数控转台弧面凸轮传动设计与仿真分析

摘要

随着社会的发展和科技的进步，数控机床的应用和普及也越来越广泛，数控转台作为数控机床的核心功能部件之一，其性能的高低对数控机床的整体加工精度影响较大，改进数控转台的传动机构使其具有重载、高速、高效率、动态性能良好等特点已经成为当下研究的热点。因弧面凸轮具有承载能力强，传动精度高等特点受到广泛应用，将弧面凸轮应用于数控转台传动对改善和提高转台的传动特性具重要的理论研究意义和实际应用价值。
　　本文以数控转台作为研究对象，针对牧野卧式加工中心的T2型数控转台，将弧面凸轮应用于该型数控转台的传动设计中。首先对弧面凸轮结构的主要尺寸进行设计，然后在UG软件中对其进行三维实体建模并导入有限元软件中进行静力分析和模态分析，最后对弧面凸轮机电耦合动力学特性进行了研究，主要研究内容和工作成果如下:
　　(1)根据弧面凸轮传动特点，采用回转变化张量法对弧面凸轮的工作廓面矢量方程、空间啮合方程、压力角和接触应力等进行了推导，并且根据数控转台的实际工作参数选定传动方案和电机，然后以推导的压力角和接触应力为约束设计条件，确定了弧面凸轮的主要结构尺寸，同时结合推导的压力角公式，讨论分析了结构尺寸参数对压力角的影响，指出了减小压力角的方法。
　　(2)根据推导的工作廓面矢量方程和空间啮合方程，采用UG软件对弧面凸轮进行了三维实体建模，同时为了便于比较，分别给出了圆柱滚子和圆锥滚子两种弧面凸轮的实体模型，并通过对两种类型弧面凸轮的运动仿真分析验证了模型建立和装配的正确性。
　　(3)采用ANSYS Workbench对圆柱滚子和圆锥滚子两种类型弧面凸轮进行有限元分析，分析在施加相同载荷情况下弧面凸轮的变形、应变和应力特性，结果发现存在较大应力的位置均为凸轮与转动盘滚子接触处，该情况与弧面凸轮实际工作状况相符合，验证了弧面凸轮静力分析的装配约束和载荷加载的正确性。对比两种类型的弧面凸轮静力特性，结果表明圆锥型滚子弧面凸轮的最大应力值399.21MPa要小于圆柱型滚子弧面凸轮的最大应力值425.14MPa，其静力学特性要优于圆柱型弧面凸轮，承载能力也更强，同时为了避免共振形成的过大应力，对弧面凸轮进行了模态分析并给出了相应的固有频率和振型。
　　(4)采用联合仿真的方法在ADAMS和Matlab/Simulink软件中对弧面凸轮的机电耦合动态特性进行研究，通过对弧面凸轮角速度，角加速度和接触应力的仿真曲线分析可以确定弧面凸轮满足数控转台连续传动的要求，并且转动盘运动规律与控制要求一致，证明所设计的弧面凸轮是可行的。对比PI控制前后的曲线，结果表明采用PI控制后的弧面凸轮受力情况和传动平稳性均得到较大改善。

目录

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摘要

目录

第1章 绪论

1．1 数控转台弧面凸轮传动的研究背景与意义

1．2 国内外研究现状和发展趋势

1．2．1 弧面凸轮运动学与几何学研究现状

1．2．2 弧面凸轮三维建模研究现状

1．2．3 弧面凸轮动力学特性研究现状

1．2．4 弧面凸轮机电耦合研究现状

1．2．5 弧面凸轮加工制造研究现状

1．3 研究的主要目的和内容

第2章 数控转台弧面凸轮传动机构设计

2．1 弧面凸轮的工作廓面矢量方程和空间啮合方程

2．1．1 弧面凸轮廓面矢量方程

2．1．2 弧面凸轮空间啮合方程

2．1．3 弧面凸轮压力角

2．2 弧面凸轮接触应力求解

2．2．1 弧面凸轮诱导曲率分析

2．2．2 弧面凸轮受力分析

2．3 弧面凸轮主要尺寸

2．4 弧面凸轮参数对压力角影响

2．5 数控转台弧面凸轮设计

2．6 本章小结

第3章 弧面凸轮三维实体建模和分析

3．1 弧面凸轮三维实体建模和运动仿真

3．1．1 三维实体建模软件介绍

3．1．2 凸轮基体和转动盘绘制

3．1．3 凸轮啮合曲线和工作廓面绘制

3．1．4 弧面凸轮装配与运动仿真

3．2 弧面凸轮静力学分析与模态分析

3．2．1 有限元软件简介

3．2．2 静力学分析

3．2．3 模态分析

3．3 本章小结

第4章 弧面凸轮传动机电耦合动力学研究

4．1 永磁同步电机数学模型

4．2 永磁同步的矢量控制原理

4．3 永磁同步电机在Matlab／Simulink中的仿真模块建立

4．3．1 坐标转换模块

4．3．2 PMSM模块

4．3．3 相逆变器与空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)模块

4．3．4 PI控制模块

4．3．5 永磁同步电机的Simulink控制框图

4．4 ADAMS软件介绍

4．5 弧面凸轮在ADAMS软件中的动态分析

4．5．1 ADAMS中的弧面凸轮模型创建

4．5．2 ADAMS中添加约束和载荷

4．5．3 基于ADAMS和Matlab的联合仿真

4．6 本章小结

第5章 研究总结与展望

致谢

参考文献

在学期间发表的学术论文