基于双刀车花机的偏置曲柄滑块机构优化及仿真.pdf

第 4期 2 0 1 6年 4月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a ch ine Too l Au t o m a t ic M a nu f a ct ur ing Te ch n iqu e No 4 Ap r 20 1 6 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 6 0 4 0 0 4 7 0 4 D O I 1 0 1 3 4 6 2 j cn k i mm t a mt 2 0 1 6 04 0 1 3 基于双刀车花机的偏置曲柄滑块机构 优化及仿真 术 朱大壮 陈可娟 何凯 1 华南理工大学 机械与汽车工程学院 广州 5 1 0 6 4 1 2 中国科学院深圳先进技术研究院 精 密工 程深圳市重点实验室 广东 深圳5 1 8 0 5 5 摘要 为得到所设计的新型卧式双刀车花机 中传动性能最优的偏置曲柄滑块机构及分析滑块进给速 度对于含有双间隙偏置曲柄滑块机构运动性能的影响 建立以滑块为主动件 曲柄为从 动件 的含有 不等式约束的多变量非线性规 划数 学模型并利用 MA T L A B优化工具箱求解 得到具有最优传动性 能 的偏置曲柄滑块机构 设定滑块不同的进给速度 运用 A D A MS建立含有双 间隙的偏置 曲柄滑块机 构动力学模型进行运动仿真 结果表 明 间隙对于曲柄的转角及 角速度影响较 小 但对于 曲柄的角 加速度有较大的影响且滑块的进给速度越大 间隙对于曲柄的角加速度的影响越大 研 究结果为后 续确定车花机 的滑块进给速度及动力学分析奠定基础 关键词 车花机 偏置曲柄滑块机构 优化设计 双 间隙 中图分类号 T H1 2 2 T G 6 5 文献标识码 A Op t imiz e d De s ig n a n d Si m u la fi o n o f De fl e ct i o n Sli de r Cr a n k M e ch a n is m Ba s e d o n Twin Tu r r e t Di amo n d Fa ce t ing M a ch ine Z HU Da z h u a n g C HE N K e j u a n HE Ka i 1 S ch o o l o f M e ch a n i ca l a n d A u t o m o t iv e E n g in e e r in g S o u t h C h in a U n iv e r s it y o f T e ch n o lo g y G u g a n g z h o u 51 0 6 41 Ch i n a 2 S h e n z h e n Ke y L a b o r a t o r y o f P r e cis io n En g in e e r in g S h e n z h e n I n s t i t u t e s o f Ad v a n ce d Te ch n o lo gy C h in e s e A ca d e m y o f S cie n ce s S h e n z h e n G u a n g d o n g 5 1 8 0 5 5 C h in a Abs t r a ct To g e t t h e mo s t e f f e cti v e f o r ce t r a n s mis s i o n o f the n e w h o r iz o n t a l d ia mo n d f a ce ti n g ma ch in e s d e fl e cti o n s li d e r cr a n k me ch a n is m wh ich h a s the a ct i v e me mb e r s l id e r an d f o ll o we r cr a n k a n d an a1 y z e the in fl u e n ce o f f e e d r a t e o f s lid e r t o the mo ti o n p a r am e t e r s o f the d e fl e ctio n s lid e r cr a nk me ch a n i s m with d o u b 1 e cle aran ce s the ma t h e ma t i cal mo d e l o f n o n lin e a r mu lti va r ia b le o p ti miz a ti o n is e s t a b lis h e d a n d s o lv e d b y the M ATLAB o p fi miz a tio n t o o lb o x By s e t t in g d i f f e r e n t the f e e d r a t e of the s li d e r t h e s imul a tio n o f the d e fl e ctio n s l id e r cr a n k me chan is m with d o u b l e cle aran ce s is d o n e b y ADAM S Th e r e s u lt s s h o w t h a t cle ar an ce s h a v e li t t le e f f e ct o n the an g l e a n d a n g u lar v e l o ci t y o f me ch a n is m b u t h a v e g r e a t e r impa ct o n a n g u lar a cce l e r a ti o n Th e s p e e d is f a s t e r an d the imp a ct is g r e a t e r I t C an p r o v i d e t h e f o u n d a t io n f o r ch o o s in g the s u i t a b le f e e d r a t e o fthe s l id e r an d the d y n a mic an a ly s is Ke y wo r d s d iam o n d f a ce t i n g ma ch i n e d e fl e ctio n s li d e r cr a nk me ch a n is m o p timiz e d d e s ig n d o u b le C le a r a n ce s O 引言 车花工艺是利用高速旋转的刀具在珠宝首饰表 面刻画出明亮花纹的过程 是珠宝首饰最为基础的加 工工艺 目前 国内外依旧遵循传统的车花工艺路线 多为研究单刀车花机 文献 1 虽为双刀机型 但未能 在整个加工区域实现双刀具的同时加工 本文利用偏 置的曲柄滑块机构设计一种新型双刀车花机 可将加 工效率提高一倍 偏置曲柄滑块机构传动力矩较大 精度较高 被广 泛应用于机械设备中 传动角是衡量机构传力性能 的重要指标 目前 对于偏置曲柄滑块机构优化多是 在机构行程速 比系数 K及滑块工作行程 已知的情况 下 设计一维优化数学模型得到最优解 4 文献 5 收稿 日期 2 0 1 5 1 0 3 1 修 回日期 2 0 1 5一l1 2 4 基金项 目 深圳市技术开发基金项 目 cx z z 2 0 1 3 o 5 1 7 l0 4 3 2 9 6 7 1 作者简介 朱大壮 1 9 9 O 一 男 河南南阳人 华南理工大学硕士研究生 研究方向为基于计算机仿真 的机械结构创新设计 E m a i l z h u d z s cu t 1 6 3 co rn 4 8 组合机床与 自动化加工技术 第 4期 在机构的行程速比系数 滑块的行程及偏距均未严格 要求的情况下建立多维优化数学模型进行优化设计 得到较好的效果 偏置曲柄滑块机构中存在铰链间隙 是不可避免的 目前 对于含间隙的偏置曲柄滑块机 构的研究多以曲柄作为主动件 分析存在单 间隙对于 从动件滑块运动参数的影 响 文献 8 虽建立双 间隙曲柄滑块机构动力学模 型 但并未考虑铰链 间隙 中的摩擦力产生的影响 文献 9 建立多间隙的曲柄 滑块机构动力学模型 分析间隙位置及类型对机构动 态特性的影响 文献 1 0 建立双 间隙的连杆动力学 模型 重点研究了间隙大小及加载速度对机构动态响 应 的影 响 本文所设计的偏置曲柄滑块机构优化数学模型是 以滑块作为主动件 曲柄作为从动件 以机构工作行程 中 曲柄转角范围为 6 0 1 2 0 最小传动角最大化为 寻优 目标建立含有不等式约束的多变量非线性规划问 题 并利用 MA T L A B优化工具箱求解优化数学模型 得到传动性能最优的偏置 曲柄滑块机构 进而 利用 A D A MS多体动力学软件建立含有双间隙的动力学模 型仿真所优化得到的偏置曲柄滑块机构 分析研究不 同滑块的进给速度对于含间隙机构的从动件曲柄运动 参数的影响 为车花机确定合适的滑块进给速度及后 续动力学分析奠定基础 1 新型双刀车花机的结构设计 1 1 创新的车花工艺路线 由于车花工艺的特殊性要求 进刀方 向需沿加工 点的法线进给 以椭球形珠宝首饰为例说 明 目前 国内外研发的单刀立式车花机的工艺路线如图 1 任 取 A点为加工点 刀具与工件起始位置如图 1黑色实 线部分 第二 工件加工点 A的法线与工件轴线的交 点 日移动至原点 0位置 记为 B 此时工件与刀具 的 相对位置如图 1双点划线部分 第三 工件绕原点 0 旋转 使其加工点法线与进刀方向重合 刀具与工件相 对位置如图 1 单点画线部分 第四 刀具进给完成该 点加工 图1 传统的车花工艺路线 本文打破传统的车花工艺路线 充分利用珠宝首 饰上每一环花纹具备对称性这一工艺特征 设计卧式 双刀车花机 其工艺路线如图 2所示 任取同一花纹 环上关于工件轴线对称的 两点作为加工点 其 法线与工件轴线相交于 E点 刀具与工件的初始相对 位置如图 2黑色实线部分 第二步 工件加工点的法 线与工件轴线的交点 E移动至原点 0位置记为 E 此 时刀具与工件相对位置如图 2单点划线部分 第三 两刀具 同步绕原点 D旋转 使其进刀方 向与对应加工 点的法线重合 刀具与工件相对位置如图 2灰色实线 部分 第四 双刀具同时进给完成两点加工 加工效率 提高一倍 口尸 一 f L 图 2创 新 的 工 艺路 线 1 2 偏置 曲柄滑块机构的优化设计 所设计的车花机主要 由进刀模块及夹具模块构 成 车花机的总体结构设计如图 3 其 中 进刀模块 对称设计 以滑块作为主动件 曲柄作为从动件 的偏 置曲柄滑块机构实现双刀具 的同步旋转动作 完成创 新的车花工艺路线 图 3车 花机 结 构 总 图 车花机对于偏置 曲柄滑块机构 的行程速 比系数 滑块的行程及偏距均未有严格要求 因此 本文以偏 置曲柄滑块机构工作行程中最小传动角最大化作为寻 优 目标 曲柄长度 a 连杆长度 b 偏距 e 作为设计变 量 建立多维优化数学模型进行优化设计 优化目标函数 进刀模块任一刀具侧的偏置曲柄滑块机构简化后 如图4所示 其中 曲柄长度为 a 连杆长度为 b 偏 距为 e 则 s in t a e 卢 ar c c o s 二 三 18 0 9 一 1 2 0 1 6年4月 朱大壮 等 基于双刀车花机的偏置曲柄滑块机构优化及仿真 4 9 f 图 4 偏置 曲柄滑块机构起始位置 1 当 6 0 对应 9 0 时 从 6 0 变化到 1 2 0 工作过程中 机构传动角 为 s in a a e ar c c o s 卢 9 0 时 y 9 0 一 L 1 8 0 2 s in a a e ar c c os 一 卢 9 0 时 卢 1 8 0 9 0一 3 可知 从 6 0 变化到 1 2 0 工作过程中 传动角 的变化趋势如图 5细线部分 工作过程中最小传动角 出现在工作行程两端处 即 m in 印 y 1 2 0 4 其中 n e 1 8 0一p 5 0一 ar c c os 一 l8 0 一 矗 芎 ar c co s 二 二 二 1 8 0 3 0 1 2 0 卢 一 故 y 1 2 0 5 2 当 6 0 对应口 9 0 时 从 6 O 变化到 1 2 0 工作过程中 机构传动角 为 s in a a e y 卢 ar c c o s 1 8 9 一 6 可知 从 6 O 变化到 1 2 0 工作过程中 传动角 的变化趋势如图 5粗实线部分 因此 最小传动角位于 1 2 0 处 即 一 2 一 cc 厂一 m in 2 0 l8 0 3 0 综上所述 无论哪种情况 最小传动角均位于 1 2 0 处 因此 目标 函数为 7 7 卜 稃 啦 霎 罨 图 5 机构传动角的变化趋势 约束条件 为了避免出现车花机整体结构过大及干涉情况 曲柄长度 a 偏距 e及工作 行程 中滑块 的极 限位置 c c 需满足一定的条件 1 如图4实线部分 滑块位于 C 极限位置时 曲 柄转角 6 0 C 距曲柄中心 0点的水平距离 需 满足一定条件 即 厂 i 一 b 一 0 一 e 1 0 4 1 0 8 V 2 如图4虚线部分 滑块位于 c 极限位置时 曲 柄转角 1 2 0 则 c 距曲柄 中心 O点的水平距离 同样需满足一定条件 即 厂 一 6 一 孚 一 e 一 下 1 口 3 1 0 9 V 3 9 0 a 3 0 0 1 0 e 7 0 4 曲柄长度为 a 偏距为 e 连杆长度 b需满足 曲柄滑块机构成立的杆长条件 2 即 a e b 1 0 数学模型求解 利用 M A T L A B优化工具箱 设定 a b e 合适的 初值 编程得到如下优化设计结果 a 9 0 b 3 6 5 0 8 6 4 g 7 0 1 2 0 5 8 7 5 3 5 2 含双间隙的偏置曲柄滑块机构仿真 2 1 AD A MS对接触力的处理 多体动力学软件 A D A MS不能直接建立含有间隙 的偏置曲柄滑块机构的动力学模型 仿真时 并未直 接在铰接处添加理想运动副 而是通过设定接触力 将 其归类为碰撞问题处理 对于含间隙机构动力学的研究 多采用 L a n k a r a n i N ik r a v e s h非线性弹簧阻尼模型 该模型的法 向接触 力公式为 F n n K 3 1 1 4 一 其中 K为等效接触刚度系数 6为接触碰撞深度 8 为法 向碰撞相对速度 e 为恢复系数 6 为碰撞前相对速度 e 一 一 一 一 一 0 一 一 一 一 车 5 O 组合机床与 自动化加工技术 第 4期 A D A MS 采用 I m p a ct 的函数计算接触力 公式为 K 8 s t e P 8 0 0 d c 6 1 2 F 1 3 其 中 d 为法向碰撞最大深度 c 为最大阻尼系数 F 为碰撞切向力 为摩擦系数的函数 为接触 点切向相对速度 为法向碰撞相对速度 r s i g n v p d i td I I 一 S T E P J J d 批 s n J J S T E P v 一 一 一 J I 本文所设计的偏置曲柄滑块机构 其 中曲柄一端 通过精密轴承与车花机转轴连接 故只考虑曲柄与连 杆 连杆与滑块两铰接处间隙对于机构运动参数的影 响 依据实 际的加 工精度 两铰接 处 的间隙均定为 0 0 2 mm 根据车花机实际情况设置机构各杆件材料 刚度 各铰接处的摩擦系数 阻尼系数等参数定义接触 建立仿真模型 2 2 A DA MS仿真及分析 分别设定滑块进 给速度 为 1 0 0 0 m m s 2 0 0 0 mm s 通过 A D A MS 对含有双间隙及无间隙的偏置曲柄滑块 机构进行仿真 得到曲柄转角 曲柄角速度 曲柄角加 速度对比关系曲线如图 6 图 1 1 1 8 1 辞 蛊 坚 魍 图 6 曲柄转角与滑块位移的关系 1 0 0 0 mm s O 言一 2 0 0 已 4 0 o 一 6 0 0 星一 8 0 0 召 一 lO 0 0 滑块与原点O 的距离 m m 图 7 曲柄角速度与滑块位移的关 系 1 0 0 0 mm s 含有双间隙偏置 曲柄滑块机构 一无间隙偏置曲柄滑块机构 t r 一 l I 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 滑块与原点O的距离 m m 图 8 曲柄角加速度与滑块位移的关系 1 0 0 0 mm s 名 窖 耀 鲁 lo 0 8 0 6 0 滑块与原点O的距离 ra m1 图 9 曲柄转角与滑块位移的关 系 2 0 0 0 mm s 滑块与原点D 的距离 ram 1 图 1 0 曲柄角速度与滑块位移的关 系 2 0 0 0 mm s J 名 是 窖 坚 魍 滑块与原点O 的距离 mm 图 1 1 曲柄角加速度与滑块位移的关 系 2 0 0 0 ram s 由图6与图 9及图7与图 1 0对比可知 铰接处的 间隙对于曲柄的转角及角速度影响较小 从图 8与图 1 1 对比可知 由于存在间隙导致运动过程中铰接处销 轴与轴套不断碰撞对曲柄角加速度影响较大 通过图8与图 1 1 对 比可得到 滑块 的速度越大 含间隙仿真曲线与理想情况相比 出现的毛刺越密集 且偏差越大 即间隙对 曲柄角加速度的影响越大 这 是由于滑块速度增加 各铰接处发生碰撞的周期减小 碰撞次数增多 且碰撞时相对速度增加 因此 可通过设定合适的滑块速度对含间隙的偏 置曲柄滑块机构的运动参数进行优化 为确定车花机 合适的滑块进给速度及后续的动力学分析奠定基础 3结论 通过对车花工艺的研究 提 出一种新的车花工艺 路线并结合曲柄滑块机构设计出双刀车花机 建立优 化数学模型及含有双间隙的动力学模型对偏置的曲柄 滑块机构进行优化 仿真 得到如下结论 1 通过偏置曲柄滑块机构设计一种卧式双刀车 花机实现新的车花工艺方法 能够大 下转第 5 5页 2 0 1 6 年4月 吴玉厚 等 全陶瓷轴承动力学特性分析与应用研究 5 5 超出传统电主轴控制水平 这与全陶瓷轴承的材料性能 和球轴承形状误差和全陶瓷轴承滚道的表面粗糙度有关 系 降低陶瓷电主轴的噪声的方法还需要进一步研究 一 口 一 粗 幂 卅 转速 r m i n 图 1 4 陶瓷主轴 轴承噪声 曲线 4 总结 考虑轴承的结构弹性变形和滚动轴承动态接触的 关系 运用 A N S Y S 建立了轴承弹性接触动力学有限元 仿真模型 计算了球轴承的动态特性 可得如下结论 1 轴承 内部最大位移 最大应力 出现在滚动体 与内外圈接触区域 位移最大值和应力最大值出现在 接触表面以下一定深度区域 并逐渐向外衰减 2 滚动体与轴承内外圈沿某一方向的位移以及 应力变化呈周期性变化 且每个周期内滚动体上的固 定点与内 外圈的接触位置都在发生变化 3 在轴承内圈施加等效载荷来模拟轴承的轴承 的受载情况是有效可行的 4 A N S Y S 分析结果与实际情况吻合 良好 为研 究轴承的动力学特性和提高全陶瓷轴承可靠性提供了 更可靠的依据 参考文献 1 F r a n z J o s e f E A n o v e r v ie w o f p e r f o r m a n ce ch a r a ct e ris t ics e x p e r ie n ce s a n d t r e n d s o f a e r o s p a ce e n g in e b e a ti n g s t e ch n o lo e s J C n e s e J o u r n a l o f A e r o n a u t i cs 2 0 O 7 2 0 4 3 7 8 3 8 4 2 T h e B a r d e n C o r p o a t i o n B a r d e n F A G cron i d u r 3 0 h y b rid s p i n d l e b e a r in g s J A B a r d e n P r e ci s i o n B u ll e t i n 2 0 0 0 1 8 2 2 4 0 3 伍生 曹保名 杨默然 等 滚动轴承接触问题的有限元分 析 J 机械工程师 2 0 0 7 6 7 0 7 2 4 M A S h i y a o Z HA N G J in g u o C o n t a ct a n a ly s i s o n r o l li n g b e a tin g b y fin i t e e le m e n t m e t h o d J Ma ch i n e r y D e s i g n Ma n u f a ct u r e 2 0 1 0 9 8 1 0 5 L i u X H D e n g S E T e n g H F D y n a mi c S t a b i li t y A n aly s i s o f C a g e s in Hig h S p e e d Oil L u b ri ca t e d An g u l C o n t a ct Ba ll B e a tin g s J T r a n s a ct i o n s o f T i a n j i n U n i v e r s i t y 2 0 1 1 1 7 1 2 0 2 7 6 H o u p e r t L C A G E D Y N A C o n t rib u t io n t o R o l le r B e a r i n g D y n a mi cs C a lcu l a ti o n s P a r t I I De s cri p t i o n o f t h e N u me ri cal T o o l a n d I t s O u t p u t J T r i b o lo g y T r a n s a ct io n 2 0 1 0 5 3 1 1 0 2 1 7 C a k ma k O S a n l it u r k K Y A D y n a m ic Mo d e l o f an O v e r h u n g R o t o r w it h B a l l B e a r in g s J P r o ce e d i n g s o f t h e I n s t it u t i o n o f Me c h a n ical E n g i n e e rs P a r t K J o u r n al o f Mu l t i B o d y D y n a m i c 2 0 1 1 2 2 5 4 3 1 0 3 2 1 8 P a t e l V N T a n d o n N P and e y R K A D y n a mi c Mo d e l f o r Vib r a t io n S t u d ie s o f De e p G r o o v e B al l Be a r in g s Co n s id e ri n g S in g l e a n d Mu lt ip le D e f e ct s i n R a ce s J J o u rna l o f T r ib o l o g y 2 0 1 0 1 3 2 4 1 1 0 9 邓四二 贾群义 滚动轴承设计原理 M 北京 中国标 准出版社 2 0 0 8 1 0 候运丰 魏鹏 郭俊锋 等 基于 A N S Y S L S D Y N A的高 速电主轴轴承动力学分析与仿真 J 机械制造 2 0 1 2 5 0 8 1 7 2 0 1 1 吴玉厚 李颂华 数控机床高速主轴系统 M 北京 科 学技术出版社 2 0 1 2 1 2 s H Wu Y H Z h ang L X D e v e l o p m e n t and e x p e r i me n t al in v e s t ig a t io n o f a h Ji g h s p e e d g r in d in g s p in d le e q u ip p e d wi t h f u l ly ce r a m ic b e a r in g s and ce r a m i c s h a f t J A d v a n ce d Ma t e ri al