图纸共14张，如下所示
A0-主轴箱装配图.dwg
A0-机床尺寸联系图.dwg
A1-主轴.dwg
A1-主轴箱坐标检查图.dwg
A1-箱体补充加工图.dwg
A2-加工工序图.dwg
A2-加工示意图.dwg
A3-圆柱齿轮.dwg
A4-套.dwg
A4-导套.dwg
A4-生产率计算卡.dwg
A4-轴套.dwg
A4-防油套.dwg
A4-防油罩 .dwg

目录
1 前言 1
1.1 课题拟解决的问题 1
1.2解决方案 1
1.3 国内外现状 1
2 组合机床总体设计 2
2.1 零件加工工序图 2
2.1.1 被加工工序的作用和要求 2
2.1.2工艺方案的拟定 2
2.2 加工示意图 3
2.2.1 加工示意图的作用和要求 3
2.2.2 绘制加工示意图的注意事项 3
2.2.3 选择刀具、导向及有关计算 4
2.2.4 动力部件的选择 5
2.3 机床尺寸联系图 6
2.3.1 机床装料高度的确定 6
2.3.2 夹具轮廓尺寸的确定 6
2.3.3 中间底座尺寸的确定 6
2.3.4 主轴箱各尺寸的确定 6
2.3.5 滑台的选择 6
2.3.6 动力箱的选择 6
2.3.7 其它配套部件的选择 7
2.4 生产率计算卡 7
3 专机主轴箱的设计 9
3.1 主轴箱设计的原始依据图 9
3.2 主轴结构型式的选择及加工计算 9
3.2.1主轴结构型式的选择 9
3.2.2 主轴直径和齿轮模数的初步确定 9
3.2.3 主轴箱动力计算 10
3.3 传动系统的设计和计算 10
3.3.1 传动系统设计的一般要求 10
3.3.2 设计原则及传动比的分配 10
3.3.3 主轴箱的润滑和手柄轴的设置 12
3.3.4 传动轴、叶片泵等轴直径的确定 12
3.4 主轴箱坐标计算 12
3.4.1坐标计算的顺序和方法 12
3.4.2 绘制坐标演算表 13
3.4.3 绘制坐标检查图 14
3.5 主轴箱中轴的校核计算 14
3.6 齿轮强度校核计算 17
3.7 轴承的校核计算 18
3.8 其它 20
3.8.1轴承类型的选择 20
3.8.2 轴上零件的固定与防松 20
3.8.3 主轴箱体及其附件的选择设计 20
3.8.4 润滑油与密封件的选择 21
3.8.5 主轴箱的安装、定位 21
4 本机床的精度标准及检验项目 22
4.1 主轴箱精度标准及检验项目 22
4.2 组合机床几何精度标准和检验项目 22
4.3 刚性主轴组合机床精度标准和检验项目 22
5 结论 ..23
参考文献 24
致谢 25
附录 26

连杆螺栓孔铰削专机总体及主轴箱设计
摘要: 本课题来自恒力集团，柴油机连杆是需要大量生产的零件。为了高速、高效的完成连杆螺栓孔铰削加工及保证相应的加工尺寸精度，本课题设计了一种专用于连杆螺栓孔铰削加工的组合机床。
该机床设计的重点分总体设计和零部件设计两部分。总体设计包括对连杆进行工艺分析、确定专机的配置型式和工件定位、夹紧方案；对各种切削参数进行计算，从而确定动力箱电机功率以及完成“三图一卡”的设计。根据总体设计要求对主轴箱进行设计，主要包括绘制原始依据图、确定主轴和齿轮、完成动力计算、设计传动系统、绘制主轴箱装配图和零件补充加工图。该机床采用液压滑台实现刀具进给，采用机械动力箱驱动各个主轴的旋转运动保证各个主轴的转向、转速等，借助导套引导刀具实现精度要求和稳定的铰削加工。
本组合机床能满足加工要求，保证加工精度，机床运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整。操作的简便，减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。
关键词：组合机床；总体设计；铰孔；主轴箱设计

Design of General and Headstock of Modular Machine Tool for Finished Reaming Bolt Holes of The Connecting Rod
Abstract: The topic comes from Hengli Group, diesel engine connecting rod is a product which needs mass production. In order to finish reaming the bolt holes of the connecting rod high-speedly and efficiently and to ensure the accuracy of the corresponding size of the processing, The topic design a modular machine tool for reaming bolt holes of connecting rods.
The focus of this design includes general design and headstock design. The general design includes the process analysis of connecting rod, the determination of the configuration of modular machine tool , the location of workpiece and clamping programs; calculation of various cutting parameters to determine the electrical power and to complete the "three-drawings one chart" design. According to the general design requirements ,the design of the headstock includes the design of the original drawing, the determination of the spindles and gears, the calculation of the dynamic, the design of transmission system, completion of headstock assembly drawings and some additional processing detail drawings. It uses the hydraulic slide to achieve tools feeding, the tool is guided by the bushings to achieve machine accuracy and stable reaming.
This modular machine tool is able to meet the processing requirements, to ensure processing accuracy , with reliable operation and simple structure, the machine runs smoothly, maintains and adjusts easily, the labor intensity can be reduced and the labor productivity can be increased because of the simple operation.
Key words: Modular machine tool; General design; Reaming hole; Headstock design

一、设计内容
设计一台加工柴油机连杆螺栓孔的铰削专机，具体进行总体设计和主轴箱设计。
主要内容有：
1．总体设计
1）制定工艺方案，确定机床配置型式及结构方案。
2）三图一卡设计，包括：
(a) 被加工零件工序图， (b) 加工示意图，(c) 机床联系尺寸总图，
(d) 生产率计算卡， (e) 有关设计计算、校核。
2．主轴箱设计
(a) 主轴箱装配图，(b) 箱体补充加工图，(c)零件图，(d) 有关计
算、校核等。

二、设计依据
1．课题来源：江苏恒力集团
2．产品名称：柴油机
3．被加工零件：连杆（附零件图）；
4．工件材料：45钢；
5．加工内容：铰连杆螺栓孔2×Φ13.20+0.018，保证孔深 ,表面粗糙度均为Ra1.6。

6. 生产纲领：年产量8万件，单班制；
7. 批量：本机床设计、制造一台；
8. 连杆螺栓孔已钻削加工，达到工序精度要求。；

三、设计要求
1．机床应能满足加工要求，保证加工精度；
2．机床应运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整；
3．机床尽量选用通用件，以便降低制造成本；
4．主轴箱能满足机床总体方案的要求（转速，转向，功率，坐标要求）；
5．设计图样总量：折合成A0幅面在3张以上；工具要求：应用计算机软件绘图；过
程要求：装配图需提供手工草图；
6．毕业设计说明书按照学校规定的格式规范统一编排、打印，字数不少于1万字；
7．查阅文献资料10篇以上，并有不少于3000汉字的外文资料翻译；
8．到相关单位进行毕业实习，撰写不少于3000字实习报告；
9．撰写开题报告。

连杆螺栓孔铰削专机总体及主轴箱设计

内容简介：: - 1 - *OUFHSBUFBOE$POUSPM%FTJHOGPS$POGJHVSBCMF.BDIJOF5PPMTD. M. . 8109CTUSBDU In we a is a of be on a or a of to of an is a of An of of in ,FZXPSE .BDIJOF%FTJHO.PEVMFTFMFDUJPO$POUSPM%FTJHO *OUSPEVDUJPO In s to in a in On or a of An at to 3, 4. of a a is an be to 2 - In we an in be In to to a of a of a of to be be by in a As be be to be I is a of in a II is a of a of V. *.BDIJOF%FTJHO On on at of a or to s) 6. to of of be on a is to a of 6 8 . to is by a MT of 11. a be in 3FMBUFESFTFBSDIis a in is if on of on of 3 - on do to of 14, 15, 16, 17 a of 18, 1 to et 9 tos a 12 is to a 2 of an on a to On 13 of et 10 a n of to be 7. he of MT to of to - 4 - in of a is by be by a 8; of be in . to a of be 1 of 1 be - 5 - to of a is as a in to By in we of as ; Y , as . of in is to an of as to in be In is of of - 6 - .PEVMFTFMFDUJPOof as as to in in or by of a as in is to of to of be to T = .be of a be to A AD is . 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M. 提博瑞和 S. 库塔臧倩译摘要 : 在本文中，我们讲述了组合机床的设计程序系统和相关的控制系统。该设计的出发点是实现部分操作的自动化。这些操作可分解为一系列的机器必须执行的功能，这些功能再映射到每个有相关的机械控制模块的模板上。机床一旦被组装好，它的控制模块就被连接在一起了，操作顺序控制模块，用户界面控制模块，以及模式转换逻辑控制设计模块。一体化的机械和控制设计以及重组机床将在本文中详细说明。关键词 : 组合机床、机械设计、模块选择、控制设计。一引言在当今竞争激烈的市场，制造系统必须迅速响应不断变化的客户需求，减少产品的生命周期。传统的传输线是专为大批量的生产，固定的自动化模式设计的，因此，不能轻易适应变化的产品设计。另一方面，传统的数控系统为基于“弹性”的广义制造系统可提供的灵活性，但通常是缓慢和昂贵的，因为他们没有任何特别的优化产品或产品系列。美国密歇根大学正努力发展加工系统 3 4 的理论和技术，以取代以往每次生成新产品时都要从头建立新系统的做法，使现有的系统可以重组产生新的部分。在本文中，我们描述了如何综合机械和控制设计的战略在机床上的应用，操作快速，轻松。组合机床是为了满足新产品系列的需要而准确提供相关功能而设计的，鉴于一系列操作的执行，它还可以配置适当的组装机模块，其中的每个作用模块在程序上配有一个与它相关的控制模块，当这些机械模块组装好以后，控制模块便连接在一起了，机器就可以开始工作，因此，大规模的操作缓慢的专一控制系统的设计将不再需要。第二部分介绍了如何设计机器的一套基本模块以及模块间的准确连接，第三部分介绍了如何控制程序库中的相似组装模块。文章最后提出了今后的工作情况说明。二机械设计密歇根大学正在进行制造系统配置方面的演讲，主要问题是关于系列产品的描述和生产中提取时所需的加工工序部分的讲解 6 。这些操作根据工件的配合公差，执行顺序和期望的系统周期被分组，其目的就是实现每个操作“组”在一台单独机器上的生产工作。该操作组在这里能够钻出一系列与 8气缸盖上的凸轮塔配合的孔，如图 1所示。组合机床输入的设计程序是操作组的加工工序，刀位生产过程能够产生相关数据。组合机床设计过程包括三个主要阶段：明确任务，模块的选择和评价 11 。经过简短的文献回顾，这三个阶段将在本节中概述。由于重构在加工系统中是一个比较新的概念，即使有的话，已经出版的有关组合机床设计的文学作品也是很少的。但是，组合机床已在市场上好几年了，一些以往发表的有关组合机器人，组合机床和装配的文章的确与重组机床有一定关系。例如， 14 ， 15 ， 16 ， 17 提出过一种机床结构配置的方法，他们把机床结构分解成简单的几何形式，例如：箱，缸等。 18, 1把这种方法扩展到了加工中心的结构设计中。人 9 把这种方法应用到了组合机床系统中，形成了一种机床模块的列举法。 12明确了最适合执行的模块化装配配置的特定任务。 2找到了一个最佳的配置结构用于处理问题的特定任务，他的步骤是根据组装的关联矩阵，并采用传统算法来解决优化问题。在系统方面， 13论述了重组制造系统的意义， 10 开发了一种用于教育的模块化重组制造系统综合计划。在我们的运作中，运动图和布局结构（即螺旋理论，图论等）是用来捕获组合机床特点的传统方法。这些数学方案常用于综合布局，功能分解，和绘图程序；具体细节可以在 7 找到。 (a) 缸盖 (b) 缸盖图 1 2 明确一台组合机床设计的任务，需要分析刀具位置数据，以确定完成所期望的运动所必需的一系列功能。分为三个步骤：首先，用产生的曲线图来抽象的表示运动，然后，把这些图表分解成功能，最后，这些功能再映射到程序库中的机器模块上。图 2 机床的基本功能是通过工具和工件间的物理运动来描述的。这些运动功能可由类似变化的模块 8 来表示，我们期望的机床功能将被编码到模块 T 上，然后根据操作顺序进行必要的加工运动来完成加工任务。例如，第一运动可被分解为：于定位，而以得出，任何两个相邻的位置的运动转换可以可以被分解为：其他的运动描述可以类似表示。对于各种类型的加工操作，模板常被作为一个起点，用来确定进行加工任务所需要的不同运动功能。例如，模板铣削和钻井作业表明运动功能所必需的主轴旋转，工具进给和工具定位。通过使用此模板，我们可以把精确的进给和定位信息提供给加工过程，便可以得出确切的必要的运动参数，如工具旋转， Y，及具定位运动如图 4所示。在运动分解阶段每一个被确定的运动函数都会被映射在如上所示的曲线图上，不同位置的特定函数可以生成多种解决方案。由于理论上的直线运动是交替出现的，所以他们在图形中的顺序也是交替变化的。在函数的绘制中，螺旋运动（包括纯转动运动）和机床结构的布局是最重要的信息。图 3 图 4 3 我们可以根据任务明确阶段绘制到图表中的运行情况在模块库中选择商品模块，模块库中的存储数据包含代表其运动或结构功能的同质变换矩阵，各种运动信息的变化矢量，代表模块刚度的规则矩阵，模块连接的信息，和电源要求（如轴和滑块等活动模块）。图 5. 如图 4 所示结构可以被认为是不同模块的选择 . 图 6 配有表格 ( a ) （ b）块选择的第一步是比较模块间的相似变换矩阵，进行适当的选择以满足任务的要求，该产品的所有模块矩阵应等于预期的任务矩阵： T= 次，对于某一特定模块的结构配置我们会有许多可能的选择。图 5显示了不同的滑块，轴和一些结构要素，可以根据图 3进行组装。一个配有所示。它能够在一个方向上做直线运动，通过变量 1表明次运动在其变换矩阵内。它的数据库记录如表 1所示，不仅存储着其变换矩阵，而且还有制造商 ,模块名称，初始位置，功率大小和运动范围等。一些变量参数可根据模块的最小限量，初始値，最大位移等信息而被扩大。图三 . 控制设计由于机器是根据模块组成原理配置的，因此我们可以控制它的运作。在这项工作中，我们把重点放在逻辑控制的顺序安排和机器模块的协调性上；有些机床具有独立的系统形式 5 ，它可以控制着每一个运动构件，这就是我们提及到的机械控制模块。在机械设计方面，我们常把从动件与主动件连接在一起。而在控制设计方面，还必须用“胶水”模块把机器控制模块连接起来。组合机床的总体控制系统结构如图 8 所示：与图 7的两个机器结构类似，但它没有图所示，机器控制模块处于最低层，直接作用于机械系统。用户界面控制模块是在最高层，与用户按钮和显示屏相连接。控制模块的操作联接可以被界定为某部分加工的高水平的操作联接，如图 2所示。四 . 结论和未来的工作从历史上看，机床设计已具有一定的经验基础。在这项研究中，我们介绍了一种基于数学基础上的综合机械和组合机床的相关性能评价以及其相关的控制设计。这项研究工作已被应用到新一代机床配置和模块化设计中去，该系统的设计工序是以加工要求为出发点的。方法指出，合成机床可以配有机器模块的程序库以便于数据的收集与存储，自动控制，并准备把它用于任何机械设计。该方法还能够确保将所有的可行运动和一些差异明显的构造进行系统的列举，以减少错失一个良好设计的机会。我们已经开发了一个基于械设计加工的自动化程序，目前，我们正准备把控制设计程序并入到现有的框架内。我们也扩大了现有的设备和控制模块库，连续变量控制的独立区域也正在逐渐正规化。第期总第期年月车用发动机设计计算柴油机连杆的改进设计屠丹红 , 姜树李 , 鱼春燕江苏大学汽车学院 , 江苏镇江摘要对柴油机的连杆机构进行三维非线性有限元分析计算 , 找出其薄弱部位并对其进行改进设计 , 通过改进前后模型的计算结果比较 , 发现改进后模型既增强了薄弱部位的强度和刚度 , 又保证了往复质量增加不大。在模型分析中涉及到接触和疲劳问题。关键词有限元分析连杆疲劳强度应力分析中图分类号文献标识码文章编号一一一连杆是发动机的重要零部件之一 , 其工作的好坏直接影响到发动机的可靠性。本文针对增压柴油机连杆 , 通过有限元分析进行改进设计 , 提高了原连杆几处最薄弱截面处的安全系数。原机连杆模型原机连杆模型是用于非增压机型的 , 增压中冷以后 , 最高燃烧压力提高了 , 原连杆已不能正常工作 , 在连杆大头与杆身连接部位发生断裂。为了全面了解连杆断裂的原因 , 对原连杆进行有限元分析。为了提高计算模型的精度 , 对连杆体和连杆盖未做任何简化。计算模型包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓、螺母、小头衬套、大头轴瓦、活塞销和曲柄销见图。因为连杆组件为对称结构 , 所以只取一半进行分析。该模型采用高阶面体单元节点 , , 为提高网格质量 , 用软件对模型进行网格划分用面一面接触单元。和模拟连杆与连杆盖、轴瓦与曲柄销、衬套与活塞销之间的接触用单元模拟连杆螺栓的预紧力。为加速非线性计算的收敛速度 , 模型中轴瓦和小头衬套与连杆大小头孔之间的关系采用节点祸合的方式来模拟 ,并采用温差来模拟过盈量。整个模型单元数约为, 节点数左右。力的边界条件取标定工况 , 某缸爆发时连杆承受最大压缩力 , 吸气行程开始时承受最大拉应力。其中包括惯性力、螺栓预紧力、轴瓦、衬套过盈力。图原连杆有限元模型位移边界条件在模型的对称剖分面上施加对称约束 , 为防止模型的刚性位移 , 在曲柄销中心节点上加全约束。用等效应力评估疲劳强度 ,一岩丫一 , 一一 ,式中应力为有效应力 , 。 , 。 , 。为主应力 , 平均有效和有效应力幅氏。为一岩一一岩一 ,式中 , 伪 , 山 , 氏分别为主应力的平均应力氏。 ,内。 , 。为主应力的应力幅。再用修正关收稿日期一一修回日期一一作者简介屠丹红一 , 女 , 浙江省玉环县人 , 硕士研究生 , 研究方向为内燃机连杆的有限元分析年月屠丹红 , 等柴油机连杆的改进设计系计算安全系数。经过软件后处理 , 得到连杆小头、连杆大头与连杆盖的安全系数云图见图和图。由图可见 , 连杆小头下部最小安全系数较小 , 最小只有在平面连杆小头与连杆杆身的圆弧连接处安全系数也很低小于 ,因为从连杆小头到杆身的过渡圆弧半径较小 , 使小头固定角较大 , 为 , 因此此处的强度和刚度均很低 , 造成应力突变 , 容易引起疲劳破坏另外在小头油孔处也有应力集中现象。由图可见 , 连杆螺母支承平台和连杆螺栓头部支承平台处安全系数偏小 , 此处是连杆和连杆盖的最薄弱环节 , 应力集中严重 , 其安全系数分别为和。在工作时 , 连杆螺母支承平台根部易出现疲劳裂纹而导致连杆大头断裂。改进的连杆模型可以看出 , 原连杆的刚度和强度明显不足但若增加连杆的质量 , 则往复惯性力增大 , 对整机的振动很不利。因此采用小弯矩连杆机构 , 并对连杆小头、活塞销和活塞销座的结构进行优化处理。优化结果是 , 当削头角度为 , 活塞销内径为 , 销座外径为时 , 小头油孔处最低安全系数为, 往复质量达最小。由于原连杆小头油孔的不对称分布造成连杆小头应力和安全系数的不对称分布 , 严重时会使连杆杆身发生弯曲变形 , 这对曲柄连杆机构的高速旋转极其不利 , 从结构的等强度设计来讲也不合理。所以在连杆小头开两个对称油孔 ,每个油孔截面积为原来单侧油孔的 , 也能起到预期的冷却小头的作用。两种油孔的网格分布图如图所示。图网种佃寸网裕分布为了提高连杆小头与杆身过渡区的强度 , 改变圆弧的连接形式 , 将小头固定角减小到 “ , 加强了车用发动机年第期连杆小头与杆身的过渡区。连杆小头孔是一薄壁套桶结构 , 两端面的最小壁厚只有 , 在增压工况下连杆小头孔下端刚度明显不足 , 产生较大的变形 , 形成局部高应力区另外连杆小头孔下端刚度不足会造成活塞销的挠度增加 , 这对活塞销座极其不利因为活塞材料为, 其强度远低于材料为的活塞销 , 所以有必要加强连杆小头孔下端的刚度。为了不过多增大连杆小头的质量 , 在小头孔下端加一个半圆凸台 ,以提高下端刚度。由台架试验和计算分析可知 , 连杆大头与杆身的圆弧连接处容易发生疲劳断裂 , 所以在连杆大头和连杆盖螺栓、螺母支撑面处加四个半圆搭子 , 增大危险截面处的局部刚度。连杆杆身也是薄弱区域 , 杆身的失稳变形使活塞连杆机构不能正常工作但在结构上杆身不宜增大 , 否则会与气缸套发生干涉。所以在此次改进设计中杆身截面不变 , 在杆身下部加一根水平加强筋 ,提高杆身的结构刚度。改进前后的连杆模型如图所示。其他零件活塞、活塞销、小头衬套不做任何改变。改进后的模型与原连杆相比 , 往复质量增加了。 , 增量约为原来往复质量的连杆组件的总质量为 , 增加了写。模型的处理、计算单元的性质、网格的划分、工况计算、力的边界条件都与前面的计算相同。为加决计算速度 , 仍取模型 , 在对称面上加对称约束 , 在曲轴销加全约束。计算结果比较改进前 , 整个连杆的最小安全系数出现在小头孔底部 , 约为。见图。在改进后模型中 , 最小安全系数也出现在该部位 , 约为见图 , 比原模型提高了。图改进后模型的安全系数单侧油孔优化模型中的最低安全系数为, 而改为对称油孔后 , 油孔的最小安全系数为见图 , 安全系数提高了。从图可以看出 , 原连杆小头与杆身的圆弧连接处安全系数偏低约为改进后小头孔下方增加了一个刚性凸台 , 该处的刚度大大增加了 , 安全系数也大幅度提高了 , 约为。杆身中间部位的安全系数仍较小 , 约为 , 与原模型差不多 , 这是由于杆身截面没有进行任何改动。大头与杆身的圆弧连接处的最小安全系数为接近对称面年月屠丹红 , 等柴油机连杆的改进设计处 , 其余都大于 , 可看出在杆身加水平加强筋可以增加连杆大头与杆身连接部位的安全系数 , 解决了连杆大头的疲劳断裂的问题。从图和图可以看出改进前后模型的平均有效应力的变化。原模型中最大平均有效应力为, 而改进后的最大平均有效应力下降到改进后整个连杆小头的平均有效应力呈对称分布 , 更接近连杆的等强度设计油孔处的平均有效应力从原来的下降到大头部分的平均有效应力很小 , 无明显的应力集中现象。图改进后模型的平均有效应力云结论改进后连杆的往复质量增加了 , 整个连杆组件质量由增加到 , 约增加油孔处的安全系数提高了最小安全系数提高了在增压机型中 , 小头应采用刚性设计 , 增加小头孔下方的凸台以提高小头刚度是可行的在杆身下部加了水平加强筋后 , 连杆大头与杆身连接处的最小安全系数明显提高 , 为 , 而其他部位都大于 , 改善了此处的受力情况 , 可以解决连杆大头的疲劳断裂的问题连杆小头的支撑刚度提高后 , 连杆小头和活塞销在最高燃烧压力作用下的弯曲变形量减小 , 可以改善活塞销座圆角处的应力集中现象 , 提高活塞销座的可靠性在连杆大头和连杆盖螺栓、螺母支撑面处加四个半圆搭子 , 增大了危险截面处的局部刚度 , 使连杆大头的应力集中现象消失。参考文献口屠丹红连杆组件的有限元分析仁内燃机学报 ,一陆际清 , 孟嗣宗汽车发动机北京清华大学出版社 ,曹茉莉直喷式柴油机结构设计中的有限元计算与测试分析口镇江江苏大学 , 。。。 ,一 , 一 , 介, , ,一。、一 , 卜一一编辑段金栋 2008年 9月第 36卷第 9期机床与液压日期 : 2007 - 12 - 07基金项目 : 广东省科技攻关项目 (2003 者简介 : 鲍仲辅 (1984 ) , 男 , 华南理工大学汽车工程学院硕士。主要研究机械现代设计方法。电话 : 15915920616,E - 于变量化技术实现机床主轴箱变型设计鲍仲辅 , 杜群贵(华南理工大学机械与汽车工程学院 , 广东广州 510640)摘要 : 在现代机械设计方法中 , 参数化设计已经被广泛应用。随着这种新的设计思想的发展 , 变量化技术也开始逐渐在现代设计中得到重视。变量化技术有着灵活机动等诸多优点。笔者利用变量化技术实现了机床主轴箱的变型设计 , 从而简化了主轴箱的后续分析工作。关键词 : 变量化 ; 主轴箱 ; 变型设计中图分类号 : 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2008) 9 - 027 - 3t D p ox a 10640, In A s of as A sp by to p of Sp UG 前言随着参数化技术在计算机辅助设计中的广泛应用 , 很多设计成型的零件就具有了很好的弹性 , 只要根据实际的工作情况就可以调整参数以适应要求。对于装配成型的机械设备就可以综合参数化技术和变量化技术来实现更高层次的变型设计。以机床主轴箱中的以下 2个问题为例说明问题 : ( 1) 主轴箱提供的转速一般分为很多级 , 原来虚拟装配时只能以其中的一种配对方式安装 , 引入变量化技术之后就可以在一套模型实现所有可能的传动路线按用户要求自动切换 ; (2) 根据研究问题角度的不同 , 让主轴箱模型可以实现空间装配布局到平面展开布局的自动转换。为了能够简单地说明问题 , 笔者以较为基础的滑移齿轮 12级转速的卧式车床主轴箱为例来建立模型。1 实现思路与方法的概述本质上参数化和变量化都是利用参数驱动模型的技术 , 两者的区别就在于参数化技术驱动零件的几何几寸和一些相关的几何特征 , 而变量化技术则可以改变影响零件装配布局和功能特性。从这个意义上讲 ,可以简单地认为变量化技术就是参数化技术的发展的高级结果 , 就是和变量约束技术综合应用的效果。111 变量约束关系分析在高级的工程软件中都提供了虚拟装配的功能模块 , 在这个模块中将各个零件按照实际装配的约束关系装配在一起不是难事 , 但是关键就在于要插入可以随时改变约束的控制变量。图 1 机床主轴箱传动系统图机床的转速级数的切换就是依靠各级变离合器或改变各级滑移齿轮的位置实现的 , 如图 1所示。在一般的虚拟装配中 , 对于滑移齿轮一般有 3 个约束关系 : (1) 滑移齿轮的内孔曲面与花键轴的外表面同心 ; ( 2) 滑移齿轮的一个端面和与之啮合的齿轮端面对齐 ; ( 3) 相互啮合的 2个齿轮要保证轮齿相切。为了让模型实现自动变型 , 现在引入 2个变量控制约束 : ( 1) 距离变量d, 该变量控制滑移齿轮与轴颈端面的距离 , 以保证滑移齿轮在不同的位置能和其它各级齿轮配合上 ;(2) 角度变量 , 该变量控制各对齿轮基准面之间的夹角 , 以保证各对齿轮都能正确地啮合。112 程序流程的分析在各种高级的工程软件中都提供了与高级语言的接口 , 可以利用二次开发来实现这个功能。由于在达式中已经提供了很多可以用于逻辑判断和 1994 , 因此笔者直接利用简洁的功能来实现。在达式语句中 , 其中就有一个条件判别的语句。格式如下 :判别条件 ) (指令 A) 指令 B) ;当判别条件为真时执行指令 A, 当判别条件为假时执行指令 B。由于转速总共有 12级 , 就需要进行嵌套 12次判别 , 具体判别流程如图 2所示。首先定义一个用户可以自由赋值的整数变量 , 要求该变量取值只能在 1 12之间 , 所赋的值就表示用户所制定的转速。要实现转速的切换就要能根据要求选择搭配滑移齿轮 , 其中三联滑移齿轮有左、中、右3个位置 , 双联滑移齿轮也有左、右 2个位置。因此就需要定义尺寸约束变量 , 在 12级的主轴箱中一共用到了 3个滑移齿轮组 , 因此分别定义图 2 第别的程序流程图 1、 2、 3 来控制。其中前3个是控制齿轮端面与轴端的距离 , 以保证滑移齿轮在正确的位置上配合 ; 后 3 个是控制 3个滑移齿轮所在轴的转角 , 以保证其上齿轮的轮齿能正确地啮合。根据笔者实践所建立的模型 , 第一个三联滑移齿轮在距轴左端面 10 即该齿轮在左位 , 此时一轴齿数 36的齿轮就和二轴齿数为 36的齿轮联通起来。同理当该距离为 55 该滑移齿轮在中位 ,此时一轴齿数为 24的齿轮就和二轴齿数为 48齿的齿轮联通起来。当该距离为 100 一轴齿数为 30的齿轮就和二轴齿数为 42的齿轮联通起来。同理 ,可以得到另外 2个滑移齿轮的定位情况 , 整理可以得到表 1。该表数据将提供以后程序编写之用。由于取值的随机性很大且取值不唯一 , 此处就不给出了。表 1 各级滑移齿轮的定位约束等级置置置1 10 左位 280 左位 445 左位2 100 右位 280 左位 445 左位3 55 中位 280 左位 445 左位4 10 左位 335 右位 445 左位5 100 右位 335 右位 445 左位6 55 中位 335 右位 445 左位7 10 左位 280 左位 515 右位8 100 右位 280 左位 515 右位9 55 中位 280 左位 515 右位10 10 左位 335 右位 515 右位11 100 右位 335 右位 515 右位12 55 中位 335 右位 515 右位113 代码的编写和执行结果在给出程序之前先有一点说明 , 表达式语句不能输入希腊字母 , 因此记为另外限于篇幅 , 也仅给出主要的语句 , 至于模型数据的赋值方法不再赘述 , 请参考文献 3 。程序代码如下 : k (1 = k = 12) 1) (10) 2) (100) 3) (55) 4) (10) 5) (100) 6) (55) 7) (10) 8) (100) 9) (55) 10) (10) 11) (100) 55)其它变量取值类似因此不再赘述。现在只要更改以实现变型。例如当给其分别赋值 1、 6、 8、 12, 就会分别得到这几级的传动路线 , 如图 3所示。图 3 主轴箱装配形式的变型示意根据图 3, 可以得到机床以上四级的传动路线。当 1时 , 如图 3 ( a)所示 , 传动路线为 :36 /36 42 /42 60 /30当 6时 , 如图 3 ( b)所示 , 传动路线为 :24 /48 22 /62 60 /30当 8时 , 如图 3 ( c)所示 , 传动路线为 :30 /42 42 /42 18 /7282 机床与液压第 36卷 1994 , 如图 3 ( d)所示 , 传动路线为 :24 /48 22 /62 18 /72通过以上的验证 , 结合转速图 4, 结果完全正确。这样就实现了主轴箱可以自由变速的变型设计。图 4 主轴箱转速图2 变量化技术在主轴箱设计中的另一个应用前文介绍了在一个装配模型中让齿轮的配对方式能够符合用户的要求并且可以任意更改 , 这样就极大地提高了模型的适应性。其实 , 变量化技术可以应用在很多方面 , 下面应用这种技术来实现另一种装配变型。在主轴箱的分析研究中 , 一般针对两种主要的模型。一种是空间装配模型 , 是为了反映力的空间传递 , 各个零件的空间布局 , 应力分布以及振动规律。另一种是展开模型 , 是为了反映传动路线以及传动比的分配等信息。但是建立 2套独立模型显然工作量相当大 , 在此只要应用变量化的技术就可以很快实现一套能够按照要求自动地改变两种装配方式。通过以上的步骤 , 建立起各轴之间的夹角变量 , 只要改变这几个变量就可以在空间中任意布置各轴的位置。当各角度取值为 0时 , 即得到平面展开图 , 如图 5所示 , 图5 (

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