開題報告-回轉(zhuǎn)工作臺

上海電機學(xué)院課題名稱回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)教師 與有限元分析 機械學(xué)院 機械設(shè)計制造及其自動化定稿日期：2011年12月21日1回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析1選題背景及其意義近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和國防建設(shè)的需要，對高檔數(shù)控機床提出了急迫的大量需求。機床制造業(yè)是一國工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達工業(yè)化國家，也無不高度重視。機床是一個國家制造業(yè)水平的象征。而臥式加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數(shù)控機床，是典型的集高新技術(shù)于一體的機械加工設(shè)備。它的發(fā)展代表了一個國家的設(shè)計、制造水平，并滲透到現(xiàn)代加工的各個部門。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺是一種可以實現(xiàn)圓周進給和分度運動的工作臺，它常被使用于臥式的鏜床和加工中心上，回轉(zhuǎn)工作臺可以與X、Y、Z三個坐標軸聯(lián)動，從而加工出各種球、圓弧曲面等。回轉(zhuǎn)工作臺可以實現(xiàn)精確的自動分度，擴大了數(shù)控機床加工范圍，提高加工效率，完成更多的工藝，它主要由原動力、齒輪傳動、蝸桿傳動、工作臺等部分組成，并可進行間隙消除和蝸輪加緊，是一種很實用的加工工具。本課題主要通過對TH6363臥式加工中心機械結(jié)構(gòu)、工況的分析，結(jié)合其剛度性能設(shè)計指標要求，設(shè)計出回轉(zhuǎn)工作臺，并建立有限元分析模型?；贏NSYS平臺針對工作臺進行剛度分析，找出了工作臺的最大應(yīng)力、應(yīng)變部位，并對其剛度進行校核計算。2文獻綜述(國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢)2.1國內(nèi)外數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的研究現(xiàn)狀2.1.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀當前，國產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控機床在品種上已經(jīng)擁有立式、臥式、龍門式和落地式的加工中心，適應(yīng)不同大小尺寸的雜零件加工，加上五軸聯(lián)動銑床和大型鏜銑床以及車銑中心等的開發(fā)，基本涵蓋了國內(nèi)市場的需求。精度上，北京機床研究所的高精度加工中心、寧江機械集團股份有限公司的NJ25HMC40臥式加工中心、和交大昆機科技股份有限公司的TH61160臥式鏜銑加工中心都具有較高的精度，可與發(fā)達國家的產(chǎn)品相媲美。在產(chǎn)品市場銷售上，江蘇多棱、濟南二機床、北京機電研究院、寧江機床、桂林機床、北京一機床等企業(yè)的產(chǎn)品已獲得國內(nèi)市場的認同。而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床和加工中心上。由于我國機床附件廠資金緊張，造成技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)改造的力度不大，使附件水平的發(fā)展嚴重滯后，成為制約民族機床工業(yè)發(fā)展的瓶頸。國產(chǎn)回轉(zhuǎn)工作臺配套件2在產(chǎn)品質(zhì)量、性能、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、品牌信譽、外觀造型、精度穩(wěn)定性等方面與發(fā)達國家相比都存在一定的差距，但在產(chǎn)品的價格、交貨期和售后服務(wù)上占有較大的優(yōu)勢。有限元分析方面，四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院的秦柱學(xué)，殷國富，陳珂，周軍，駱軍軍等人基于ANSYS平臺針對THS6350高速臥式加工中心回轉(zhuǎn)工作臺進行剛度分析找出了工作臺的最大應(yīng)力，應(yīng)變部位，并對其剛度進行了校核計算。該回轉(zhuǎn)工作臺能連續(xù)分度在其圓周方向有進給運動和分度運動，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件較多，分析建模時有必要合理簡化。建模時把內(nèi)部靠螺栓連接的小零部件都固連在一起，工作臺可簡化為通過與床身連接的4顆緊固螺釘所固定的轉(zhuǎn)臺座和在蝸輪的帶動下作回轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)動臺組成，轉(zhuǎn)動臺與轉(zhuǎn)臺座之間通過圓柱滾子軸承連接2。2.1.2國外研究現(xiàn)狀國外五軸聯(lián)動數(shù)控機床是為適應(yīng)多面體和曲面零件加工而出現(xiàn)的。隨著機床復(fù)合化技術(shù)的新發(fā)展，在數(shù)控車床的基礎(chǔ)上，又很快生產(chǎn)出了能進行銑削加工的車銑中心。五軸聯(lián)動數(shù)控機床的加工效率相當于兩臺三軸機床，有時甚至可以完全省去某些大型自動化生產(chǎn)線的投資，大大節(jié)約了占地空間和工作在不同制造單元之間的周轉(zhuǎn)運輸時間及費現(xiàn)在復(fù)合機床主流形式是以車銑復(fù)合加工實現(xiàn)工序集約。以加工中心為基礎(chǔ)設(shè)計的車銑復(fù)合機床，數(shù)控回轉(zhuǎn)軸還具有車削主軸的功能，并起著工作臺面的作用。圖2-1所軸車銑復(fù)合加工中心，是以臥式加工中心為基礎(chǔ)設(shè)計的復(fù)合機床。工作臺作為C軸，既要有高的轉(zhuǎn)矩，也能實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速輸出，該機工作銑削(即為數(shù)控回轉(zhuǎn)軸)/車削轉(zhuǎn)速20/500r/min,5軸的另一回轉(zhuǎn)軸為B軸，采用主軸頭的擺動形式，B。式),回轉(zhuǎn)速度30r/min[2]。圖2-132.2國內(nèi)外數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的發(fā)展趨勢目前數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床和加工中心上，它的總的發(fā)展趨勢是：1.在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開發(fā)小型和大型轉(zhuǎn)臺；2.在性能上將研制以鋼為材料的蝸輪，大幅度提高工作臺轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)臺的承載能力；3.在形式上繼續(xù)研制兩軸聯(lián)動和多軸并聯(lián)回轉(zhuǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的市場分析：隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，加工中心將會越來越多地被要求配備第四軸或第五軸，以擴大加工范圍。估計近幾年要求配備數(shù)控轉(zhuǎn)臺的加工中心將會達到每年600臺左右。預(yù)計未來5年，雖然某些行業(yè)由于產(chǎn)能過剩、受到宏觀調(diào)控的影響而繼續(xù)保持著較低的行業(yè)景氣度外，部分裝備制造業(yè)將有望保持較高的增長率，特別是那些國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵振興和發(fā)展的裝備子行業(yè)。作為裝備制造業(yè)的母機，普通工機床將獲得年均15%—20%左右的穩(wěn)定增長。隨著數(shù)控功能部件的發(fā)展，精密回轉(zhuǎn)工作臺對功能部件的依賴性越來越大。從某種程度上講，功能部件的發(fā)展水平代表了主機的發(fā)展水平，其可靠性、先進性尤為突出。精密回轉(zhuǎn)工作臺球面蝸輪副具有瞬時多齒接觸、磨損小、精度保持持久等優(yōu)點。而且采用球面蝸輪副后，轉(zhuǎn)臺承載能力提高3倍以上。該設(shè)備采用氣壓制動，制動迅速、可靠、耐重切削。其密封采用國外先進公司的產(chǎn)品，防滲漏性能優(yōu)異。采用高精密軸承，精度保持性能好。數(shù)控機床功能部件的產(chǎn)品水平與10年前相比，有了很大的提高。經(jīng)過近20年的發(fā)展，數(shù)控分度頭、數(shù)控刀架產(chǎn)品的品種不斷完善，主要性能和可靠性有較大提高。數(shù)控刀架、數(shù)控轉(zhuǎn)臺、數(shù)控分度頭已能滿足中低檔數(shù)控機床的配套需求。同時也要認識大，為高檔數(shù)控機床配套的數(shù)控附件產(chǎn)品，與國外產(chǎn)品比還有一定差距。在今后幾年中，我國機床附件廠要發(fā)展中檔次品種，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能水平和可靠性的同時，跟蹤學(xué)習(xí)發(fā)達國家的先進技術(shù)，并在產(chǎn)品創(chuàng)新，提高工藝水平上多下功夫；總結(jié)經(jīng)驗，加強產(chǎn)、學(xué)、研的結(jié)合，走專業(yè)化生產(chǎn)的路子，面向市場，參與競爭，滿足主機發(fā)展的需要。3研究內(nèi)容3.1數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的原理與應(yīng)用3.2機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.3齒輪，軸，渦輪蝸桿的設(shè)計3.4UG建模，出裝配圖和零件圖，總裝圖A01張，各零件圖幾張。3.5基于ANSYS的工作臺的剛度有限元分析，應(yīng)力、應(yīng)變圖2張。3.6撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。44研究方案4.1總體方案數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺采用齒輪傳動，動力源用步進電機，總體可以實現(xiàn)圓周進給和分度運動，工作臺的參數(shù)：回轉(zhuǎn)直徑400mm;回轉(zhuǎn)角度±180°,分度精確度45’,最大承載4.2傳動方案傳動時應(yīng)滿足的要求：數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺一般由原動機、傳動裝置和工作臺組成，傳動裝置在原動機和工作臺之間傳遞運動和動力，并可實現(xiàn)分度運動。在本課題中，原動機采用應(yīng)采用步進電機，工作臺為T形槽工作臺，傳動裝置由齒輪傳動和蝸桿傳動組成。合理的傳動方案主要滿足以下要求：(1)機械的功能要求：應(yīng)滿足工作臺的功率、轉(zhuǎn)速和運動形式的要求。(2)工作條件的要求：例如工作環(huán)境、場地、工作制度等。(3)工作性能要求：保證工作可靠、傳動效率高等。(4)結(jié)構(gòu)工藝性要求；如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、使用維護便利、工藝性和經(jīng)濟合理等。4.3傳動方案及其分析由圖4-1所示，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的傳動方案有兩種：方案一為一級和二級都是齒輪傳動；方案二為一級齒輪傳動，二級蝸桿傳動。5方案一的最大缺陷是：2.占用空間大。3.只能使工作臺完成回轉(zhuǎn)功能，無法使工作臺完成自鎖。而方案二雖然傳動效率低，但以上三個功能全部都能完成自鎖。所以數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺傳動方案為方案二：步進電機——齒輪傳動——蝸桿傳動——齒輪傳動承受載能力較高,傳遞運動準確、平穩(wěn)，傳遞功率和圓周速度范圍很大，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。蝸桿傳動有以下特點：1.傳動比大，在分度機構(gòu)中可達1000以上。與其他傳動形式相比，傳動比相同時，機構(gòu)尺寸小，因而結(jié)構(gòu)緊湊。2.傳動平穩(wěn)蝸桿齒是連續(xù)的螺旋齒，與蝸輪的嚙合是連續(xù)的，因此，傳動平穩(wěn)，3.可以自鎖當蝸桿的導(dǎo)程角小于齒輪間的當量摩擦角時，若蝸桿為主動件，機構(gòu)將自鎖。這種蝸桿傳動常用于起重裝置中。4.效率低、制造成本較高蝸桿傳動方面：齒面上具有較大的滑動速度，摩擦磨損大，故效率約為0.7-0.8,具有自鎖的蝸桿傳動效率僅為0.4左右。為了提高減摩擦性和耐磨性，蝸輪通常采用價格較貴的有色金屬制造。由以上分析可得：將齒輪傳動放在傳動系統(tǒng)的高速級，蝸桿傳動放在傳動系統(tǒng)的低速級，傳動方案較合理。4.4鎖緊方案當工作臺靜止時，工作臺必須處于鎖緊狀態(tài)，所以，必須要有鎖緊裝置。圖4-2為蝸輪鎖緊裝置簡圖。圖4-2夾緊裝置6當工作臺要鎖緊時，油缸的上腔連通壓力油，活塞向下壓向鋼球，撐開壓緊瓦，從而夾緊蝸輪；當工作臺需要回轉(zhuǎn)時，油缸上腔連通回路，在彈簧的作用下，鋼球抬起，夾緊瓦松開蝸輪，工作臺就能轉(zhuǎn)動。4.5有限元分析方案回轉(zhuǎn)工作臺的有限元分析的方案具體為UG軟件進行三維模型的建立，再導(dǎo)入到ANSYS軟件中，并對其約束與工況載荷進行了計算與導(dǎo)入，基于ANSYS平臺對工作臺進行剛度分析找出了工作臺的最大應(yīng)力，應(yīng)變部位，并對其剛度進行了校核計算。在建立有限元分析模型時應(yīng)該注意的幾點：建立有限元模型過程中要對原模型結(jié)構(gòu)進行合理的簡化。在劃分網(wǎng)格過程中，應(yīng)注意粗細得當，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力比較高的地方要分的細些，結(jié)構(gòu)簡單的地方可以粗點，總的來說，在保證分析精度的情況下，盡量簡化，能用二維的不用三維。3.確定邊界條件在對結(jié)構(gòu)進行分析時，要確定正確的邊界條件，同時也要考慮邊界條件對分析結(jié)果5進度計劃2011年11月----2011年12月：查閱文獻資料，撰寫開題報告和文獻翻譯。12月24日-12月30日：開題報告答辯。2012年01月----2012年02月：設(shè)計數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)部分。2012年02月----2012年03月：做出裝配圖和零件圖。2012年03月----2012年04月：ANSYS進行有限元分析。2012年4月9日-4月15日：畢業(yè)設(shè)計(論文)中期檢查。2012年04月----2012年05月：撰寫畢業(yè)設(shè)計說明，準備答辯。2012年05月26日-06月05日：畢業(yè)設(shè)計(論文)答辯。7參考文獻[1]陳于萍，周兆元主編，互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)，北京：機械工業(yè)出版社，2005.10[2]韓文淵，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺[J].機械制造，2010[3]成大先主編，機械設(shè)計手冊，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.1[4]曾艷明，李繼偉主編，加工中心操作工，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.5[5]李勇，李偉光主編，機械設(shè)備數(shù)控技術(shù)，北京：國防工業(yè)出版社，2007.9[6]王愛玲主編，數(shù)控加工中心編程與操作，北京：電子工業(yè)出版社，2008.6[7]張樂樂，譚南林，焦風(fēng)川主編，ANSYS輔助分析應(yīng)用基礎(chǔ)教程，北京：清華謝里陽大學(xué)出版社，2006.3[8]謝里陽主編，現(xiàn)代設(shè)計方法，北京：機械工業(yè)出版社，2010.6[9]濮良貴，紀名剛主編，機械設(shè)計，北京：高等教育出版社，2006.5[10]金清肅主編，機械設(shè)計課程設(shè)計，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.10[11]崔旭芳.數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的原理和設(shè)計[J].磚瓦，2008,(3):23-27[12]秦柱學(xué)，殷國富，陳珂，周軍，駱軍軍，高速臥式加工中心回轉(zhuǎn)工作臺剛度有限元分析方法[J].機械制造，2011[13]羅敏，用分度數(shù)控軸實現(xiàn)加工中心工作臺分度功能的設(shè)計方法，[J].制造技術(shù)與機床，2007.2:35-38[15]王知行，鄧宗全主編，機械原理，北京：高等教育出版社，2006.5金屬加工(冷加工),2011[19]baksi;stanley.DYNAMICSTRESSANALYSISOFANEPICYCLICGEAR[20]HuiWang;NingZupropertiesbasedonANSYS,[J].InformationScienceandEngineering(ICISE),20108指導(dǎo)教師意見9開題答辯小組意見1、