（机械制造及其自动化专业论文）数控转台式组合机关键部件的优化设计.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 随着组合机产品更新换代日益频繁 高效率柔性化成为当今组合机的一大发 展趋势 目前 组合机性能相对较低 而国内对组合机优化设计方面的研究还比 较少 在组合机的优化过程中 虚拟样机技术以其先进的研发模式 低成本短周 期的研发效率以及可实现并行设计与制造的强大优势而得到了广泛的应用 本文以数控转台式组合机为研究对象 利用虚拟样机技术从多个角度对其进 行了分析与优化 所得结果对工程实际具有一定的指导作用 本文主要内容如下 在查阅了 大量文献资料的基础上 介绍了本课题的背景 意义以及组合机的研究 方法 阐述了虚拟样机的基本理论 在s o l i d w o r k s 环境下利用特征建模技术和自 顶向下的设计理论建立了数控转台式组合机的虚拟样机 为结构优化与运动学仿 真分析奠定了基础 采用有限元法在s o l i d w o r k sc o s m o s w o r k s 环境下对数控转台 式组合机立式加工部分进行了结构静力分析 研究了其整体结构在切削力和重力 作用下的应力应变 基于模态理论在s 0 1 i d w o r k sc o s m o s w o r k s 环境下 对组合机 重要部件和立式加工部分整体进行了模态分析 得到它们的前五阶固有振动特性 并且找到i r 其薄弱环节 基于优化设计理论 以控制质量和提高固有频率为目标 对床身和立式加工部分的立柱进行了优化设计 基于机构学和齐次坐标变换的方 法建立了组合机复合加工部分的运动学模型并在s o l i d w o r k sm o t i o n 环境下对其运 动学特性进行了仿真研究 关键词 数控转台式组合机 有限元法 模态分析 优化设计 运动学仿真 a b s t r a c t w 池t l l ep r o d u c t sr 印l a c 锄e i l tm o r e 矗 e q u e n t l yo fm a c h i n et o o l s m em a c h i n e l sw i mh 谫e m c i e n c ya i l d n e x i b i l i t ya r eag r e a td e v e l o p m c n td i r c c t i o l l i i l d o m e s t i c t 1 1 er e s e a hw o r ka b o u to p t i m i z e dd e s i 盟o fm a c h i n et o o l si s 1 e s s a n di t s p e 墒n 1 1 a 1 1 c ei s1 0 w i nt h ep r o c e s s i n go f o p t i m i z e dd e s i 盟o fm a c h i n et 0 0 1 s w i t hi t s a d v a n c e dr dm o d e l 1 0 w c o s ta 1 1 d s h o r t p e r i o dr de 伍c i e n c ya i l dap o w e r 如1 a d v a l l t a g e o fp a r a l l e l d e s i 印a i l dm a j l u f a c t u r i n g v p th a sb e e nw i d e l v u s c di n h l c c h 锄i c a ii n d u s 仃yd 嘶n gt 1 1 ed e s i 弘p r o c e s so fm a c h i n e t o o l s i nt h i sp 印e r s i m u l a t i o nr e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do u to nc n c m a c h i n et b o l sf 的m v a r i o u sv i e l w sw i t ht h eu s eo f v p t t h er e s u l t so fw h i c hw o u l dh a v eag l l i d i n gr o l eo n t l l e e n 百n e l 耐n gp r a c t i c e t h ek e yp o i n t so ft h i sa r t i c l er e a da sf o l l o w s b a s e do nm e e x t e n s i v e r e v i e w i n gl i t e r a t u r e t h e p a p e ri n t r o d u c e st h es u b j e c t sb a c k 星阳u n d m e a n i n g t h er e s e a r c hm e t h o d so fc n cm a c h i n e1 0 0 1 s t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e s b a s et l l e o 巧o fv i n u a lp r o t o t p i n g u n d e rt h es o l i dw o r k e l l 砌姗e n t u s i n gm o d e l i n g te c 1 1 i l i q u e sa n dt o p d o w nd e s i 印t h e o r y t h e p a p e re s t a b l i s h e sv i 咖a lp r o t o t i p i n go f c n ct u m t a b l em a c h i n e t o o l w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ei n s t i t u t i o n a l o p t i m i z a t i o n sa n dk i n e m a t i c ss i m u l a t i o na n a l y s i s u n d e rt h es 0 1 i d w o r k se n 访r o n m c n t b yu s i n gt 1 1 ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ep 印e rd o e ss 加c 仰 a ls t a t i ca n a l y s i so ft h e p r o c e s s i n gp a n si nc n ct l m t a b l em a c h i n e1 b 0 1 r e s e a r c h i n gt h eo v e r a l ls t r u c t u r e s 骶s ss 仃a i nu n d e r t h ec u t t i n gf o r c ea n d 黟a v i t y u n d c rt h es o l i d w o r k sc n v i r 0 1 1 l l l e l l t b 嬲e do n 位i em o d a lt h e o r y t h ep 印e rd o e sm o d a la n a l y s e sf o rm e i m p o r t a n tp a r t so f c n ct u m t a b l em a c h i n et o o l a 1 1 dg e t t i n gi t sf i f s tf i v en a n l r a lv i b r a t i o nc h 撇c t 耐s t i c s a n df i n d si 1 s w e a k n e s s e s b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nt l l e o r y a st h eq u a l i t yo f c 0 n t r o l l i n gi ns t n c t l l r ea n di m p r o v i n gt h en a t u r a l 行e q u e n c y t h ep 印e rd o e ss o m e o p t i m i z a t i o nd e s i 印f o rt h el a t h eb e da n dp i l l a r b a s e do nt h ea g e n c ya n dc o o r d i n a t e 锄n s f o 锄a t i o no fh o m o g e n e o u s t h ep a p e re s t a b l i s h e st h ek i n e m a t i cm o d e lo ft h e c o m p l e xp 1 o c e s s i n gp a n si nc n ct u m t a b l em a c h i n et o o l d o e ss o m ek i n e m a t i c 沈阳理工大学硕士学位论文 s i m m a t i o n s 硼 d c rt h es o l i 小釉r k s m o t i o ne n v i r o m e n t n l m t a b l em a c h i n et b o l t i n i t e e l e m e n tm e t t l o d m d a l a i l a l y s i s o p t i m a ld e s i 弘 酗n e m a t i c ss 洳m a t i o n 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于辽宁省科技厅资助项目 立卧复合多工位数控转台式组合机的 研究 1 1 2 课题的研究背景 专用机床是随着现代制造业的兴起而发展起来的 在专用机床中某些部件因 重复使用逐步发展成为通用部件 因而产生了制造这些通用部件的组合机床 既 组合机 目前世界上机床的发展呈现出多个方向 组合机床是当今机床的一大发 展趋势 组合机床是以通用部件为基础 配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用 部件和夹具组成的半自动或自动专用机床 其目的是在一台机床上实现或尽可能 实现从毛坯至成品的多种要素加工 根据其结构特点分为工序复合化组合机和功 能复合化组合机 组合机床一般采用多轴 多刀 多工序 多面和多工位同时加工的方式 生 产效率比通用机床高几倍至几十倍 由于通用部件已经标准化和系列化 可以根 据需要灵活配置 能缩短设计和制造周期 因此 组合机兼有低成本和高效率的 优点 在大批量生产中得到广泛应用 并且可以组成自动生产线叫 组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件 加工时 工件一般不旋 转 通常由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动来实现钻孔 扩孔 锪孔 铰孔 镗孔 铣削平面 切削内外螺纹以及加工外圆和端面等 4 1 有的 组合机床采用车削头夹持工件使之旋转 由刀具作进给运动 也可实现某些回 转体类零件 如飞轮 汽车后桥半轴等 的外圆和端面加工 5 6 1 最早的组合机床是1 9 1 1 年在美国研制成功的 用于加工汽车零件 初期 各 个机床制造厂都有各自的通用部件标准 不同厂家之间没有相应的标准 彼此的 沈阳理工大学硕士学位论文 一 一 通用部件不能相互使用 给组合机的生产厂家和使用厂家带来了很大困难 为了 提高不同制造厂的通用部件的互换性 便于用户使用和维修 1 9 5 3 年美国福特公 司和通用公司与美国机床制造厂协商 确定了组合机床通用部件标准化的原则 严格规定了各部件间的联系尺寸 但对部件结构未作规定 随后 随着机械 电 气 液压和气压四种技术的结合 出现了自动生产线 伴随着还出现了为了提高 自动化生产线程度而发展起来的一些附属设备 在随后的1 0 年时间里 组合机床 有了两个发展趋势 一是由单工位组合机床向多工位组合机床和自动生产线发展 二是由适合于大批量生产向适合于中小批量轮番生产发展 同时要求保证高效率 高加工精度和有较大的通用性 到了上世纪8 0 年代 组合机床在满足精度和效率 要求的基础上 朝着综合成套和具备柔性的方向发展 组合机床在加工精度 多 品种加工的柔性以及配置的灵活性方面均有突破性的进展 实现了组合机工作程 序软件化 供需高度集中化 高效短节拍和多种功能的自动监控 们 采用组合机进行加工 减少了工件装卸 更换和调整刀具的辅助时间以及这 些过程中产生的误差 从而提高了零件加工精度和生产效率 缩短了产品制造周 期嗍 组合机床在我国已经有五十年的生产历史 五十年来 组合机床行业不论在 产品设计方面还是在生产制造方面都积累了较丰富的经验 为我国汽车 农机 阀门 轻工仪表以及军工等工业和部门提供了相当数量的高效自动化设备 9 组 合机床在老企业的技术改造和武装新企业上 发挥着越来越重要的作用 但是与 广大用户的要求与需要还存在着一定的差距 而差距的焦点主要集中在产品的质 量水平上 由于市场竞争激烈 产品寿命进一步缩短 新产品开发周期日益缩短 且产品品种不断增多 对高速度 高精度 柔性化数控组合机的需求日益增多 如日本丰田公司在近年来的目标是 工厂的柔性化加工系统的普及率要达到 1 0 0 而欧洲有些国家如德国 其组合机床的数控普及率已达6 6 很显然 高 速度 高精度 并进一步提高柔性化是我国组合机的发展方向 1 0 1 长期以来 由 于缺乏认真研究组合机床质量的管理与考核办法 还没有开展产品质量的升级创 优 作 致使组合机床产品在质量方面存在着一定的问题 这不仅直接影响用户 的使用 而且极大地影响了组合机床的威信f n 因此 及时的提出问题并认真的 加以研究和解决 提高组合机产品的质量 是当前摆在组合机行业面前的一项十 第l 章绪论 分重要的 作 而数控技术的应用使得这个问题有了很大的改观 数控技术是一种采用计算机对生产过程中各种控制信息进行数字化运算 处 理并通过7 葛性能的驱动单元对机械执行自动化控制的高科技技术 它是一门边缘 学科 综合了机械 计算机 微电子 自动化以及测量技术 数控技术是实现机 械制造自动化的关键 也是体现一个国家的经济发展和综合国力的重要指标 1 9 5 2 年 美国研制成功世界上第1 台三坐标数控铣床 标志着数控技术的诞生 随着 计算机技术的发展和微电子技术的不断进步 数控技术在不断的飞速发展 数控 系统也在不断迅速更新 现在 基于p c 第6 代的数控系统 即开放式的数控系 统 已经很常见并日益完善成熟 应用领域逐渐拓宽 对关系国计民生的很多重 要的行业 如i t 业 汽车制造业 轻工业和医疗事业等 的发展发挥着越来越重 要的作用 12 1 目前 将数控技术成熟运用到机床生产上的数控机床的发展呈现出 多个方向 应用到组合机上是一大发展趋势 本文就是在数控技术高度发展并且 广泛应用的的背景下对组合机进行了优化设计 目前 我国快速增长的国民经济带动了机床行业的迅猛发展 2 0 0 8 年我国机 床行业总产值3 4 7 2 3 亿元 销售额3 3 4 8 3 亿元 同比分别增长2 7 5 2 0 0 9 年1 月 我国进口金属加工机床7 3 2 3 台 其中对大型复合加工能力的数控加工中心的 进口量占了很大一部分 显示出我国对高端数控机床的大量需求及自身能力的不 足 从总体水平上看 我国的数控机床的发展还是落后于美国 日本及欧洲的发 展水平 因此 我国机床行业未来的主要发展目标要定在坚持走高端路线 加快 提高自主创新能力 开发出具有自主知识产权的高档数控机床 1 3 从我国的制造业实际情况出发 跟踪国外先进技术 发展创新 推广发展具 有我国国情的先进技术是必要的 随着数控系统越来越好的发展 实用性越来越 强 将多项技术嫁接到组合机床上是一种典型的结合国情 实施适用且具可行的 先进方针的解决方案 1 1 3 课题的研究意义 本课题的研究对象是辽宁省科技厅资助项目 立卧复合多工位数控转台式组 合机项目的研究 中的数控转台式组合机 该组合机是用来解决加工部件在一次安 装 定位下 完成对工件的钻 铣 镗 铰 攻丝等多序加工 在设计过程中还 将虚拟样机技术运用到其中 将虚拟样机技术应用于组合机的设计中 不仅能在 沈阳理工大学硕士学位论文 组合机设计阶段就能对其内在的静态特性和动态特性进行分析及预测 而且还可 以进一步得到组合机结构的薄弱位置和组合机应力应变数值的大小 这很好的为 工程技术人员提供了一种更加有效的工具 对现代企业来说 只有能独立自主地应用先进技术和先进高效的手段进行产 品的分析和设计 降低成本 不断推出新产品 才能在激烈地市场竞争中求得生 存 现代机床的结构设计和开发正由 经验 类比 静态设计 阶段 步入 建模 优化 动态设计 的新阶段 在虚拟环境下实现新机床的虚拟设计和动态仿真 借 助虚拟样机技术对数控转台式组合机的性能进行研究 在物理样机制造出来之前 就可以对该组合机实现校核与优化 不仅降低了研究成本 而且缩短了其研发周 期 为组合机的数字化设计提供了一定的理论依据 1 2 组合机的研究方法 目前 对于机械结构动态设计这个领域的研究在国内外都十分的活跃 都很 重视机械结构动态设计这个方面的研究 一般都将其列为在机械结构设计这个领 域一个最重要的发展方向 机械结构动态设计方面的问题所包含的内容十分丰富 涉及面很广 其中包括模态分析理论 有限元分析方法 现代动态设计方法 振 动学和结构力学的相关理论 组合机结构动态设计的主要内容有两点 一是要建 立符合组合机实际工作情况的结构动力学仿真模型 二是要选取适用于组合机的 有效合适的动态设计方法 组合机结构动态设计的过程主要是对组合机产品初步 设计好的图样或者需要进行改进的组合机实物进行力学的建模 对其结构进行静 态特性和动态特性的分析 然后根据组合机工作性能饷要求提出组合机动态设计 的目标 然后再按照结构力学的 正问题 逆问题 求解其结构的设计参数或 者进行结构的修改 组合机系统的建模问题是它动态设计的基础 选择合理的建模方法是建立其 准确的理论模型的关键 目前国内外常用的组合机的理论建模方法有传递矩阵方 法 集中参数法 有限元法和均质梁法 有限元法是2 0 世纪6 0 年代后期 随着 电子计算机技术的飞速发展而逐渐发展并应用于工程实践中的一种方法 有限元 法作为一种数值计算方法 具有很多突出的优点 并且在此基础上出现了许多 c a e 软件如m s m a s t l 彻 a n s y s c o s m o s w o r k s 等等 从而实现了有限元理论 和计算机技术的结合 大大提高了组合机结构设计的质量和效率 当前 采用有 第1 章绪论 限元法 建立组合机结构的静力学 动力学模型己经成为了组合机理论建模普遍 采用的建模方法 目前 应用有限元方法在组合机结构设计中的应用主要有以下几个方面 1 4 1 静力学的分析 这是针对二维或三维组合机的零件承载后所受应力和应 变的分析 它是有限元方法在组合机设计中的最基本 最常用的分析类型 2 瞬态动力学分析和谐响应分析 这两类分析属动力学分析 用来研究结 构对非周期载荷和周期载荷的动态响应 3 模态分析 它也是动力学分析的一种 用来研究各振型的振动特性和结 构的固有频率 在进行分析时所施加的载荷只能是预应力载荷和位移载荷 4 接触分析 它是一种状态非线性分析 用来分析两个结构发生接触时接 触面的状态 法向力等 因为机械结构中结构和结构间力的传递都是通过接触实 现的 所以有限元方法在机械结构中的应用很多都是接触分析 但是 以前受计 算能力的制约 接触分析应用的较少 5 热应力分析 用于研究结构的工作温度不等于安装温度时 或者工作时 结构的内部存在温差分布时 其内部的温度应力 组合机是由许多的零部件组成的 而各零部件之间的连接方式有很多种 例 如螺栓紧固连接 滑动导轨和平面导轨的滑动连接等 l5 1 应用有限元法建立一个 较为准确合理的组合机力学模型 使其符合实际工程建模中的精度要求 是一个 很复杂的问题 其中最为关键的部分就是结合面的建模及模型修正的问题 至今 仍然没有得到广泛认同的完美方法来解决它 由于结合面在组合机的结构中大量 的存在 从而使机械结构的本身不再具有连续性 从而导致建模问题的复杂性 由于结合面存在接触阻尼和接触刚度 这些结合面的特性对组合机结构整体的动 态性能影响很大 有学者认为 一台组合机5 5 以上的动柔度和9 0 以上的阻尼 来自结合部 同时由于结合部表现出来的特性是既有阻尼又有弹性 因此 大多 数的研究者将结合部等效成为许多的阻尼器和弹簧所构成的动力学模型 16 1 这个 模型是虚拟的等效模型 但它同样起到了原结合部对相关子结构所起到的联接作 用 所以 如果能够确定出合理等效的弹簧和阻尼器与相关子结构所具有的的联 接方式 那么就可以方便的建立出准确的结合部的等效动力学模型 因此 结合 部的问题就归结成为如何确定等效动力学模型参数的问题 这也是建立组合机动 沈阳理工大学硕士学位论文 力学模型的难点之一 等效动力学模型参数的确定 属于参数识别的问题 由于结合部具有非线性 的特征 1 7 1 且对结合部动力学特性产生影响的参数多而复杂 至今仍有一些问题 未能解决 确定等效动力学模型参数有三种方法 理论计算方法 试验测试方法 和理论计算与试验测试相结合的方法 1 理论计算法 18 1 就是针对机械结构中各种典型的结合部 通过理论分 析和动态测试 从而获取其特性参数 并且建立相应的参数图表以及分析计算表 达式 由于结合部的特性复杂 受到的影响因素比较多 所以该方法的识别精度 还有待进一步提高 2 试验测试法 1 9 直接对结合部以及相关子结构进行动态试验 并通过 测试获得数据和图表 从而识别出结合部的等效动力学参数 虽然在理论方法还 未成熟的条件下 这种方法得到大量的应用 但是采用这种方法只能知晓结合部 的改进方向 却不能进行定量修改 并且每次改进后都需要对样机进行试验 对 二f 那些体积庞大结构复杂的高精密加工机床 很难使用这种方法来对参数进行有 效地识别 3 理论计算和试验测试相结合的方法 2 0 这种方法不仅具有理论的指导 而且还具有利用试验测试的可操作性 在当前 这是参数识别相对比较有效的途 径 随着各种有限元分析软件被广泛的应用 一些研究者提出了将参数优化与试 验相结合的参数识别方法 2 l 第一步是对组合机进行模态测试 通过测试得到组 合机前几阶的固有频率 第二步是以组合机零部件的有限元模型计算的结果与其 实验结果的相对误差最小做为目标函数 以得到的前几阶固有频率作为状态变量 参数 再以结合面阻尼和刚度来作为设计变量进行组合机的参数优化 该方法不 需要输出刚度 阻尼与质量矩阵 并且识别精度比较高 具有非常好的实用价值 同时 尽管参数识别的理论计算方法尚未成熟 但是这种计算方法具有十分 广阔的应用前景 通过这种理论分析出来的结果有巨大指导意义 它可以使组合 机设计人员在组合机图样的设计阶段就能够十分准确地预知组合机的动态性能 所以这种理论计算方法必将会成为研究结合部问题的一个主要方向 机床动态性能的优化设计或动态设计就是在机床系统结构设计的过程中 寻 第1 章绪论 找到一个合理的机械结构 使机床的动态特性和静态特性都能够满足预期的要求 尽管不少学者在理论上己经提出了一些进行动态优化设计的方法 但目前在大多 情况下仍然是将动态设计的相关问题转化成为动态分析的问题来处理 而对于组 合机这种比较复杂的机械结构系统的动态设计 目前常用的方法就是采用 优选 的方式 2 2 1 既先是对初步设计出的组合机的结构进行三维建模和动 静态特性分 析 然后根据设计者的要求在结构上进行动力学修改 修改完成后在计算机上进 行再进行动态分析 这样反复多次 直到所设计的组合机的静态特性和动态特性 都满足设计者的要求 目前 学术界对于组合机一些复杂的零部件所进行的动态优化设计仍然只是 局限于广泛意义上的优化设计 其实质还是 优选 的优化设计 但是这种方法只 能让设计者知道这些零部件的结构需要修改的方向 却不能找到部件结构性能最 优的设计方案 并且这种优化效果的情况往往很大程度上取决于设计者自身的的 经验多少 而在计算机的工作平台上 用来实现预定的目标函数与约束条件自动 完成的优化结果搜索的 自动优化 仅能在一些设计参数较少较为简单零件上实 现 利用优化准则和数学规划法 由计算机自动完成结构系统的优化过程 仍有 大量的理论工作和实际的问题有待解决 国内的结构优化设计基本上采用 优选 设计的方式 在自由度不是很多的系统和部件的结构中实现其动态的优化设计 组合机零件的静 动态特性与组合机产品的整机性能有着相当密切的关系 提高组合机主要结构部件的动态性能 对于提高其产品质量 保证组合机的动态 加工精度有重要意义 对于组合机结构的优化设计 以预定的结构的固有频率和 振型作为优化的目标函数 再通过修正结构设计参数从而实现结构的动力学优化 设计 在这方面国内的许多学者做了很多的工作并取得了一定的成果 但是一般 仅仅是限于简单的部件结构或者对复杂的结构进行大量的简化 汤文成 易红 2 3 对床身结构的静态 动态特性进行了分析和优化设计 通过 他们的分析和研究得出了改变床身的筋板类型和布局设计是提高床身结构的静态 与动态特性的有效手段 并且还提出了以导轨的振动变形量作为床身结构设计的 主要依据 建立了床身的结构模型 以床身的结构参数作为设计变量 各个设计 变量对床身动态性能的贡献加权作为其结构优化设计的目标函数 最后得出最优 的床身设计方案 并且在机床参数化设计等方面也进行了有益的尝试 沈阳理工大学硕士学位论文 东南大学毛海军 2 4 等人将神经网络理论与有限元建模方法相结合 提出了采 用神经网络建立机床整机主要部件的动力学模型 并且应用有限元分析软件 a n s v s 的a p l d 进行b p 神经网络样本的快速采样的方法 根据所提出的方法 建立了床身的筋板厚度 位置与床身前五阶频率之间的b p 神经网络模型 并以 床身第一阶得固有频率最高为目标 进行了设计变量的自动搜索寻优计算 且获 得了满意的结果 将这种传统的数值方法与神经网络理论相结合的方法应用于实 体结构的动态分析计算具有十分重要的现实意义 此外 张学良 2 5 等人分析了影响结合面基础特性参数的众多因素 也提出了 利用网络建立结合面的基础特性参数与其诸多的影响因素之间的非线性关系 并 且对其进行了正预测的有效方法 该方法虽然能够在机床的结构方案设计阶段就 能够预知所设计的机床结构性能 寻求最佳的结构方案 但是采用这种统计分析 方法得出来的结果精度不是很高 1 3 本课题的研究内容 数控转台式组合机与普通的组合机相比 在机械传动和结构上有显著的不同 在性能方面上也提出了新的要求 数控转台式组合机的关键部件为床身 数控转 塔刀架 数控滑台 滑枕以及复合工位立式加工的立柱等 这些关键部件的设计 影响组合机的整体加工性能和加工精度 因此 对数控转台式组合机键部件的优 化设计就显得尤为重要 这些部件要求高精度 高刚度 低惯量 低摩擦 高谐 振频率和适当的阻尼比特性 2 6 2 7 1 使数控转台式组合 饥达到预定的各项性能指标 模块化设计原则是本课题的设计原则 依据这个原则对影响组合机性能的关 键部件 复合工位立柱和床身以进行优化分析设计 从而确定零部件结构 进 而建立建立零部件的三维实体模型 进一步形成数字化样机部件 再对组合机建 立有限元模型 在工作的极限载荷条件下测试立柱的应力和应变等特性 并把这 作为依据对零件的尺寸进行最优化设计 从而得到在较少的原料消耗条件下结构 紧凑 符合设计要求的组合机关键部件的三维模型 具体研究内容如下 1 利用s 0 1 i d w o r k s 软件对数控转台式组合机的各个零部件和整机进行三 维建模 2 在c o s m o s w o r k s 环境下对数控转台式组合机复合工位立式加工部分进 行有限元静力学分析 r 一 第l 章绪论 3 完成数控转台式组合机关键零部件和立式加工部分的动力学建模和分 析 4 基于优化理论 在有限元分析的基础上 对关键部件进行优化 以提 高机构整体的机械性能和经济性 5 在s 0 1 i d w o r k sm o t i o n 环境下对优化后的数控转台式组合机的复合加工 工位进行运动学仿真 在机构的速度及加速度分析的基础上 对其运 动特性进行研究 1 4 本章小结 本章在查阅大量国内外文献资料的基础上 论述了组合机的国内外研究背景 研究方法以及发展方向 介绍了有限元分析的理论和结构优化的理论 作为以后 章节组合机结构分析和优化设计的理论基础 基于虚拟样机的关键技术 给出了 本文的研究的主要内容 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章数控转台式组合机虚拟样机的建立 2 1 引言 为了使设计出的产品满足要求 以往传统的设计方式往往需要制造出许多物 理样机然后进行反复试验 不仅设计成本高 产品研发周期也很长 而虚拟样机 技术的设计模式 全数字技术设计 极大地改变了 以往传统落后的设计方式 虚拟样机技术 v p t 讥r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h l l o l o g y 是一种在虚拟样机基础上的数 字化的设计方法 是c a d 和c a e 技术在各领域的发展和延伸 虚拟样机技术进 一步的融合了先进建模和先进仿真技术 现代管理技术 先进设计制造技术以及 现代信息技术 将这些技术巧妙地运用到产品全生命周期及产品全系统设计的复 杂过程中 并对它们进行深层次综合管理 虚拟样机技术与传统产品设计技术相 比 它强调的是系统的观点 其中涉及到产品全生命周期 并且支持对产品进行 分析 评估以及全方位测试 还特别强调不同领域虚拟化的协同设计 2 8 1 虚拟样 机技术能够通过计算机来实现 设计一试验一再设计 这个反复设计的过程 大大 降低了新产品研发成本和研发周期 能够准确并及时地满足现代制造业对设计和 生产成本 产品研发周期 产品质量 环保程度和售后服务的要求 极大地推动 了当前机械制造业向智能化 网络化和数字化方向的快速发展 2 9 1 本章基于虚拟样机技术的基本原理 在s o l i d w o 旅s 环境下利用自顶向下的设 计理念和特征建模技术建立了数控转台式组合机各零部件和整机的虚拟三维实 体 2 2 虚拟样机技术概述 2 2 1 虚拟样机技术的定义 虚拟样机技术综合了多门技术 由于个体差异 每个研究人员对于虚拟样机 技术的定义都有自己的理解 所以 目前还没有一个关于虚拟样机技术统一明确 的定义 所有学者都是从各自研究领域的特点去给它下定义 比较有代表性的有 以下几种论述 第2 章数控转台式组合机虚拟样机的建立 1 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中 将分散的零部件设计和分 忻技术 指在某单一系统中零部件的c a d 和f e a 技术 糅合在一起 在计算机上创建出产品的整体模型 并针对该产品在投入使用后的各 种工况进行仿真分析 预测产品的整体性能 进而改进产品设计 提高 产品性能的一种新技术 3 0 2 虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术 是一种计算机辅助工程 c a e 技术 指工程师在计算机上建立模型 并对模型进行各种动 态分析 然后改进样机的设计方案 用数字化形式代替传统的实物样 机试验的方法 3 l 3 协同虚拟样机技术 简称c v p 是指分布式建模和仿真在支持系统全生 命周期中性能折衷分析的集成环境中的应用 基于集成产品和过程开 发 i n t e g r a t e dp r o d u c ta n dp r o c e s sd e s i 驴简称i p p d 的新的设计开发范 侧3 2 4 虚拟样机技术是以c a d 等技术为基础 进一步融合现代信息技术 先进仿真技术和先进制造技术 并将这些技术应用于复杂系统全生命 周期和全系统并对它们进行综合管理 从系统层面来分析复杂系统 支持由上到下的复杂系统的一种开发模式 3 3 5 虚拟样机技术是利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索 物体的功能 对产品进行几何 功能 制造等许多方面交互的建模与 分析 在c a d 建模的基础上 把虚拟技术与仿真方法相结合 为产 品研发提供全新思想的一种设计方法 3 4 6 虚拟样机技术 简称为v p t 可支持产品全生命周期并且可知用于整个 系统工程的从概念设计到训练的许多种需求 虚拟样机是能捕获所有 与产品的定义相关联的信息 提供能与产品行为全方位交互的一个机 制 产品的复杂性又迫使虚拟样机技术分布共享在供应链组织剐3 5 1 2 2 2 虚拟样机的特点 传统的物理样机设计研发方法流程如图2 1 所示 虚拟样机技术的研发方法 流程如图互2 所示 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 1 传统机械设计流程 是 图2 2 虚拟样机技术设计流程 通过对比各自的设计流程 可以看出虚拟样机设计方法具有以下优点 3 6 1 一种全新的研发模式 传统的设计方法从设计到生产是一个串行的过程 这种设计方法有很多弊端 而虚拟样机技术则真正的实现了系统角度的产品优化 它基于并行工程 使产品在概念设计阶段就能够迅速的进行分析和比较多种设计 方案 进而能够确定影响性能的敏感参数 并通过可视化技术设计产品 预测产 品在真实工况下的特征以及所具有的响应 直至获得最优工作性能 2 拥有更低的研发成本 更短的研发周期和更高的产品质量 采用虚拟样 机设计方法有助于摆脱研发设计中对物理样机的依赖 这种通过计算机技术建立 起来的数字化模型 可以无数次完成物理样机在成本和时问条件所不允许进行的 第2 章数控转台式组合机虚拟样机的建立 虚拟实验 从而在设计过程中不需要制造及试验物理样机就可以获得最优的设计 方案 因此 这种方法不但减少了物理样机的数量 而且提高了产品质量 缩短 了研发周期 3 实现动态联盟的重要手段 当今 世界范围内广泛地接受了动态联盟的 概念 即为了适应快速变化的全球市场 克服单个企业资源的局限性 出现了在 一定时间内 通过互联网临时结缔成的一种虚拟企业 为实现并行设计和制造 参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤显重要 而虚拟样机是一种数字化模型 通 过网络输送产品信息 具有传递快速 反馈及时的特点 进而使动态联盟的活动 具有高度的并行性 2 3 数控转台式组合机简介 转台式组合机是传统制造的一种专用设备 所采用技术均为传统技术 如液 压 气动等 主要部件为液压转台 液压滑台 机械变速动力箱等 虽然技术成 熟 但元器件的可靠性差 转台转速较低 结构非常复杂 占地面积大 安装调 试较难且容易漏油 随着数控技术的发展 出现了数控转台式组合机 此种机器 用数控转台代替了原来的液压转台 极大地改善了组合机的性能 但是价格较高 国内市场还难以接受 针对以上现状 本课题提出了一转全新的数控转台式组合 机 本组合机转台部分采用数控车床上技术非常成熟的数控转塔刀架代替数控转 台 转位可靠而且精度高 仅需一次安装定位 减少了定位误差 速度快 由原 来的8 秒 工位提高到0 8 秒 工位 数控转塔刀架不仅能够完成单个工位旋转 还可 以根据所加工零件的工艺要求实现连续多个工位旋转 根据不同产品及加工工艺 要求的不同 加工工位也可不等 目前常用的有五工位 六工位以及八工位等 本文以八工位 其中四工位为复合加工工位 数控转台式组合机为研究对象 使 所加工零件在一次安装定位下 即可完成钻 铣 镗 铰 攻丝等加工工序 本组合机滑台部分采用伺服电机控制滚珠丝杠 刀具的运行路线与滑台直线 导轨的运动路线一致 运行平稳 精度高 速度快 快移速度可达到3 0 米 分 本组合机床身采用圆盘式设计 简化了机床结构 减小了机床体积 使得安 装调试变得极为方便 本课题所提出的这种新型数控转台式组合机不仅使转台式组合机具有良好的 一l 沈阳理工大学硕士学位论文 二亡作性能 而且大大地降低了成本 2 4 数控转台式组合机的三维建模 2 4 1s o l i d w o r k s 软件简介 s o l i d w o r k s 是美国著名的软件开发公司s 0 1 i d w o r k s 公司开发的三维c a d 产品 它因为具有强劲的实体建模功能和简单易用的操作界面而受到受到广泛好评 3 7 1 现代产品开发的基本任务和开发流程如图2 3 所示 图2 3 现代产品开发流程 s o l i d w o r k s 不仅能完成这些要求而且在设计效率 操作的简易程度等方面在 所有的三维c a d 绘图软件中是佼佼者 同时 s 0 1 i d w o r k s 还具有自上而下的设计 功能 如图2 4 所示 是 商 图2 4 自顶向下的设计流程 第2 章数控转台式组合机虚拟样机的建立 2 4 2 数控转台式组合机零件特征建模 特征建模技术被称作是c a d 和c a m 发展过程中新的里程碑 特征建模技术的 出现和发展很好的为解决c a d c a p p c a m 的集成提供了理论基础和方法 特征是 一个综合的概念 它作为 开发产品过程中各种信息的载体 不仅包含零件的几 何拓扑信息 此外还包含了设计制造等过程中所需要的一些非几何信息 诸如形 状尺寸 材料信息 公差信息 热处理及表面粗糙度信息和刀具信息等 因此特 征含有很丰富的工程语义 它是在更高层次上对几何形体上的槽 凹腔 孔等的 集成描述 从不同的应用角度去分别研究特征 必然会引起特征定义的不统一 通常根据 产品生产过程阶段不同而将特征区分为 制造特征 设计特征 装配特征 位置 关系 配合约束关系 连接关系 运动关系 和检验特征等 而根据描述信息内 容不同将特征区分为 精度特征 形状特征 技术特征和材料特征等 零件的特 征信息体系结构如图2 5 所示 图2 5 零件的特征信息体系结构 本课题采用的s o l i d w o r k s 软件是领先的 主流的三维c a d 解决方案 功 能强大 易学易用和技术创新是其三大显著特点 3 引 s o l i d w o r k s 具有独特的 的拖拽功能使用户用较短的时间就能够完成大型装配设计 s 0 1 i d w o r k s 资源 1 5 沈阳理工大学硕士学位论文 管理器能够像w i n d o w s 资源管理器一样管理器c a d 文件 在强大的设计功 能和易学易用的操作 包括w i n d o w s 风格的拖 放 点击 剪切 粘贴 协同 下 整个产品设计是可以进行完全编辑的 零件 装配体和工程图之间的是 完全相关的 39 1 使用s 0 1 i d w o r k s 用户在较短的时间内能够完成更多的工作 更快地将高质量的产品投放到市场 基于以上特征建模的理念 在s 0 1 i d w o r k s 软件环境下建立了数控转台式组合机的各零件的精确三维模型 主要零件如图2 6 至图2 2 3 所示 图2 6 床身 图2 8 轴承座 图2 1 0 槽板 图2 7 滑枕 图2 9 滑台 图2 1 1 滚轴丝杠 第2 章数控转台式组合机虚拟样机的建立 图2 1 2 导轨 图2 1 4 转塔 图2 1 6 复合 1 位立柱 图2 1 8 螺杆 图2 1 3 刀架座 图2 1 5 刀架 图2 1 7 动力头 1 7 图2 1 9 调整垫 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 2 0 丝母座图2 2 1 连接板 图2 2 2 防护罩图2 2 3 伺服电机模型 2 4 3 数控转台式组合机的虚拟装配 装配是指将零件按规定的技术要求组装起来 并经过调试 检验使之成为合 格产品的过程 装配始于装配图纸的设计 完成的结果叫做装配体或子装配体 4 0 1 机械系统是一个十分复杂的系统 如果不按照一定规则 而是直接将零件一个一 个地装配在一起 就有可能导致装配后的整体无法按照预定的设计使各部件进行 运动 有时甚至还会发生相邻零部件之间的干涉 所以 对于数控转台式组合机的虚拟装配工作 本文沿用了一种 零件一子装 配体 总装配体 的分层装配模式 如图2 2 4 所示 分层装配模式把数控转台式 组合机分为三个层次 零件层 子装配体层以及总装配体层 零件层包括组成 数控转台式组合机的所有零件 包含非标准件和标准件 是装配过程的基础 子 装配体层是将所有零件根据分布和功能的特点来进行分别装配 数控转台式组合 第2 章数控转台式组合机虚拟样机的建立 机功能部件的装配 是整体装配过程的核心阶段 总装配体层就是完整的数控转 台式组合机 是最高层次 也是装配过程的完成阶段 图2 2 4 分层装配模式 根据 零件 子装配体叶总装配体 的分层装配模式 将数控转台式组合机的 虚拟样机划分为1 0 个子装配体 如图2 2 5 所示 图2 2 5 数控转台式组合机虚拟样机的子装配体构成 在s o l j l 撇s 环境下利用对称 同轴 重合 平行 距离等装配体建模功能 将基于特征建模的各零部件装配并获得数控转台式组合机的虚拟样机装配完成后 的卧式加 工位装配体如图2 2 6 所示 床身装配体如图2 2 7 所示 立式加工工位 装配体如图2 2 8 所示 回转工作台装配体如图2 2 9 所示 总装配体如图2 3 0 所 示 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 2 6 卧式加工工位装配体 图2 2 7 床身部分装配体 图2 2 8 立式加工工位装配体 图2 2 9 回转工作台装配体 图2 3 0 数控转台式组合机总装配体 2 0 堡坚主l 燮鱼垫塑全塑生垫登塑堕垄皇 一 2 5 本章小结 本章基于虚拟样机技术的基本理论 在s 0 1 i d w o r k s 环境下 利用特征建模技 术建立了数控转台式组合机各零件的三维实体模型 采用利用自项向下的设计理 论和分层装配模式 建立了数控转台式组合机的三维实体模型 为机构的运动学 研究及优化奠定了基础 第3 章组合机立式加工部分的有限元静力分析 3 1 引言 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高 有限元分析法在工程 设计和分析中得到了越来越广泛的重视 已经成为解决复杂工程分析计算问题的 有效途径 现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计 算 其在机械制造 材料加工 航空航天 汽车 土木建筑 电子电器 国防军 工 船舶 铁道 石化 能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发 生了质的飞跃 主要表现在以下几个方面 增加产品和工程的可靠性 在产品的 设计阶段发现潜在的问题 经过分析计算采用优化设计方案 降低原材料成本 缩短产品投向市场的时间 模拟试验方案 减少试验次数 从而减少试验经费 在设计机械结构时 通常需要采用静力分析的有限元分析方法来研究在静态 载荷作用下结构的线性或非线性行为 如位移 应变和应力等特性 通过静力分 析可以得到整体结构的静力学特性 从而可以分析整体结构在这种工况下的最薄 弱环节以及各节点间的强弱差异 为机械结构的进一步设计与优化提供理论参考 本章在s o