 柔性化 集成化 智能化 网络 化 全球化 敏捷化 虚拟化 缘色化 1 卅为此 世界工业国家 都在不断地 采用新技术 积极地进行数控机床的研究 1 2 设计过程的数字化 数字化技术 1 是指以计算机硬件 软件 信息存储 通信协议 接口设备和 互联网等为技术手段 以信息科学为理论基础 包括信息离散化表述 扫描 处理 存储 传递 传感 执行 物化 支持 集成和互联网等领域的科学技 术集合 数字化技术作为一种通用的资讯工程技术 具有分辨率高 表达精度 高 可编程处理 处理速度快 信嗓比高 传递可靠迅速 便于存储 提取和 集成 联网等重大技术优势 这些技术优势给各个领域专业技术的改造 革新 提供了崭新的手段 数字化技术和各种专业技术相融合 就形成了各种数字化专业技术 如数 字化设计技术 数字化制造技术 数字化视听技术等 采用先进的数字化数控 机床设计技术 具有许多传统机械设计方法无法比拟的技术特点和优势 可以 保证设计过程具有快速 高效 低成本等优点 具体表现在以下几个方面 1 2 1 计算机辅助机床概念设计 p a l h b e i t z 8 l 于1 9 8 4 年在其 e n g i n e e r i n g d e s i g n 一书中最先提出概念设 计这一名词 他们将概念设计定义为 在确定任务之后 通过抽象化 拟定 功能结构 寻求适当的作用原理及其组合等 确定出基本求解途径 得出求解 盯窜 这一部分设计工作叫做概念设计 应用计剪机技术 可以把大龟的设计 武汉理工大学硕士学位论文 相关信息 如客户需求信息 市场产品发展趋势 设计知识库 专家经验知识 库等存储于计算机的存储单元 需要时可以根据一定的推理规则 利用推理机 或优化算法 遗传算法等方法 快速地进行数控机床的设计方案分析 机床布 局设计 模块库的查询 创成及组合 整机的组装等处理 通过计算机辅助概 念设计 可以使企业快速地响应市场 提出令客户满意的设计方案 并能对其 性能和成本进行评估 取得客户的信任 能够顺利地赢得客户的定单 迈出使 企业在激烈的市场竞争中取得胜利的关键的第一步 1 2 2 参数化 变量化的c a d 建模 在采用c a d 技术以前 技术人员采用手工绘图的方式 图纸的绘制与修 改都比较慢 无法生成直观的三维图 并且图纸的分类 保存也不方便 而采 用了c a d 技术 使得这种状况发生了根本的改变 参数化 p a r a m e t r i c 设计也叫尺寸驱动 d i m e n s i o nd r i v e n 设计 它可使 c a d 系统具有交互式绘图和自动绘图的功能 利用参数化设计c a d 系统 如 m d t p r o e 等软件 可使设计人员从大量而琐碎的绘图工作中解脱出来 可 以大大提高设计速度 并减少信息的存储 由于参数化设计利用一系列定义好 的参数对模型进行顺序计算 使参数化建模速度较快 其缺点是用户必须提供 几何元素的全部尺寸 位置信息之后才能定义下一个元素 变量化造型通过求解联立方程组来得到结果 其优点是允许欠约束的几何 设计 在变量化造型中 模型的驱动尺寸用复杂的方程组表达 在建模时 用 户不必按固定的顺序设置关系 只需赋予一些必要的参数即可 这符合用户的 设计习惯 参数化设计和变量化设计方法都采用了特征造型的三维设计技术 由机械 产品造型领域表示可知 特征可分为与零件模型相关的形状特征 精度特征 材料特征 装配特征 技术特征 有限元特征和附加特征等 9 1 0 l 形状特征反映 零件的全部几何信息和形体构造关系的高层信息 精度特征为公称几何尺寸所 允许的加工偏差 包括尺寸公差 形位公差以及粗糙度信息 材料特征反映材 料特性规格 材料处理等 技术特征反映零件在性能分析时所需的信息 如功 能参数 技术条件等 有限元特征反映与有限元分析相关的特征 附加特征反 应其它的信息 如比标题栏等 在进行数控机床的设计时 设计的最终目标是 3 武汉理工大学硕士学位论文 由一组零件 部件组装在一起的整机 当其中的某些零件需要改动时 与其相 关的零件都需要改变 利用传统的设计方法 将花费大量的时间和精力 势必 延长设计周期 增加设计成本 而采用智能化的c a d 系统 可以通过修改几 个基本的变量快速而准确地改变整个模型 大大缩短了设计时间 降低了成本 1 2 3 文件 资料等的计算机处理 在传统的数控机床设计时期 不但各个零部件的工程图绘制要由设计人员 完成 而各种设计图纸 技术文件 资料的收集 保存及查阅也需要人工进行 用人工完成这些繁琐的工作 要消耗大量的人力 物力 且效率很低 根据统 计 工程师和设计师每星期花在查阅产品样本资料上的时间要占总工作时问的 1 1 0 以上 在完成产品研制或设计之前 4 0 的人必须查阅有关的产品样本 6 0 的人个人备有产品样本情报资料 而计算机技术的发展 为这些工作的完成找到了一条快捷方式 利用数据 库技术 可以把所有的设计图纸 技术文档 客户需求 市场信息反馈 产品 样本等信息流进行计算机管理 这样 设计人员可以在几分钟内完成用手工要 花几个小时才能做完的工作 极大地缩短了数控机床设计中的辅助时间 全球化战略是现代企业发展的必然趋势 解决企业在分布式设计和制造环 境下的信息交流是实施这一战略的关键技术 高速的宽带网络技术的发展 为 这一战略目标的实现 提供了信息顺利交流的保障 在数控机床设计过程中 利用丰富的网络资源 设计人员可以获得大量的有用信息 1 1 廿 1 无偿或有偿地在网上获取或发布各种设计资源 文献检索 资料 知识 库 设计模型 设计方法等 2 基于因特网的异地并行合作研究与开发 建立虚拟研发体制 3 零部件性能和价格等信息的获取 1 2 4 用有限元分析进行机床动态优化设计 数控机床整机动态特性的好坏 将直接影响数控机床加工性能 整个数控 机床结构是一个十分复杂的结构系统 整机的动态特性是各个关键大件的动态 特性 及其各个大件之间结合面动力学参数综合作用的结果 在进行传统的数 控机床纤朐设计时 一般在方案设计和图纸绘制完以后 要进行样机的试制 4 武汉理工大学硕士学位论文 通过对样机进行静变形实验 模态实验 利用能量平衡分析法或者灵敏度分析 法 找出设计方案的缺陷 对原始方案进行修改 重新绘制图纸 再次进行样 机的试制和实验 如此反复 直到样机的动态特性满足设计要求为止 因此 传统的数控机床设计过程是一个结合经验设计的 经过多次反复的过程 有限元软件计算规模的增大和计算机计算速度的加快 使在较短时间内进 行复杂结构形式的数控机床大件的动态优化设计成为可能 对所研究的结构 可以作适当地简化 去掉对计算结构没有多大影响的结构细节 如小的圆角 孔 凸起等 可以用c a d 软件建立简化的几何模型 导入有限元分析软件环 境中 或者直接在有限元分析软件环境下建立简化的研究对象的几何模型 施 加了载荷及定义完边界约束条件后 可以迅速地进行静态 动态的分析 利用 可视化的后处理或对计算结果数据处理 可以比较容易地分析出结构的薄弱环 节 在进行了结构的几何模型修改之后 再次进行有限元分析 如此反复 直 到满足设计要求为止 利用有限元分析进行动态设计 去除了样机试制环节 能在较短的时间内完成数控机床结构的动态优化设计 缩短了设计周期 降低 了设计成本 提高了数控机床的动态特性 1 2 5 数字仿真技术的大量采用 仿真是一种模仿行为 系统仿真则是模仿现有系统或未来系统运行状态的 一种技术手段 目前系统仿真多采用计算机来运行仿真模型 模仿实际系统的 运行状态及其随时间变化的过程 并通过对仿真运行过程的观察和统计 得到 被仿真对象的仿真输出参数和基本特征 以此来估计和推断实际系统的真实参 数和真实性能的过程 传统的数控机床设计过程中 在产品或样机制造出来之前 设计人员无法 知道所设计的产品是否达到了最终的设计要求 仿真技术的发展使产品性能的 预测成为可能 开发人员在产品的开发过程中 通过对数控机床零部件运动仿 真 刀具加工仿真 生产线节拍仿真等 可以清楚地知道数控机床各零部件是 否会发生运动干涉 刀具加工路径是否合理 整个生产线的各个环节的节拍是 否一致等 这样 可以及早地发现问题 解决问题 减少或避免产品开发过程 中的反复 节约了研发时间 机床结构设计中的仿真建模有下列四类 武汉理工大学硕士学位论文 1 各部件间动作协调性和运动位置准确性仿真 如刀具交换装置抓取和存放 动作的顺序和时间分配 工作空间的无干涉运动和零件装配拆卸调整的便捷性 等 2 机床操作和维修方便性仿真 如 操作台位置 加工观察窗布置 刀具和 工件更换方便性以及维修工作空间的合适性等 3 机床工作安全性仿真 如在偶发碰撞冲击下保险机构的可靠性 砂轮破碎 飞溅时的防护能力等 4 机床工作性能的适应性仿真 如 机床运行的平稳性 切削抗振能力 热 变形变化和加工精度控制能力等 综上所述 数字化技术贯穿数控机床设计的各个环节 使现代数控机床设 计方法比传统的设计方法有了质的飞越 设计周期缩短 设计成本大大降低 产品的性能得到提高 现代数字化设计技术 已经成为数控机床设计 制造的 核心 是企业增强市场竞争力的必要手段 1 3 机械结构动态设计研究 航空航天工业 汽车工业 精密仪器等行业发展的需要 使得机械设备日 益向着高精度 高速度 轻量化方向发展 机床的高精度 高速度要求机床结 构具有良好抗振性能和低噪音等特性 即要具有很好的动态特性 机械结构的动态特性问题早在3 0 年代就引起人们的重视 6 0 年代 随着 振动实验技术的发展 以及机械阻抗测试仪和频率特性分析仪的问世 使结构 频率响应函数测试成为可能 7 0 年代发展起来的快速傅立叶变换技术及有限元 分析技术 实现了机械结构的实验建模和理论建模 8 0 年代末 机械机构的动 态设计得到了发展 机械动态设计 是一个非常复杂的设计过程 至今没有形成完整的理论体 系 机械结构动态设计过程主要有建立合理的动力学模型 动力学模型的修正 基于正确动力学模型的结构优化设计及计算机仿真 1 3 1 机械结构的动力学建模 机械结构的动力学建模可采用实验建模 解析建模及两者的混合建模 6 武汉理工大学硕士学位论文 实验建模一般是指建立实验模态模型或频响模型 但由于实验建模只能取 得结构较低阶模态和少量测点的振型 且采用模态坐标 不便于将结构的模态 参数转化为结构的设计参数加以修改 因此 不便于根据试验模型进行动态优 化设计 建立解析模型的方法有集中参数法 传递矩阵法或有限元法 目前有限元 法已经成为常用的机械结构分析建模方法 但影响机械系统动态特性的许多因 素 如结构阻尼 结合面动力学参数等 还不能用数学表达式精确描述1 1 故 无法直接建立精度足够高的有限元模型 为了提高理论建模的精度和进行机床结构的动态优化设计 可以利用理论 建模和试验建模的优势 把二者结合起来 进行理论建模和试验建模相结合的 动力学混合建模 机械结构的动力学混合建模是指以有限元法建立结构的动力 学模型 以实验模态分析的结果修正有限元模型 并为有限元模型提供边界条 件 最终建立起合理的结构系统的动力学模型 混合建模方法已成为机械结构 建模有效 实用 可靠的建模方法 1 3 2 机械结构的动力学模型修正 机械结构的动力学模型修正是建立合理的动力学模型的必要步骤 机械结 构动力学模型修正是指以实际结构的实测获得的试验资料为i i 标 确定已建立 的有误差的理论模型 主要指有限元模型 该如何改进才能达到要求 进行动 力学修改 首先用能量平衡法或灵敏度分析法确定结构的薄弱环节i l 并修改 薄弱环节的局部结构 使整机的动态特性得到满足 这两种方法对结构薄弱环 节和浪费环节的判断是等效的 但是灵敏度分析法比能量平衡法简单 由于试验模态分析提供的信息量是有限的 大部分修正方法的修正效果也 是有限的 当理论模型与试验模型结果差别较大时 应首先检查试验模态分析 的试验条件和试验结果是否可信 如果确认试验资料是合理可靠的 必须重新 对结构进行系统理论建模 直到理论模型与试验模型有相当的精度时 才能用 模型修正方法来修改理论模型 1 3 3 机械结构的优化设计 机床系统结构复杂 动态优化设计的目标是提高整机的动态特性 属于复 武汉理工大学硕士学位论文 杂结构的非线性约束优化设计 目前机床结构的动态优化设计还没有成熟的系 统的理论 尚无进行全自动的动态优化设计的方法 但可以利用人机交互的方 式进行整机的动态优化设计 机床结构的动态优化设计 应先进行关键大件的优化设计 再进行整机的 优化设计 一般来说 如果机床各大件的动态特性是较优的 且整机的各组成 部分的质量和刚度分布是合理的 结合面结构形式合适 整机的动态特性也应 是较优的 把优化算法与有限元分析有机地结合 是解决机械结构动态优化的有效方 法 但目前还有些困难 例如 如何在进行有限元分析时向最优化过程提供设 计的导数信息 如何减少运算量等 a n s y s 软件在其有限元分析中加入了优化 设计的功能包 为机械结构优化设计提供了方便 有些工程分析软件 如 m s c n a s t r a n m s c m a r c 及i d e a s 等 都引入了灵敏度分柝的功能 可以帮助设计人员分析出机械结构的薄弱环节 快速地进行结构修改和动态设 计 有的学者还研制了专用的优化设计软件 以满足工程动态优化设计的需要 1 4 课题的提出及论文的结构体系 1 4 1 课题的提出和意义 数控机床广泛应用于国防 航空航天和国民经济各部门 是自动化加工最 基本的装备 数控机床的数量及其在生产装备中所占的比例 标志着一个国家 工业现代化的水平 也关系到国家的安全和工业生产能否健康地增长 随着国 内外市场竞争的日益加剧和客户需求的多样化 个性化 迫使企业不断地采用 新技术 在较短的时间内设计出动态特性优良的数控机床 以满足快速响应市 场的要求 论文针对磨床及其头架结构进行动态特性及优化设计方面的研究 机床本身是一个复杂的结构系统 其动态设计也是一个反复的过程 随着 数控机床设计理论系统的不断发展和完善 其设计过程逐渐向着标准化和程序 化的方向发展 例如模块化设计技术的发展使构成整机的各个大件及接口日益 标准化 系列化 模板化 这样使机床产品新大件设计和创建有一定的规律可 循 同时由于标准化模块的互换性 也减少了新模块创建的次数 标准化压缩 了数控机床结构设计的工作量 计算机辅助概念设计 计算机辅助模块规划系 8 武汉理工大学硕士学位论文 统的发展和应用 可以使设计人员从大量的信息 资料的收集 归类 查询 总结等繁琐的工作中脱离出来 去从事更具有创造性的工作 由于设计过程的 标准化 程序化 加快了机床设计的速度 利用有限元分析软件 对c n c 8 3 1 2 全数控凸轮轴磨床头架的结构设计方案 进行分析 评价和优化 在对磨床头架进行动态优化设计的基础上 提出了一 种磨床头架的改进结构 以提高头架的动态特性 1 4 2 论文研究的主要内容和结构系统 1 介绍了机床动态设计研究的现状及本课题研究的意义 2 总结的系列参数和磨床结构设计公式是参照大量磨床图纸和文献资料 以及与设计工程师探讨的结果 这些公式 规则和参数表为磨床头架结构动态 优化设计理论依据和数据支持 3 介绍了机械结构分析基本过程及分析方法 并利用有限元仿真软件 a n s y s 对c n c 8 3 1 2 全数控凸轮轴磨床的头架进行摸态分析和谐响应分析 确 定其动态特性 为优化设计提供分析依据 4 利用a n s y s 的优化模块对c n c 8 3 1 2 全数控凸轮轴磨床的头架进行优化 设计 先采用单步法 s i n g l er u n 法对磨床头架的初始设计进行求解 获得初始 设计值 然后采用子问题法 s u b p r o b l e m 法进行优化 求出一个最优解 再以最优 解为基础 用一阶法 f i r s t o r d e r 法进一步优化 为磨床头架结构设计提供一种 设计参考 5 在分析磨床头架设计准则的基础上 建立了磨床头架动力学模型 在通 用有限元软件a n s y s 的基础上 在对磨床头架进行动态优化设计的基础上 提 出了一种磨床头架的改进结构 6 全文总结和进一步研究的展望 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章系统地介绍了机床结构动态优化设计及其相关技术的研究现状和发展 趋势 提出了数控机床结构快速设计的必要性 讨论了进行数控机床结构快速 设计研究可行性及其研究的方法 策略 并阐述了本课题的背景和研究意义 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第二章磨床头架的结构设计 2 1 机床设计的基本要求 设计制造机床应力求达到 重量轻 体积小 质量好 效率高 成本低 使 用维修方便 要达到上述要求 设计人员应该考虑机床的技术 经济指标 如 加工范围 精度和表面粗糙度 生产率 操作和维修的性能 工艺性 成本 采用新技术和 三化 一程度等 各项技术 经济指标之间是相互联系和相互 影响的 因此在设计时必须全面地加以考虑 根据具体要求确定若干指标为重 点 处理好相互之间的关系 设计通用机床 除了考虑上述各项指标外 机床的 三化 是不应忽视的 问题 所谓机床 三化 即品种系列化 部件通用化 零件标准化 3 s l 它是迅 速发展机床工业的重要措施 2 2 机床设计的步骤 机床为了加工不同形状和技术要求的工件的需要 因此品种很多 类型不 一 但不论设计哪一类机床 归纳起来大致有一个基本相似的步骤 1 工件的工艺分析 设计机床前 首先对工件进行必要的分析 了解工件 的形状 尺寸 材料 技术要求 批量 确定工件的加工方法 余量 定位基 准 装夹方法等 2 调查研究 通过三个途径 访问用户和承制单位 参阅技术资料 的调查 研究和分析 为拟定初步设计方案打下基础 访问用户 使用单位 主要了解操作人员对机床的要求 现有的工件加工 方法 同类机床的使用情况和存在的问题 使用单位的自然条件 设备条件 生产经验以及发展趋势等 访问承制单位 主要了解制造部分的设备条件 技 术能力及原有的生产经验 参阅有关技术资料 包括国内 外有关技术文献 同类型机床的技术蓝图及总结 武汉理工大学硕士学位论文 3 工作图设计 包括确定机床的布局 技术参数和工作循环等 绘制机械 电气 液压传动系统图 机床总体尺寸关系图 各部件装配图 零件图 编制 机床说明书 标准件 外购件 通用件明细表等 4 现场服务 参加制造 装配 试磨和鉴定工作 并进一步修改图纸 上述设计过程的各项工作 不是相互割裂毫无联系的 而是相互穿插并有 机结合的 2 3 机床总体布局 机床的总体布局关系着机床的性能 质量和整机的合理性 在决定机床总 体布局时 应注意以下几个问题 1 保证机床的刚度 精度 抗振性及稳定性 支承部件应力求有足够的刚 度 运动部件在不影响刚度的条件下 尽可能做到体积小 重量轻 采用液压 传动的磨床 应注意油池的布置 减少并改善磨床的热变形 提高精度 2 传动系统力求简短 达到结构简单 提高传动精度和效率 3 机床操作 调整要简易 装拆 维修要方便 排屑 冷却要畅通 连 锁 防护要安全可靠 4 机床的外形轮廓应平整 大方 调和 2 4 磨床的系列 随着工业生产的飞跃发展 零件的技术要求不断提高 形状不断变化 数 量不断增加 机床的品种规格也相应增多 为了适应加工不同大小的工件 同 样一种机床应该有大有小 因而机床的主参数应按一定的规律排列 即所谓机 床的系列 机床系列化可采用两种方法 等差级数系列方法和等比技术系列方 法 蚓 武汉理 亡大学硕士学位论文 图2 1 等差级数系列图 等差级数系列方法 n n 任意相邻两项的绝对差 为常数 2 一 1 2 6 n 一n 1 2 8 n z s z 1 6 而相对差c 丛 亏曼五x 1 0 0 不同 随着项数的增大 项间的相对差减少 n 2 n x 1 0 0 立z l o o n n 3 9 2 x l o o l x l o o n 盟z 二盟丛z 1 0 0 生x 1 0 0 z 1n z 4 如外圆磨床参数采用等差级数系列 最大磨削直径一般在8 0 8 0 0 毫米范围 内 l 8 0n 2 2 2 4n 3 3 6 8n 4 5 1 2n 5 6 5 6n 6 8 0 0 其绝对筹为1 4 4 而相对差为 武汉理 大学硕士学位论文 盟2 二盟1 x 1 0 0 2 2 4 8 0 x l o o 1 8 0 8 0 盟 二盟 x 1 0 0 8 0 0 6 5 6 x l o o 2 2 n 5 6 5 6 可以看到前几项的间隔太大 n 比 提高1 8 倍 不能满足使用要求 而 后几项的间隔太小 n l t n 只提高了2 2 造成品种分级过密 没有使用价值 为弥补上述缺点 可以用等级数系列的方法 等比级数系列的任意相邻二项之 比为常数 如图 图2 2 等比级数系列图 丛 丛 丛 盟 n lnln 3nz 4 j 因此任意项n 可以用下式表示 n n 叩 从比即d 瓮 仍以外圆磨床为例 1 2 8 0 n 6 2 8 0 0 z 2 6 摆 6 则主参数系列为 n 1 8 0 j v 2 1 2 5 n 32 j o n 4 3 2 0 n 5 2 5 0 0 n 6 2 8 0 0 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 采用上述等比级数系列 基本上解决了机床规格的合理排列问题 目前 我国国家标准一 优先数和优先数系 是机床主参数系列的理论依据 优先数 是一种十进等比级数 即末项与首项之比为1 0 经过机床系列化工作 大大简化了磨床的规格 提高了部件通用化 零件 标准化的程度 进一步提高劳动生产率 2 5 磨床的型谱 由于各行各业生产的情况和条件不同 对于机床的要求也不同 因而同一 规格的机床还需配备各种不同的型式去满足需要 为满足某些特殊需求 同一 规格的凸轮轴磨床又具有几种型式 即磨床的型谱 它先确定一种标准型磨床 基 型1 为基础 为适应特殊要求在设计上作一定改变的磨床 就称之为它的 变型 基型和变型构成了磨床的型谱 i 刈 一种磨床有它的尺寸规格 每种规格又有基型和变型 通称为这种磨床的 系列和型谱 它是 三化 设计的基础 是迅速发展磨床工业的一条重要途径 最大磨削直 5 08 01 2 52 0 03 2 05 0 08 0 01 2 5 0 径d 毫米 2 5 02 5 0 3 5 0 3 5 0 5 0 05 0 0 7 5 07 5 0 1 0 o1 0 0 0 最大磨削长 度l 毫米 1 5 0 01 5 0 0 2 0 0 02 0 0 0 3 0 0 0 4 i d 0 0 6 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 08 0 0 0 表2 1外圆磨床系列参数表 1 5 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 磨床的技术参数 磨床的技术参数包括主参数和一般技术参数 表示磨床主要规格的叫主参 数 表示磨床运动参数 结构参数 功率参数以及其它参数叫一般技术参数 2 6 1 磨床的主参数 磨床主参数通常以磨床上可加工的最大工件尺寸表示 凸轮轴磨床是以工 件的最大加工或回转直径d 和最大长度l 为主参数 磨床的各项技术参数中 主要影响磨床布局 传动 结构和性能的是主参数 所以在确定磨床技术参数 时 首先要决定的是主参数 其它一般技术参数都和主参数有一定的关系 对于通用机床 国家规定的系列就是主参数 对于专用磨床 基本上根据 加工工件尺寸直接决定磨床的主参数 但在设计时办要考虑到己有的机床系列 这样可充分利用通用件和标准件 2 6 2 磨床一般技术参数 磨床的一般技术参数 功率参数以及其它参数 通常是指磨床各部件的运动 参数 尺寸 结构参数 1 磨床的运动及其参数 为便于分析 常把磨床的运动大致归纳为两大类 工件和刀具的相对切削运 动及进给运动为工作运动 其它如快速进给 分度 调整等运动作为辅助运动 外圆磨床砂轮架主轴带动砂轮作高速旋转运动 头架主轴带动工件作旋转运动 工作台作纵向往复运动 砂轮架作横向进给运动 这些运动称之为工作运动 为 缩短辅助时间的砂轮架快速进给 尾架套筒的移动及其它运动称为辅助运动 无 论是工作运动还是辅助运动 对于各种磨床来说有不同的内容 而且运动量大 小和速度即运动参数 也不是随意的 具有一定的数值范围 2 磨床的结构参数 结构参数是指磨床各部件的主要结构尺寸参数 如中心高 导轨形式及参 数 顶尖锥度 砂轮架 工作台 头架的回转角度 工作台型面等 3 磨床的电机功率参数 磨床运动主要由电机带动 因此合珲地选择电机功率参数是磨床设计中不可 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 忽视的一项工作 尤其是磨床运动中起主要磨削作用的电机功率 通常称主电机 功率参数 磨床的主电机功率参数 一般是指带动砂轮架高速旋转的电机功率 2 6 3 一般技术参数的确定 拟定各项技术参数 是磨床总体方案设计阶段的一项重要内容 一般采 类 比法 收集一些以前设计的并经生产实践检验过的同类磨床的原始数据和有关 参数 批判地吸取国外有关磨床的技术参数 同时要考虑发展方向 并进行必 要的科学试验 2 6 3 1 头架转速 一般粕 精磨时 外圆磨床头架和砂轮架线速度的比例大致如下 击一志 枷 阮一一头架线速度 m s v 一砂轮线速度 m s 头架工件转速范围 应能满足粗精磨最大和最小直径的工件 但头架的最 高 最低转速比不能太大 否则传动系统很难满足 因此 工件转速范围和可 磨削直径范围是外圆磨床设计中的一个矛盾 在正常生产的情况下 磨削最大 或最小直径工件的机会很少 因为这样使用设备既不合理也不经济 而常用的 磨削直径是在中4 0 2 0 0 毫米范围内 这时可充分发挥机床的效率和性能 下表 中列出了生产实践中不同规格的外圆磨床常用的可磨直径范围 表2 2 常用的可磨直径范围 最大磨削直径 8 0 1 2 5 2 0 0 3 2 0 5 0 0 8 0 0 1 2 5 0 最小磨削直径 33582 05 0 1 2 5 推荐磨削直径 8 4 01 3 6 32 0 1 0 04 0 一2 0 06 3 3 2 01 5 0 1 7 02 8 一1 1 2 0 范围 根据上表推荐的磨削直径范围 可计算出头架的最高转速与最低转速之比 为1 0 这是比较合理的 也是符合头架传动系统设计爰求的 外圆磨床头架转 1 7 武汉理 大学硕士学位论文 速范围 推荐采用表2 3 所列的数值 表2 3 外圆磨床头架转速 转 m i n 主参数d 咖 5 08 01 2 52 0 03 2 05 0 08 0 01 2 5 0 外圆 n m a x1 5 0 01 0 0 05 0 03 5 02 2 01 0 08 05 0 磨床n m i n1 5l o o 5 0 3 5 2 2 1 0 85 万能n m a x 1 8 0 0 1 2 0 0 7 0 0 5 0 03 0 01 4 0 f 外圆 n m i n1 8 01 2 07 05 03 01 4 i 磨床 变速范围 1 0 2 6 3 2 中心高 中心高是指磨床的头架 尾架项尖中心线至工作台面的距离 中心高 一般以工件屉大磨削或回转直径的一半加系数k 来计算 h 2 k 2 k 值是使工件与工作台之间能留有磨屑和安装自动测量仪器的位置的值 按磨床规格大小而定 规格大则k 值小 规格小则k 值大 具体选用如下 小型外圆磨床 k 取4 5 5 5 中型外圆磨床 k 取2 0 3 5 大型外圆磨床 k 取1 0 2 0 0 外圆磨床中心高 推荐表2 4 所列的数值 凸轮轴磨床中心高一般比同 规格外圆磨床中心高大 表2 4 外圆磨床中心高推荐表 主参数 5 08 01 2 52 0 03 2 0 5 0 0 8 0 01 2 5 0 d n 1 1 1 1 中心高 8 09 51 1 51 3 51 8 02 7 04 2 06 4 0 h m m 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 3 3 顶尖 顶尖是安装在头 尾架上起支承工件和定心作用的重要零件 其规格大小 是机床承载能力的一项指标 因此合理选用顶尖规格 是保证机床承载刚度和 工件加工精度 表面光洁度的重要因素 目前外圆磨床顶尖的选用 见表 表2 5 外圆磨床顶尖的选用表 主参 数 5 0 8 01 2 5 2 0 0 3 2 0 5 0 0 8 0 01 2 5 0 d 舢 顶尖莫氏1莫氏2 莫氏3 莫氏4莫氏5莫氏6公制公制 规格 号 县县 号号号1 0 0 号1 2 0 号 万能外圆磨床的承载工件重量 砂轮直径和电动机功率 都比普通外圆磨 床小 故选用顶尖规格一般可以比外圆磨床小一号 若作为加大承载能力和刚 度 提高部件通用化程度 采用同一号顶尖也可以 专用外圆磨床的顶尖规格 按磨削工件重量 并参照外圆磨床最大可磨重量确定 2 7 磨床头架设计的基本要求 头架 也叫工作架 床头箱 是机床的一个重要部件 在内圆 外圆 螺纹 磨床等磨床中 由头架与尾架组合 对工件起到支承 定心 夹持及带动回转 等作用 外圆磨床的头架主轴有两种形式 主轴不回转和主轴回转两种形式 主轴不回转的磨床具有结构简单 层次少 刚性好的特点 因此磨削工件 的精度和光洁度也较高 而主轴回转磨床具有使用范围广的特点 但结构一般 比较复杂 层次也较多 刚性也较差 通用磨床头架设计需满足如下的基本要求 1 主轴传动系统要达到一定的调速范围 由于通用磨床加工对象的范围较广 磨削直径范围也较广 如果头架只有 一档转速 那么在磨削最大直径和最小直径的工件时 磨床的线速度要相差几 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 十倍 这显然不符合实际使用要求 因此在设计头架时 一定要考虑到能调速 磨床头架调速方法一般可分为有级调速与无级调速两种 2 主轴系统要有良好的回转精度和足够的刚度 头架主轴系统的回转精度和刚度 会直接影响工件的尺寸精度和几何精度 因此必须对回转精度和刚度提出一定的要求 3 主轴系统要有减少温升和振动的措施 头架经过一段时间运转后 由于运动零件的摩擦和其它原因产生热量 会 使头架产生热变形 尤其是主轴可转动头架的磨削发热更厉害 发热的结果会 使头架主轴产生位移 这是由于头架箱体的底面由工作台定位 中间由定位头 定位 受热后只能向上和向两侧膨胀 从而使主轴中心向上和向砂轮架方向产 生位移 磨削时工件若仅由头架卡盘夹持 主轴的热位移从而影响工件的加工 精度 若工件采用头架 尾架顶尖顶住磨削时 由于尾架发热少 套筒中心几乎 不位移 结果头架主轴中心的热位移会使头架 尾架顶尖中心的连线与工作台 导轨不平行 影响工件的几何精度 一般主轴向上的位移对工件精度影响不大 而向砂轮架方向的位移会使工件呈锥形 在磨削工件内锥孔时 主轴中心线的 位移 包括头架中心与砂轮架中心的不等高误差 既影响工件的锥度 又影响 其几何形状精度 使锥孔母线形成中间凸的双曲线 造成孔与轴配合接触不好 设计头架时 为了减少热变形的影响 可以从减少发热和加快散热两方面 采取措施 为了减少发热 首先应采用发热少的动力源 而且选用电动机的功 率要足够 防止过载后发热 另外在传动中应尽量采用效率高的传动副 一般 来说机械无级变速机构 由于依靠摩擦传递动力 因此发热较厉害 对于蜗轮 蜗杆副和螺旋齿轮副等传动效率低的机构 也应尽量少用 主轴旋转也是头架主要热源之一 尤其是采用滑动轴承的头架 因摩擦系 数大 所以一般比滚动轴承发热厉害 特别在轴承间隙过小的情况下发热就更 厉害 滚动轴承的头架如果轴承装配不好或预加负荷过大 也会使头架发热增 加 因此在主轴轴承装配时必须注意装配质量 对于滑动轴承一般都采用浸油 润滑 而滚动轴承涂上锂基润滑脂 以减少轴承的摩擦发热 在不影响刚性的 前提下 头架箱体的壁埠塔量设计得薄一些 这样可使头架散热快 减少温升 和变形 对于发热较厉害的头架 最好能在箱体上制出散热片 百叶窗等通风 敬热结构 武汉理工大学硕士学位论文 头架振动不但影响工件的表面光洁度 而且影响几何精度 使表面形成多 角形 因此在头架设计时 必须尽量减少头架的振动和采取必要的防振措旌 头架上的旋转零件如果不平衡 则在回转时 特别是在高速旋转时 更容易引起 振动 因此需注意回转零件的平衡 对于头架电机 在装配前必须进行动平衡 装配时在电机的底座下面垫一层橡皮或硬木 可起吸振和防振作用 对于大功 率的电机 由于振动较大 还可以采用分离式传动 即电机不装在头架上 2 7 1 磨床头架主轴系统设计 2 7 1 1 主轴轴颈的支承 主轴轴颈的固定形式有单支承 双支承两种 一般情况下 规格较小的磨 床 趋向于采用单支承而规格大的磨床大多采用双支承 采用单支承主轴的结 构 制造较简单 但必须满足轴颈支承长度大于轴颈直径的1 5 倍的原则 如 果轴颈尺寸较