机械毕业设计-汽车变速箱盖的工艺规程及夹具设计（通过答辩全套含CAD图纸+三维建模）
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50 附录 二 ：中文翻译 通过夹具布局设计和夹紧力的优化控制变形 摘 要 工件变形必须控制在数值控制机械加工过程 之中 。夹具布局和夹紧力是 影 响加工变形程度和分布的 两个主要方面 。在 本文提出了一种多目标模型的建立，以减低 变形的 程度 和增加 均匀变形 分布 。有限元方法 应用 于分析变形。遗传算法发展是为了解决优化模型。最后举了一个例子说明，一个令人满意的结果被求得 ， 这是远优于经验之一的。多目标模型可以减少加工变形有效地改善分布状况。 关键词 ：夹具布局；夹紧力； 遗传算法；有限元方法 1 引言 夹具设计在制造工程中是一项重要 的程序。这对于加工精度是至关重要。一个工件应约束在一个带有夹具元件，如定位元件，夹紧装置，以及支撑元件的夹具中加工。定位的位置和夹具的支力，应该从战略的设计，并且适当的夹紧力应适用。该夹具元件可以放在工件表面的任何可选位置。夹紧力必须大到足以进行工件加工。通常情况下，它在很大程度上取决于设计师的经验，选择 该夹具元件的方案 ，并确定夹紧力。因此，不能保证由此产生的解决方案是 某一特定的工件的 最优或接近最优 的方案。 因此，夹具布局和夹紧力优化成为 夹具设计方案的两个主要方面 。 定位和夹紧装置和 夹紧力 的值都应 适当的选择和 计算 ， 使由于夹紧 力 和切削力 产生的工件变形尽量减少和非正式化 。 夹具设计 的目的 是要找到 夹具元件关于工件和最优的夹紧力的 一个最优 布局或方案 。在这篇论文里 ， 多目标优化方法是代表了 夹具布局设计和夹紧力的优化 的方法 。 这个观点是具有两面性的。 一，是尽量减少 加工表面最大的弹性变形 ； 另一个是尽量均匀变形。 件包 是用来计算 工件 由于夹紧力和切削力 下产生的变形。遗传算法是 发达且 直接 的搜索工具箱，并且被应用于 解决优化问题。最后还给出了一个 案例 的 研究 ，以阐述对所提算法 的应用。 51 2 文献回顾 随着优化方法在工业中的广泛运用，近几年 夹具设计优化已获得了更多的利益。夹具设计优化包括夹具布局优化和夹紧力优化。 出了一种 使用刚体模型的夹具 用了一个刚性体模型，为最优夹具布局和最低的夹紧力进行分析和综合。 他提出了基于支持布局优化的程序与计算质量的有限元计算法 。李和 了一个非线性编程方法和一个联络弹性模型解决布局优化问题。两年后， 他们提交了一份 确定关于多钳夹具受到准静态加工力的夹紧力优化的方法。他们还提出了一关于夹 具布置和夹紧力的最优的合成方法，认为工件在加工过程中处于动态。相结合的夹具布局和夹紧力优化程序被提出，其他研究人员用有限元法进行夹具设计与分析。蔡等对 括合成的夹具布局的金属板材大会的理论进行了拓展。 秦等人建立了一个与夹具和工件之间弹性接触的模型作为参考物来优化夹紧力与，以尽量减少工件的位置误差。 交了一份 基于模型的 框架 以 确定所需的最低限度夹紧力，保证了 被夹紧 工件在加工 的动态稳定 。 大部分的上述研究使用的是非线性规划方法，很少有全面的或近全面的最优解决 办法。 所有的夹具布局优化程序必须从一个可行布局开始。 此外，还得到了对这些模型都非常敏感的初步可行夹具布局的解决方案。 夹具优化设计的问题是非线性的，因为目标的功能和设计变量之间没有直接分析的关系。例如加工表面误差和夹具的参数之间（定位、夹具和夹紧力）。 以前的研究表明，遗传算法（ 在解决这类优化问题中是一种有用的技术。吴和陈用遗传算法确定最稳定的静态夹具布局。石川和青山应用遗传算法确定最佳夹紧条件弹性工件。 基于优化夹具布局的遗传算法中使用空间坐标编码。他们还提出了针对主要竞争夹具 优化方法相对有效性的广泛调查的方法和结果。这表明连续遗传算法取得最优质的解决方案。 展了一个夹具布局优化技术，用遗传算法找到夹具布局，尽量减少由于在整个刀具路径的夹紧和切削力造成的加工表面的变形。 定位器和夹具位置被节点号码所指定。 人还提出了一种迭代算法，尽量减少工件在整个切削过程之中由不同的夹具布局和夹紧力造成的弹性变形。 人建成了一个分析模型，认为定位和夹紧装置为同一夹具布局的要素灵活的一部分。 论了混合学习系统用来非 线性有限元分析与支持相结合的人工神经网络（ 和 人工神经网络被用来计算工件的最大弹性变形，遗传算法被用 52 来确定最佳锁模力。 议将 迭代算法和人工神经网络结合起来发展夹具设计系统。 迭代算法和有限元分析，在二维工件中找到最佳定位和夹紧位置，并且把碎片 的效果考虑进去。 周等人。提出了基于遗传算法的方法，认为优化夹具布局和夹紧力的同时，一些研究没有考虑为整个刀具路径优化布局。一些研究使用节点数目作为设计参数。 一些研究解决夹具布局或夹紧力优化方法，但不能两者都同时进行。 有几项研究摩擦和 碎 片 考虑进去了。 碎片 的移动和摩擦接触的影响对于实现更为现实和准确的工件夹具布局校核分析来说是不可忽视的。 因此将 碎片 的去除效果和摩擦考虑在内以实现更好的加工精度是必须的。 在这篇论文中，将摩擦和 碎片 移除考虑在内，以达到加工表面在夹紧和切削力下最低程度的变形。 一多目标优化模型被建立了。一个优化的过程中基于 有限元法提交找到最佳的布局和夹具夹紧力。 最后，结果多目标优化模型对低刚度工件而言是比较单一的目标优化方法、经验和方法。 3 多目标优化模型夹具设计 一个可行的夹具布局 必须 满足三限制。 首先，定位和夹紧装置 不能 将 拉伸势力 应用到 工件 ； 第二，库仑摩擦约束必须 施加 在所有夹具 夹具元件 位置必须在候选位置。 为一个问题涉及夹具元件 化问题可以在数学上仿照如下 ： 这里的 工区域在加工当中 其中 53 是 j 的平均值； i 次的接触点； 是静态摩擦系数； 切向力在 i 次的接触 点 ； i)是 i 次的接触点； i 次接触点； 整体过程如图 1 所示， 一要设计一套可行的夹具布局和优化的夹紧力。最大切削力在切削模型和切削力发送到有限元分析模型中被计算出来。优化程序造成一些夹具布局和夹紧力，同时也是被发送到有限元模型中。在有限元分析座内，加工变形下，切削力和夹紧力的计算方法采用有限元方法 。 根据某夹具布局和变形 ， 然后发送给优化程序，以搜索为一优化夹具 方案。 图 1 夹具布局和夹紧力 优化过程 4 夹具布局设计和夹紧力的优化 遗传 算法 遗传算法（ 是基于生物再生产过程的强劲，随机和启发式的优化方法。 基本思路背后的遗传算法是模拟 “生存的优胜劣汰 “的现象。 每一个人口中的候选个体指派一个健身的价值，通过一个功能的调整，以适应特定的问题。 遗传算法，然后进行复制，交叉和变异过程消除不适宜的个人和人口的演进给下一代。 人口足够数目的演变基于这些经营者引起全球健身人口的增加 和优胜个体代表全最好的方法。 遗传算法程序在优化夹具设计时需夹具布局和夹紧力作为设计变量，以生成字符串代表不同的 布置。 字符串相比染色体的自然演变，以及字符串，它和遗传算法寻找最优，是映射到最优的夹具设计计划。在这项研究里，遗传算法和 直接搜索工具箱是被运用的。 54 收敛性遗传算法是被 人口大小 、交叉的概率和概率突变所控制的 。只有当在一个人口中功能最薄弱功能的最优值没有变化时， 到一个预先定义的价值 或有多少几代氮，到达演化的指定数量上限 没有遗传算法停止。 有五个主要因素，遗传算法，编码，健身功能，遗传算子，控制参数和制约因素。 在这篇论文中，这些因素都被选出如 表 1 所列。 表 1 遗传算法参数的选择 由于遗传算法可能产生夹具设计字符串，当受到加工负荷时不完全限制夹具。 这些解决方案被认为是不可行的，且被罚的方法是 用来驱动遗传算法，以实现一个可行的解决办法。 1 夹具设计的计划被认为是不可行的或无约束，如果反应在定位是否定的。在换句话说，它不符合方程（ 2）和（ 3）的限制。 罚的方法基本上包含指定计划的高目标函数值时不可行的 。因此，驱动它在连续迭代算法中的可行区域。 对于约束（ 4） ，当遗传算子产生新个体或此个体已经产生，检查它 们是否符合条件是必要的。 真正的候选区域是那些不包括无效 的区域。在为了简化检查，多边形是用来代表候选区域和无效区域的。 多边形的顶点是用于检查。 “在 功能可被用来帮助检查。 有限元分析 件包是用于 在这方面的研究 有限元分析计算 。 有限元模型是一个考虑摩擦效应的半弹性接触模型，如果材料是假定线弹性。 如图 2 所示，每个位置或支持，是代表三个正交弹簧提供的制约。 图 2 考虑到摩擦的半弹性接触模型 55 在 x ， y 和 z 方向和每个夹具类似，但定位夹紧力在正常的方向。 弹力在自然的方向即所谓自然弹力，其余两个弹力即为 所谓的切向弹力。 接触弹簧刚度可以 根据向赫兹接触理论 计算 如下 ： 随着夹紧力和夹具布局的变化，接触刚度也不同，一个合理的线性逼近的接触刚度可以从适合上述方程的最小二乘法得到。 连续插值，这是用来申请 工件的有限元分析模型的 边界条件 。在图 3中说明了夹具元件的位置，显示为黑色界线。 每个元素的位置被其它四或六最接近的邻近节点 所包围。 图 3 连续插值 这系列节点，如黑色正方形所示，是（ 37， 38， 31和 30 ），（ 9， 10 ， 11 ， 18，17号和 16号）和（ 26， 27 ， 34 ， 41， 40和 33 ）。 这一系列弹簧单元，与这些每一个节点相关联。对任何一套节点，弹簧常数 是： 这里， 弹簧刚度在的 j i 次夹具元件， i 次夹具元件和的 J 弹簧刚度在一次夹具元件位置 , i 是周围的 i 次夹具元素周围的节点数量 为每个加工负荷的一步，适当的边界条件将适用于工件的有限元模型。 在这个 工作里 ，正常的弹簧 约束在这三个方向（ X ， Y ， Z ）的和 在切方向 切向弹簧约束， （ X ， Y ） 。 夹紧力是适用于正常方向（ Z）的夹紧点。整个刀具路径是模拟为每 个夹具设计计划所产生的遗传算法应用的高峰期的 X ， Y ， z 切削力顺序到元曲面，其中刀具通 56 行 证。 在这工作中，从刀具路径中欧盟和去除 碎片 已经被考虑进去。在机床改变几何数值过程中，材料被去除，工件的结构刚度也改变。 因此，这是需要考虑 碎片 移除的影响。有限元分析模型，分析与重点的工具运动和碎片 移除使用的元素死亡技术。 在为了计算健身价值，对于给定夹具设计方案，位移存储为每个负载的一步。 那么，最大位移是选定为夹具设计计划的健身价值。 遗传算法的程序和 间的互动实施如下。 定位和夹具的位置以及夹紧力 这些参 数写入到一个文本文件。那个输入批处理文件 件可以读取这些参数和计算加工表面的变形。 因此， 健身价值观，在遗传算法程序，也可以写到当前夹具设计计划的一个文本文件。 当有大量的节点在一个有限元模型时，计算健身价值是很昂贵的。 因此，有必要加快计算遗传算法程序。作为这一代的推移，染色体在人口中取得类似情况。在这项工作中，计算健身价值和 染色体存放在一个 据库。 遗传算法的程序，如果目前的染色体的健身价值已计算之前，先检查；如果不，夹具设计计划发送到 则健身价值观是直接从数据库 中取出。 啮合的工件有限元模型 ，在每一个计算时间保持不变。每计算模型间的差异是边界条件，因此，网状工件的有限元模型可以用来反复 “恢复 ”令 。 5 案例研究 一个关于低刚度工件的铣削夹具设计优化问题 是被显示在前面的论文中，并在以下各节加以表述。 工件的几何形状和性能 工件的几何形状和特点显示在图 4 中，空心工件的材料 是铝 390 与泊松比 71杨氏模量。 外廓尺寸 27件 顶端内壁的三分之一 是经铣削及其刀具轨迹，如 图 4 所示 。 夹具元件中应用到的 材料 泊松比 杨氏模量的220 的合金钢。 57 图 4 空心工件 模拟和加工的运作 举例将工件进行周边铣削，加工参数在表 2 中给出。 基于这些参数，切削力的最高值被作为工件内壁受到的表面载荷而被计算和应用 ，当工件处于 n（切）、 （下径向）和 （下轴） 的切削位置时。 整个刀具路径被 26 个工步所分开，切削力的方向被刀具位置所确定 表 2 加工参数和条件 。 夹具设计方案 夹具在加工过程中夹紧工件的规划如图 5 所示。 图 5 定位和夹紧装置 的可选区域 58 一般来说， 3位原则是夹具设计中常用的。夹具底板限制三个自由度，在侧边控制两个自由度。这里， 在 Y=0面上 使用了 4 个定点（ 14 ），以定位工件并限制 2 自由度；并且在 Y=127相反面上，两个压板（ 2）夹紧工件。 在正交面上，需要一个定位元件限制其余的一个自由度，这在优化模型中是被忽略的。在表 3 中给出了定位加紧点的坐标范围。 表 3 设计变量的约束 由于没有一个简单的一体化程序确定夹紧力，夹紧力很大部分 （ 初始阶段被假设为每一个夹板上作用的力。且从符合例 5的最小二乘法，分别由 07 N/m 和 07 N/m 得到了正常切向刚度。 遗传控制参数和 惩 罚函数 在这个例子中， 用到了 下列参数值： 0, 00和 的惩罚函数是 这里 以被 代表。当 到 6 时， 优化结果 连续优化的收敛过程如图 6所示。且收敛过程的相应功能 （ 1） 和 （ 2） 如图 7、图8 所示。 优化设计方案在表 4 中给出。 59 图 6 夹具布局和夹紧力优化程序 的 收敛性遗传算法 图 7 第一 个 函数值 的收敛 图 8 第二个函数值 的收敛性 表 4 多目标优化模型的结果 表 5 各种夹具设计方案结果进行比较， 结果 的 比较 从单一目标优化和经验设计中得到的夹具设计的设计变量和目标函数值，如表 5所示。 单一目标优化的结果，在论文中引做比较。 在例子中，与经验设计相比较，单一目标优化方法有其优势。 最高 变形减少了 ，均匀变形增强了 。最高夹紧力的值也减少了 。从多目标优化方法和单目标优化方法的比较中可以得出什么呢？最大变形减少了 ，均匀变形量增加了 ，最高夹紧力的值 减少了 60 。加工表面沿刀具轨迹 的变形分布如图 9所示。很明显，在三种方法中，多目标优化方法产生的变形分布最均匀。 与结果比较，我们确信 运用最佳定位点分布和最优夹紧力来减少工件的变形。图 10示出了一实例夹具的装配。 图 9 沿刀具轨迹 的变形分布 图 10 夹具配置 实例 6 结论 本文介绍了 基于 有限元 的 夹具布局设计和夹紧力的优化程序 设计。 优化程序是多目标 的： 最大限度地减少加工表面 的 最高变形和最大限度地 均匀 变形 。 健身价值的有限元计算。 对于 夹具设计优化的问题 ， 有限元分析 的结合被证明是一种很有用的方法 。 61 在这项研究中，摩擦的影响和 碎片 移动都被考虑到了。为了减少计算的时间，建立了一个染色体的健身数值的数据库， 且网状工件的有限元模型是优化过程中多次使用的。 传统的夹具设计方法是单一目标优化方法或经验 。此研究结果表 明， 多目标优化方法 比起其他两种方法 更有效地减少变形和均匀变形 。这对于在数控加工中控制加工变形是很有意义的 。 参考文献 1、 S， 1993 年） 自动化装配线上棱柱工件最佳装夹定位生成的理论方法 。 C (1995) 优化机床夹具表现的 荷模型 。 2、 C (1998) 快速支持布局优化 。 , N (1999) 通过夹具布局优化改善工件的定位精度 。 3、 , N (2001) 夹具夹紧力的优化和其对 工件的定位精度 的影响。 4、 , N (1999) 通过夹具布局优化改善工件的定位精度 。 5、 , N (2001) 夹具夹紧力的优化 和其对工件定位精度的影响。 6、 , N (2001) 最优夹具设计计算工件动态的影响。 7、 D, S (1987) 灵活装夹系统的有限元分析。 8、 J, R (1991) 运用优化方法在夹具设计中选择支位。 9、 , J, X (1996) 变形金属板材的装夹的原则、算法和模拟。 10、 H, H, L (2005) 夹具装夹方案 的建模和优化设计。 11、 Y, N (2006) 动态稳定装夹中夹紧力最小值的确定。 12、 H, C (1996) 基于遗传算法 的夹具优化配置方法。 13、 , (1996) 借助遗传算法对装夹条件的优化。 14、 , C, , et 2002) 一项关于 空间坐标对 基于遗传算法的夹具优化问题的作用的调查。 15、 , C, , et 2002) 夹具布局优化方法 成效的调查。 16、 , N (2000) 利用遗传算法 优化加工夹具的布局。 17、 , , N (2002) 利用遗传算法 优化夹紧布局和夹紧力。 18、 M, J, Q (2004) 基于遗传算法的柔性装配夹具布局 的 建模与优化 。 62 19、 (2005) 通过一种人工神经网络和遗传算法 混合的系统设计智能夹具。 20、 S, , C (2001) 采用遗传算法 固定装置的概念设计。 21、 (2006) 利用遗传算法 优化加工夹具的定位和夹紧点。 22、 L, H, H (2005) 遗传算法用于优化夹具布局和夹紧力。 23、 , (2003) 碎片 位移和摩擦接触的运用对工件夹具布局的校核。 i & 2 007 /4 007# 007be in of In a to of to of to A to a is to is an in It is to be in a as of be be be on be it on s to to is no or a in of be to is of is to an or of In is is is to of is to of is to of A is to is to of of in a . . *)o. 29, 10016, a of 1. a of 2. a 3. 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A of to of at it,at of to be to In in X, Y, Z)in X, Y). in Z) at by by , Y, Z 23is of so of it is to EA is to In to a is A as of to a of A be to a is to up A As in In in a GA if s of EA is EA be of a in 16, 18, 22 is in 5 of / / / 0 0 of 4. of is a .3 s 52.4 27 6.2 of an is 4. of is a .3 s 20 is on of . on of as on at ( ( ( is 6 哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书 学生姓名： 学号： 学 院： 专业： 任务 起止 时间： 2014 年 2 月 24 日 至 2014 年 6 月 20 日 毕业设计（论文）题目 ： 论文题目不要居中，缩进两个字，像段落开始一样 毕业设计工作内容： 1、 （第 1 资料： 1、 参考书不一定非要写年份，有名称就行，应该要学生找最新的。 2、 要是老师觉得什么资料特别好，就需要具体信息。 指导教师 意见 ： （签名下面的时间在 20 签名： 年 月 日 系主任 意见 ： 签名： 年 月 日 教务处制表 哈尔滨理工大学荣成学院 毕业设计（论文） 开 题 报 告 学生姓名 胡晓阳 学 号 0930060126 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机械 09 指导教师 2013 年 03 月 8 日 课题题目及来源： 题目： 自动换刀机械手结构设计 题目来源： 课题研究的意义和国内外研究现状： 课题研究 的意义： 自动换刀系统是数控铣床的重要组成部分，刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响铣床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响铣床的换刀效率，自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响 国内外发展状况 ： 目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构， 刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在种模式中，机床主轴常采用空心的带有拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放 松刀柄的动作。利用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是，它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度，而且主轴结构复杂，主轴轴向尺寸过大，加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄的制造成本，使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较大的比重。据有关资料介绍，在刀具采用锥柄夹头、侧压夹头以及弹簧夹头夹紧性能的对比实验中，采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可同时获得高的夹持刚度和振摆精度的理想元件。采用这种夹持元件，刀具或刀具辅具可作成圆柱柄，其制造成本低，精度易保证，这对大容量刀库降低刀具辅具的制造成本，意义更为显著。在现代 数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀那将使机床成本大幅度提高。如在 制磨削球面铣刀的数控磨削机床上，直接由高速电机驱动主轴，使用小直径盘形砂轮和指形砂轮加工球面铣刀，换刀空间很小，在这种条件下，将难以实现自动换刀。国外最新研制的内圆磨床上采用的弹簧夹头自动换刀装 置售价昂贵。 随着机械加工业的发展制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大，在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床的整体造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下的原因。 数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机床逐步发展为在一台机床上在一次装中完成多工序或全部工序的加工。数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误差，通常带有自动换刀系统。对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自 动换刀装置 (自动换刀（ 称 统由控制系统和换刀装置组成。在数控铣床的基础上，如果再配以刀具和自动换刀系统，就构成加工中心（ 称 在这类数控机床上，自动换刀装置（ 必不可少的。例如加工中心机床又称多工序自动换刀数控机床，它主要是指具有自动换刀及自动改变工件加工位置工能的数控机床，具有自动换刀装置是加工中心机床的典型特征，是多工序加工 的必要条件。自动换装置的 功能，对整机的加工效率有很大的影响。由于普通的数控立式铣床加工的一般是中小零件，其大多需要几把刀具加工（ 10 把刀具以内，）故增加自动换刀装置并同时自动变换主轴转速。可减轻劳动强度，减少换刀时间，既提高了机床的自动化程度，又提高了劳动生产率。因此，数控立式铣床作为数控铣床中数量最多、应用范围也最广的一种，对其附加能够快速、准确地换刀的自动换刀装置是非常有必要的。 自动换刀装置应该满足的基本要求： 1）刀具换刀时间短。 2）刀具重复定位精度高。 3）足够的刀具储存量。 4）刀库占地面积小。 5）换 刀安全可靠。 课题研究的内容： 通过网络、期刊、教材、厂家资料及国内外相关文献查阅。根据要求完成对升降台铣床自动换刀装置系统设计 。完成设计图纸的绘制并进行相关校核工作，完成设计说明书的编写。 数控立式升降台铣床设计主要技术参数为： 1）刀库容量： 4 2）选刀方式：顺序选刀 3）重复精度： 5 数控立式升降台铣床主要由床身、升降台、工作台、立铣头、主传动、主变速、拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电柜等部分组 成。机床本身并不带自动换刀装置。自动换刀装置作为一套独立的、完整的机床部件，设计依据是该机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。 数控立式升降台铣床及其主要参数 数控立式升降台铣床是一种使用范围广泛的机床，根据用户要求，配置国内外（ 中号）先进数控系统，可手动或自动操作。它可以实现 X、Y、 Z 三轴同时定位 /直线插补，同时二轴圆弧插补。 域绝对位置检测。每次开机无须回零，简化机床操作。尤其在发生停机、断 电、更换程序等情况后再启动时不用整机回零，可以直接开机，方便操作。尤其方便不熟练操作工、繁忙操作工、电力不良等情况下的使用。可采用主程序、子程序进行编程，最小单位可选 有标准机床坐标系、工件坐标系，绝对值、增量可并用。各有50 组刀具长度、半径长度补偿。彩色 文显示，具良好人机对话窗口，系统具有 160m 存储容量，可进行程序编辑、管理，可用 口、 盘进行数据输入、输出 , 便于加工程序的管理。可以对程序进行模拟加工，刀具轨迹跟踪及动画仿真、图形动画显示，记录运行时间及作 业信息。 数控立式升降台铣床是北京第一机床厂生产的带有立铣头的立式铣床，为机电一体化结构，三坐标联动，是一种使用很广的机床，它可以使用各种圆柱铣刀、角度铣刀及端面铣刀完成直线铣削，组成各种往复循环和框式循环或按坐标位置加工孔，也可以铣削具有轮廓的零件，如凸轮、样板、模具、叶片、弧形槽等；该机床适用于机械制造的各种类部门，也适用于军工部门。 课题研究的主要方法： （ 1） 搜集资料，了解并掌握 数控立式升降台铣床的结构和工作原理。 （ 2） 确定设计大体思路，撰写开题报告，要求完成具体的设计 内容及计算。 （ 3） 根据设计任务书的要求，熟悉相关软件 定设计方法及设计要点。按要求完成完整的设计计划及预期达到的结果，进行相关设计及计算。 （ 4） 对所设计的 数控立式升降台铣床自动换刀装置进行相关校核，准备相关资料。 （ 5） 对设计说明书初稿进行相关格式修改，对设计图纸并进行修改。 研究过程中的主要问题和解决的方法： (1) 确定铣床的技术参数 查阅相关资料可纵、横向进给范为 6向进给范围 31600mm/ 纵、横向快进速度 6000mm/传动电动机功 率 传动电动机转速 1440r/轴最大扭矩 1000N m，机床重量 2800（ 3000） 床外形尺寸（长 X 宽 X 高） 1929 X 2055 X 2216 2） 确定自动换刀装置的设计参数 实际的生产加工中，常尽量选用直径较大的铣刀，因为大直径铣刀刚性好，耐用度高。由 数控立式升降台铣床推荐使用的最大切削范围可知，当铣切钢时，铣刀直径为 100 铣灰铸铁时，铣刀直径达 250此，为了满足该机床的实际加工能力与生产情况，在设计其自动换刀装置时，应该 根据最大的刀具直径来设计，即设计的换刀装置能交换 250刀具。 （ 3）确定自动换刀装置的形式 机床的自动换刀装置结构形式多种多样，选取何种形式的主要取决于机床的种类和工艺范围以及刀具的种类和数量等。已知机床是一种可加工较高精度工件的机床，因而对精度要求也较高，故采取带刀库的自动换刀形式 （ 4） 确定刀库的主要参数 （ 5） 最后选用 司生产的 伺服电动机，具体参数如下：额定电压 200V，额定功率 400W，启动转距为 m ，转速 15001800动功率 22W，启动电 流 动电压 90V。 （ 6）刀库转位蜗杆传动的设计 课题研究所需的参考文献： 1 吴宗泽 ， 罗圣国 机械设计课程设计手册 第二版 北京高等教育出版社 2 廖念钊，莫雨松 互换性与技术测量 第四版 中国计量出版社 3 冯辛安，黄玉美 机械制造装备设计 机械工业出版社 4 濮良贵，纪名刚 机械设计 高等教育出版社 5 种宝春 机器人机械设计 电 子工业出版社 6 龚振帮 画法几何及机械制图 高等教育出版社 7 余达太，马香峰 工业机器人应用工程 冶金工业出版社 8 黄清远 机械设计学 机械工业出版社 9 of an a 10 a 指导教师审查意见： 指导教师签字： 200 年 月 日 指导委员会意见审核意见： 组长签字： 200 年 月 日 毕业设计题目： 数控车床液压可回转尾座设计 学生姓名 ： 张 伟 学 号 ： 0930060216专业班级： 机械 10 指导教师： 内 容 序号 文 件 名 称 数 量 1 开题报告 份 2 毕业设计论文 份 3 图纸 张 2014 年 6 月 20 日 毕业设计题目： 数控车床液压可回转尾座设计 学生姓名 ： 张 伟 学 号 ： 0930060216专业班级： 机械 10 指导教师： 哈 尔 滨 理 工 大 学 毕 业 设 计 题 目： 院、 系： 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 年 月 日 哈 尔 滨 理 工 大 学 毕 业 设 计 题 目： 自动换刀机械手 结构 设计 院、 系： 荣成学院 机械工程系 姓 名： 胡晓阳 指导教师： 系 主 任： 2013 年 6 月 18 日 哈尔滨理工大学毕业设计（论文） 评语 学生姓名： 学号： 学 院 ： 专业： 任务 起止 时间： 2014 年 2 月 24 日至 2014 年 6 月 20 日 毕业设计（论文）题目 ： 指导教师对毕业设计（论文）的评语 ： 指导教师签名： 指导教师职称： 评阅教师对毕业设计（论文）的评语 ： 评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委员会对毕业设计（论文）的评语 ： 答辩委员会评定， 该生毕业设计（论文）成绩为： 答辩委员会主席签名： 职称： 年 月 日 教务处制表 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 I 旋挖钻机及变幅机构结构设计 摘 要 随着全球经济的高速发展以及改革开放的逐步深化，基本建设范围的持续拓宽， 旋挖钻机是一种多功能、高效率的灌注桩成孔设备，被广泛应用于水利工程、高层建筑、城市交通建设、铁路公路桥梁等桩基础工程的施工。旋挖钻机能适应我国大部分地区的地质条件，成为适合建筑基础工程中成孔作业最理想的施工机械。 本课题在充分调研了国内外钻孔设备的实际应用前提下，了解和分析国现有的大型钻孔装备的技术特点，提出了旋挖钻机总体设计方案，完成了旋挖钻机主要部件的选取及变幅机构的结构设计。在设计中引入 图技术，利用 e 软件建立了旋挖钻机变幅机构的三维模型，使其实体化、可视化，缩短了设计周期。最后通过虚拟样机仿真 e 软件对旋挖钻机变幅机构进行了动力学仿真和分析，得到了变幅机构在变幅过程中各构件运动状态，确保所设计的机械结构满足使用要求。 关键词 旋挖钻机 ；变幅机构；结构设计 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 录 摘 要 . I 第 1 章 绪论 . 1 题背景研究的目的及意义 . 1 内外旋挖钻机的研究现状 . 1 内研究现状 . 1 外研究现状 . 2 论文主要工作内容 . 3 章小结 . 4 第 2 章 旋挖钻机总体设计 . 1 挖钻机工作原理 . 1 构总体设计 . 1 计要求 . 2 要技术参数 . 2 体布置 . 3 动分析 . 3 孔运动 . 4 降运动 . 5 幅运动 . 6 车回转运动 . 8 力分析 . 8 挖钻斗动力 . 8 转机构动力 . 9 幅机构动力 . 11 章小结 . 13 第 3 章 旋挖钻机总体设计 . 14 挖钻机工作主要原件选型 . 14 力头机构 . 14 幅机构 . 15 扬机构 . 16 章小结 . 17 第 4 章 旋挖钻机总体设计 . 18 维设计简介 . 18 介 . 18 幅机构三维仿真 . 19 件模型建立 . 19 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 装配模型建立 . 20 章小结 . 21 结论 . 23 参考文献 . 24 致谢 . 25 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 1 第 1章 绪论 题背景研究的目的及意义 本课题在充分调研了国内外钻孔设备的实际应用前提下，了解和分析国现有的大型钻孔装备的技术特点，提出了旋挖钻机总体设计方案，完成了旋挖钻机主要部件的选取及变幅机构的结构设计。在设计中引入 图技术，利用 e 软件建立了旋挖钻机变幅机构的三维模型，使其实体化、可视化，缩短了 设计周期。最后通过虚拟样机仿真 e 软件对旋挖钻机变幅机构进行了动力学仿真和分析，得到了变幅机构在变幅过程中各构件运动状态，确保所设计的机械结构满足使用要求 1。 内外旋挖钻机的研究现状 内研究现状 旋挖钻机在二战以前首先在美国卡尔维尔特公司问世，二战之后在 欧洲 得到发展， 1948 年意大利迈特公司首先开始研制，接着 意大利 、 德国 开始发展，到了 70 80 年代在 日本 得到快速发展，当时日本称之为回转斗成桩，也叫阿司特利工法 （ ，在德国、日本这类工法相当普遍。我国在 80 年代初从日 本引进过工作装置，配装在 履带起重机 上。 1984 年，天津 探矿机械 厂引进美国 司的旋挖钻机并进行消化吸收。 1987 年在北京展览馆首次展出了意大利土力公司 （ 品， 1988 年 北京 城建机械厂根据土力公司的样机开发了 径的履带起重机附着式旋挖钻机。 1994 年 郑州 勘察机械厂引进 英国 司附着式旋挖钻孔机的生产技术，但都没有形 成批量生产。 1992 年宝峨公司在 中国 北京设立了代表处，开始了对华业务并于 1995 年在天津成立了独资子公司宝峨天津机械工程有限公司，组装适合 中国市场 的宝峨 旋挖钻机。 1998 年在 上海 又成立了中德合资上海宝峨金泰 工程机械 股份有限公司，生产组装 、 旋挖钻机。 1998 年， 徐工集团 开始自主开发研制 挖钻机，于 99 年试制成功并投入 批量生产，最近几年我国旋挖钻机取得了快速发展。后来，北京经纬巨力、三一重机等也纷纷涉足旋挖钻机的生产，目前国内外生产旋挖钻孔机厂商有近二十家。 随着我国经济的发展，给基础工程市场带来了巨大的发展机遇。被称为 “ 五大世纪工程 ” 的三峡工程、西气东输、西电东送、南水北调、青藏铁路等工程的建设；国家西部大开发战略的实施，使西部地区的高速公路哈尔滨理工大学专科生毕业论文 2 建设及城市建设工程量剧增；以北京为主的几个奥运城市进行了大规模的城市建设及奥运场馆的建设。这一系列重大事件，使得近年来基础工程市场达到了前所未有的规模。与普通的基础工程相比，这些工 程有着其不同的特点，如工程量大、持续时间长；对环保要求严格，西部大开发要保护生态环境，奥运工程的建设不能对城市环境造成污染等；工程进度不能拖延，等等。这些特点对基础工程施工技术提出了更严格的要求，一般情况下采用常规的施工技术是很难满足这些要求的，而必须采用先进的施工设备和技术。在这些工程的建设中，旋挖钻进技术的应用越来越多，在青藏铁路及奥运主场馆的建设中甚至全部采用的是旋挖钻进技术 2。 国产旋挖钻机目前存在的主要问题： 首先表现在整体的液压系统与配置还达不到国外产品的先进水平，特别是与世界先进水平的旋挖 钻机相比还存在很大差距。国外的优质产品液压系统一般都采用恒功率系统或负荷传感系统，液压元件采用国际先进成熟的产品。 其次，国产旋挖钻机的关键件如钻杆，特别是机锁式加压钻杆还不能满足主机的要求，主要原因是国产钢管在钢管加工时，圆度和直线度达不到设计要求，无论是强度还是精度都不能满足要求；钻杆的加工工艺还处在摸索之中，焊接质量不能保证，焊后易变形，而且钻杆变形难以调整。 再其次，一些国产旋挖钻机的整机外观及操作室内仪表盘的布置不如国外产品。国外的旋挖钻机有的装有全电脑操作系统，使操作手能实时掌握钻进深度、钻架垂 直度，保证钻孔准确到达设计深度和保持良好的垂直度；实时掌握各系统工作情况，便于及时采取维修措施，保证钻机正常运转。而目前，大部分国产旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态均无显示功能，操作手只能凭经验判断。施工中，旋挖钻机在进行钻孔作业时，有一个钻 提升 回转 抛土 再回转至原孔口 对准 再钻进的过程。国产旋挖钻机因没有回位定位功能，所以在对准时耗费相当多的时间和精力，而且，人工对准精度低 3。 国内近年来利用各种方式和途径，在消化吸收国外先进技术的基础上，创新，相继开发了多种型式的旋挖钻机，如湖南 山河、徐工集团等开发的专用底盘旋挖钻机 ;三一重机等开发的挖掘机底盘旋挖钻机。而在动力方面，大部分都是采用了与卡特彼勒底盘配套的卡特彼勒发动机，或选用康明斯、沃尔沃的发动机。液压元件等关键部件也都是选用世界知名品牌产品。国产旋机整体水平虽然与国外产品还有一定差距，但已经完全满足国内基础工程施工的需要，加上格优势明显，所以从 2003 下半年开始，国内旋挖钻机市场已经进口机变为以国产机为主。 外研究现状 国外目前旋挖钻机的在国内的公司主要有：德国宝峨公司，其产品系哈尔滨理工大学专科生毕业论文 3 列为 大利土力公司，其产品为 司的 司的 司的 。国外产品最大扭矩可达 360kNm，发动机功率达 448孔直径可达 4m，钻孔深度 90 余米等，品牌主要集中于土力、宝峨、意马、麦特、卡萨格兰第、巨力、日本产小扭矩旋挖钻机 4。 国外旋挖钻机的优势，国外的旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态有显示功能。钻杆牙嵌是极易磨损的 (特别是在啮合不彻底的情况下 )，磨损后的修复也是非常麻烦的。以往操作者只能凭自己的经验来感觉啮合情况，所以 对操作者的熟练程度的要求很高。在钻孔作业时，钻孔深度通常达几十米，由于地质情况、钻杆与钻杆、钻杆与钻头连接等方面的原因，造成钻杆、钻头脱落在孔内的事故，给施工单位造成很大的损失。钻杆状态的显示功能，为操作者提供一个可视的钻杆，方便了操作者，可有效避免事故的发生。 国外的旋挖钻机采用电液比例伺服控制系统、 线控制等，提高了定位钻孔精度，具有钻孔深度的自动化检测，荧光屏显示功能等，当钻机发生倾斜时，钻机会自动报警，并进行自动调整。采用能显示多种信息的多功能液晶显示器，能进行钻机控制、自动垂直调平、 回转倒土控制、发动机的监控、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测与报警等信息的显示。钻机的设计充分考虑操作人员的安全，并采取了一些措施，如驾驶室前窗配有 扬的高度限位；驾驶室内操作台安全控制；发动机、液压等参数显示、报警等。在控制功能上普遍采取和专业厂合作或自己开发专用控制器和控制软件。 国外钻机发展趋势具体表现在以下几个方面。 1 多功能 模块化 只需要选择不同的工作附件，便可做到一机多用。钻机采用的是多用途模块式设计，可与连续墙抓斗、长螺旋等配合使用。动力头为双作用驱 动箱，既可进行钻孔，又能安放套管，一机多用。 2 机电一体化 采用电液比例伺服控制系统，国外产品大都实现了负载反馈的自动控制 。 3控制可视化、 智能化 具有钻孔深度、钻桅垂直度自动化检测、荧屏显示，提高了定位钻孔精度。并显示、记录、打印成桩的外形，大大提高了成桩质量。 4实时监测 采用孔深、发动机、油压、主副卷扬拉力等参数的自动化检测，荧光屏显示。 5安全措施 驾驶室前窗配有防坠物保护、卷扬的高度限位、驾驶室内操作台安全控制、发动机 参数显示、液压参数显示、报警等。 论文主要工作内容 本课题以旋 挖钻机为研究对象，通过对旋挖钻机接的国内外设备状况哈尔滨理工大学专科生毕业论文 4 的调研，确定旋挖钻机的钻机及变幅机构的结构 5。 初步确定本课题对以下几个方面进行了研究和探讨，具体工作内容如下： 集旋挖钻机相关设计信息，根据旋挖钻机的工作要求和工作环境，提出旋挖钻机的总体设计构思。 机械结构整体方案基础上，数据进行选定。 算变幅机构相关数据。 写毕业论文。 章小结 本章主要介绍了旋挖钻机的发展历史与功用以便我们更好的深入研究 。本 课题以旋挖钻机为研究对象，通过对旋挖钻机接的国内外设备状况的调研，确定旋挖钻机的钻机及变幅机构的结构。 初步确定本课题对以下几个方面进行了研究和探讨 确保所设计的机械结构满足使用要求。 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 1 第 2章 旋挖钻机总体设计 挖钻机工作原理 旋挖钻机钻进成孔工艺旋挖成孔，首先是通过钻机自有的行走功能和桅杆变幅机构使得钻具能正确的就位到桩位，利用桅杆导向下放钻杆将底部带有活门的桶式钻头置放到孔位，钻机动力头装置为钻杆提供扭矩、加压装置通过加压动力头的方式将加压力传递给钻杆钻头，钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻头内，然后再 由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土、卸土，直至钻至设计深度6。 构总体设计 总体设计是机械产品设计的关键，它对产品的技术性能、经济指标和社会性具有决定性意义。总体设计应始终贯彻了功能要求原则、可靠性原则、安全原则、力学原则、经济性原则等。本课题在鉴了国内外的旋挖钻机的结构，提出了旋挖钻机的总体设计方案。以下是各个功能元选择的各种选项，以及选择方法。 表 2挖钻机的机构选项 功能元 功能元解 1 2 3 4 A 动力源 电动机 液压马达 气压马达 B 传 动方式 齿轮传动 链传动 带传动 涡轮传动 C 行走方式 轮胎 履带 轨道 D 定位方式 行走定位 回转变幅定位 E 升降方式 卷扬 液压缸 连杆 F 取土形式 回转 冲击 A 动力源： 由于旋挖钻机输出功率较大，三种动力源之中液压马达以体积小、能量密度高、运行稳定等特点成为旋挖钻机最佳动力源。 B 传动方式：传动方式中链传动不易于高速、重载，带传动传动低速性能不好、径向尺寸大、效率低寿命短。涡轮传动平稳、振动小、噪音小，但是传动效率低、但价格昂贵。而齿轮传动效率高、传动比准确、承载能力大、使用寿 命长、可靠性高、价格合理、结构紧凑最佳的选择。 C 行走方式：行走方式中，轨道不能自由移动，因此去掉轨道选项。 轮胎机动性较好，但承载不好，考虑旋挖钻机施工现场环境，选取履哈尔滨理工大学专科生毕业论文 2 带行走方式。 转变幅定位，因为行走定位在每次卸土都要移动位置严重影响工作效率。变幅机构可以在不移动位置下卸土。 E 升降方式：卷扬，深度数十米液压缸与连杆无法到达。 F 取土形式：回转 以上可以得出，旋挖钻机结构是 方案为 1+2+1，即全液压履带式旋挖钻机 计要求 为使旋挖钻机满足实际工程的使用要求，充分 地调研了目前我国桩基施工的方法和钻孔工艺，并根据钻孔工艺和实际使用过程中操作人员的经验，结合国内外的技术和经验提出了以下几方面技术要求 7。 基孔直径在 12001500间，为了配合套管施工，所以本钻机钻孔直径在 5002000机具有通用接口，可以配备不同的钻头，适应各种地质条件下的施工，最大钻孔深度 85m。 挖钻机要求动作迅速，快速启动和准确制动，机械系统在工作中应该具有足够的强度、刚度和稳定性等。在各个工况下弹性变形要在许用范围内。 般情 况下，在土层、砂层的钻进速度应该达 10m/h，在粘土层达 4h，是普通回转钻进的 3，甚至更高 。 要技术参数 主要技术参数是指能够直接影响机械系统功能和工作性能的一些技术参数，详见表 2是机械系统结构总体设计和主要零部件设计的依据。 表 2挖钻机技术参数 名称 参数 动力头输出扭矩 T 280kNm 最大钻深度 h 60m 钻孔直径 D 5002000孔速度 n 635r/扬单绳最大拉力 F 200扬最大速度 v 1m/s 上车回转角速度 桅左右调垂角度 5 地盘扩履尺寸 L 3200/4200尔滨理工大学专科生毕业论文 3 体布置 总体布置应从保证其主要性能出发，对钻机的性能、使用和制造等方面都将产生非常重要的影响。总体布置应满足功能、性能、结构、工艺和使用等方面要求。 图 2挖钻机总体布置简图 动分析 旋挖钻机运动简图如图 2示。旋挖钻机的运动可分解为钻孔运动、提钻运动、变幅运动和回转运动，下面将分别对旋挖钻机进行运动分析 8。 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 4 图 2挖钻机运动示意图 孔运动 钻孔运动是依靠钻斗的回转实现的，钻斗的回转 是由动力头驱动钻杆，使钻斗同钻杆一同运动的。动力头采用结构紧凑的双马达驱动，以减小动力头的径向尺寸。传动原理是，液压马达输出扭矩通过行星减速机减速后，将动力传给小齿轮，小齿轮将动力传递给回转支承外环，回转支承外环与动力头驱动套固连，通过驱动套内键将扭矩传递到钻杆驱动钻具回转。 动力头采用结构紧凑的双马达驱动，以减小动力头的径向尺寸。传动原理如图 2示，液压马达 3 输出扭矩通过行星减速机 2 减速后，将动力传给小齿轮 1，小齿轮将动力传递给回转支承 6 外环，回转支承外环与动力头驱动套 4 固连，通过驱动套内键将扭矩传递 到钻杆 5 驱动钻具回转9。 动力头输出转速 n 可以表示 见式 (2 100021 n(2哈尔滨理工大学专科生毕业论文 5 式中 为液压马达流量 L/ 马达排量 1i 行 星减速机减速比 2i 齿轮副减速比。 1 小齿轮； 2 行星减速机； 3 马达； 4 驱动套； 5 钻杆； 6 回转支承 图 2力头传动原理 降运动 升降运动主要是指在钻钭下钻和装满岩土提到地面的过程，升降运动靠钻机的提升系统完成。在钻机每个工作循环中旋挖钻机要经过孔定位、下钻、钻进、提钻、回转、卸土六个工序，提升系统主要功能是控制钻杆下降和提升速度，为了避免钻杆触地后卷扬继续放绳而引起乱绳、损坏钢丝绳的现象发生。提 升系统主要是由卷扬机构、导向滑轮和绳锁机构构成。如图 2示。提升系统的主要运动是将卷扬的回转运动通过绳索系统转换成竖直方向的移动 10。 图 2升系统传动原理 主要参数有提钻加速时间 t，钻杆提升速度 v，启动加速度 a=v/t。则滑轮架 回转接头头 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 6 钻杆提升速度 v 可以表示 见式 (2 (2式中 Q 马达流量， L/ r 滚筒半径， m； 马达排量， 幅运动 变幅机构由平行四边形机构和三角形机构两个部分构成，平行四边形机构通过变幅油缸的伸缩 使桅杆远离 机体或靠近机体， 三角形机构作用是通过立桅油缸的伸缩 改变桅杆的角度，以调节桅杆相对 水平 面的角度。 变幅机构在钻孔时改变钻头位置，在下车不移动的工况下实现对孔定位，变幅机构是旋挖钻机重要部件，可以简化如图 2示。因为在变幅过程中钻具、动力头等部件固定在钻桅杆上，所以在机构分析中只分析钻桅运动特性。变幅机构共有 8 个活动构件， 2 个移动副和 9 个转动副，自由度为2。主运动分别有变幅油缸 立桅油缸 动 11。 变幅机构随油缸伸出长度的不同，其角度和受力都会变化，为了更清楚地找到它们之间的数学关系，在此引入了变 幅和桅杆姿态角，通过姿态角的引入，就可以通过姿态角的大小来描述机构的几何尺寸和受力情况。变幅机构中铰点 A、 F 与转台固定铰链，变幅姿态角 为变幅臂中心的连线与水平面成角，立桅姿态角 为钻桅与三角架和立桅油缸两铰点连线与水平面成角，为转台倾角，为三角架 水平夹角 , 为立 桅油缸与水平负方向的夹角， 为工作装置重心与铰点 C、 D 构成的三角形 夹角， 别为变幅油缸、立桅油缸长度， G 表示工作装置，包括钻桅总成、动力头、钻具等。 设计时考虑到工作装置质量较大，钻机的变幅机构两油缸交替工作，这样设计可以提高钻机 本身的动态稳定性还可以降低液压系统的负荷。下面分别对两液压缸工作进行说明 。 (1)变幅油缸工作时，在平行四边形 ， 固定机架，四杆机构属于双摇杆机构，上臂 下臂 摇杆，其运动特性相同，质心分别用 示，质心距各自回转中心距离用 和 表示，当变幅油缸运动时， 机架转动。则上臂 心的速度可以表示为 见式 (2 (2式中 变幅角， 100060哈尔滨理工大学专科生毕业论文 7 图 2挖钻机变幅机构运动示意图 变幅油缸 度 变幅姿态角之间 关系可以表示为 见式 (2 22112 c o E F B E E L L L (2时间 t 求导，变幅油缸活塞杆运动速度 1以表示为 见式 (2 1 1122 1s i c o E E F B E E L L L (2三角架与工作装置做平动，运动特性与下臂 E 点相同，其运动方程可表示为 见 式 (2 e f y e f/ c o s , / s i V L (2(2)立桅杆油缸工作时，在三角形机构中 ，工作装置的重心G，回转半径用 表示，则工作装置转速可以表示为 见式 (2 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 8 (2立桅油缸 度 姿态角 之间关系可以表示为 见式 (2 )c o s (2)( 2 (2将 对时 间 t 求导，立桅油缸活塞杆运动速度 2以表示为 见式 (2)c o s (22)s i n ()(2 车回转运动 回转机构主要是驱动上车绕回转中心整周回转，回转机构是支承旋挖钻机上车的自重及钻孔提钻过程中的 垂直载荷作用，由回转平台和回转驱动机构两个部分构成。在回转驱动的作用下使上车绕回转中心旋转，回转机构运动频繁，且质量较大，属于大惯量系统。回转部分的主要运动参数有回转角速度 和启动时间和制动时间 t。回转驱动机构由液压马达、回转减速机和回转支承组成。传动原理如图 2示，鉴于目前设计国内尚无旋挖钻机设计标准，参照国内外同类产品设计和同吨 位的汽车起重机设计。旋挖钻机的最大回转速度 n 定为 转角速度 s。则上车回转速度 n 为 见 式 (2 (2式中 Q 流量， L/ 马达排量， 1i 行星减速机减速比； 2i 回转 支承齿轮副减速比。 力分析 由于旋挖钻机质量大，输出扭矩大，所以对旋挖钻机的主要部件进行力学分析是十分重要的，主要对旋挖钻钭钻进过程、回转机构运动和变幅机构变幅过程进行了动力分析。 挖钻斗动力 钻钭在钻土过程中，可将钻钭的掘削机构分为切削机构、装载机构和 112 1000i 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 9 摩擦机构，则动力头钻钭回转时切削阻力矩 见式 (2 (2 式中 k 掘削比阻力， 2 钭齿的切削刃后角； n 钻 钭齿数； h 钻钭一次掘削深度， m； 刀刃与土之间摩擦角； R 回转钭半径， m； 回转钭顶尖半径， m。 钻钭的装载机构为钻钭的内腔，一边靠切削刀切削，一边把切削下的土装入钭内。钻钭圆柱部分所消耗的阻力矩 见式 (2 222 4R （ Nm） (2 式中 K 土与钢的摩擦系数； 土的比重， kg/m； l 斗体高度， m； k 主动土压系数。 钻钭在掘削土 过程中，由于受钻杆的稳定性等因素的影响，钻钭与孔壁之间产生摩擦阻力矩，这个阻力矩可以利用朗肯主动土压理论来求解，摩擦阻力矩 见式 (2 M （ Nm） (2式中 R 钻钭半径， m； h 钻钭高度， m； 为土内部摩擦角； P 土侧压力， N。 钻钭受到总的阻力矩 见式 (2 3d 1 (2转 机构动力 回转过程的阻力矩包括风载阻力矩、坡阻力矩、摩擦阻力矩和惯性阻力矩构成。由于风载产生的阻力矩相对较小，所以忽略风载对钻机回转的影响。根据刚体绕定轴转动微分方程，则惯性阻力矩 见式 (2 210s i n s i n h t g R R 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 10 (2式中 t 为启动时间， s； 为回转角速度， s； J 为转动惯量， 为回转角， (2式中 分别为钻桅、动力头、钻杆、钻斗、上车转台、变幅机构质量， 为相应的回转半径， m。 摩擦阻力 矩可以表示为 见式 (2 (2 式中 k 为回转阻力系数； m； 为回转支承受总压力， N。 坡阻力 矩可以表示为 见式 (2 (2式中 坡道角度 钻机回转总的阻力矩可以表示为 见式 (2 (2设启动安全系数为 K，启动力矩 见式 (2 (2制动力矩 式 (2 (2式中 1 为减速机效率； 2 液压马达效率； 3 回转支承效率。 M J h f P M M fM 66 2i 1 i 1i i m r哈尔滨理工大学专科生毕业论文 11 幅机构动力 变幅机构作为钻机重要支承机构，以工作装置为研究对象，受力如图2示，对 D 点力矩 0D，列平衡方程 见式 (2 0)c o s (s (2 (2式中 为 G 点到 D 点距离， m； 为钻桅与水平面夹角； 为立桅油缸与钻桅夹角； 为工作装置重心与铰点 C、 D 构成的三角形夹角。 立桅杆受力 示为钻桅倾角 为函数为 见式 (2 )s )c o s (2)c o s (2D (2图 2作装置受力模型 以三角架为研究对象，受力如图 2示。利用截面法计算下臂对三角架的作用力 。相对于工作装置质量三角架自重忽略，对 B 点取 ，则 的受力平衡方程为 见式 (2 0 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 12 0)s c (2图 2角架受力模型 c o s c o s 0B X D X L F F (2 s i n s i n 0B Y D Y L F F (2联合求出下臂对三角架的作 用力 。 以上臂为研究对象受力如图 2示，对 A 点取力矩 ，则变幅油缸受力平衡方程 见 (2 0o ss (2由公式联立求出变幅油缸作用力 根据各工况求出变幅油缸最大受力 F F 0x0y13 图 2臂受力模型 章小结 本章通 过对旋挖钻机的功能原理分析，利用对功能元的求解方法，建立了旋挖钻机的形态学矩阵，并通过各功能元评价分析确定了旋挖钻机的方案。运用理论力学分析方法对旋挖钻机的钻孔转速、上车回转速度、卷扬提升速度以及变幅机构运动速度进行了理论推导，完成了的运动设计。并对钻进过程、上车回转和变幅过程中的阻力矩进行了分析。为下一章结构设计提供了理论依据。 哈尔滨理工大学专科生毕业论文 14 第 3章 旋挖钻机总体设计 挖钻机工作主要原件选型 旋挖钻机在各个工况中功率变化较大，为了提高液压系统的工作效率，选择变量泵系统。主泵选择力士乐变量泵，主阀选择为负载敏感式多路阀 。本文仅对马达和减速机进行选型，泵阀选择不做详细说明。 液压马达分为低速马达和高速马达，低速马达具有较好的低速稳定性，一般可以不需要变速装置直接传递扭矩，结构简单，但体积大、转动惯量大，制动时需要扭矩大，制动非常困难。高速马达体积小、重量轻、结构紧凑、转动惯量小、反映灵敏，但输出转速高、扭矩小、低速稳定性差，使用时必须配大减速比的减速机使用，制动一般都采用减速机高速端制动，所需扭矩小 13。本课题中采用高速马达和行星减速机构组成的驱动机构。选型根据运动参数和动力参数计算。根据前面计算，选用标准件如表 3 3示 表 3达型号 名称 型号 排量 mL/r 最大流量 L/大扭矩 Nm 卷扬 160 577 812 回转 10 405 458 动力头 300 580 1273 表 3速机 名称 型号 最 大 输 出 扭 矩Nm 减速比 i 卷扬 8429 115 回转 8000 60 动力头 3000 32 力头机构 动力头是旋挖钻机的关键工作部件，其性能好坏将直接影响钻机整机性能的发挥。动力头主要作用是驱动钻杆带动钻头回转，并提供钻孔所需的加压力、辅助提升力。动力头能根据不同的土层硬度自动调整转速与扭矩，以满足不同的工况高效率钻进。动力头设计具体结构如图 3示。 动力箱是动力头中主要支承件属于形状复杂箱体，焊接件具有成型工艺简单、易于修改、重量较轻，所以动力箱采用焊接结构。为了
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