数控车削多面体机床的运动机理及其样机设计研究

摘要

在工程设计中，一些机械零件，为了满足其所需的工作性能要求，截面形状常设计成非圆形，如多面体、凸轮轴、曲轴、活塞等。与常规的圆截面零件相比，非圆截面零件在特定场合下具有独特的优越性。 随着生产的不断发展，非圆截面零件所占的比例日益增加，为了达到性能要求，其加工精度要求也随之提高，而相应的非圆截面零件紧密高效加工技术也成了当今加工技术研究的热点。 在回转体上加工多面体，由于精度要求高，加工面积小，一般难以加工，用车削的方法加工多面体，可以保证加工的效率和精度。本文运用矢量建模的方法，利用相对螺旋运动的知识对车削多面体的运动机理进行了研究，提出了三种车削多面体的方案，即：径向变速运动车削、变角速度车削和近似车削。为了比较各方案的优缺点，选择最合适的方案进行切削试验，对各方案的车削过程进行了仿真，得知近似车削是可行的方案，并对近似车削多面体的刀尖轨迹曲线进行了研究，计算出车削的误差。在此基础上，提出了多刀车削的方案，并对多刀车削的误差进行分析。 根据近似车削多面体的运动要求设计了车削多面体的样机的整体结构。根据车削多面体的运动机理，要给车刀增加一个旋转的运动，因此设计了一个动力头，由电动机直接驱动刀盘旋转。在动力头中，刀具轴是最重要的部件之一，所以对其进行重点分析。建立了其动力学模型，并计算出了其支承的刚度和阻尼。用有限元分析的方法，采用三维8节点等参单元对刀具轴的动力特性进行了分析计算。 根据有限元分析的内容，分析了原来设计的刀具轴存在的问题，分析了刀具轴跨距、刀具轴前端质量以及其轴向尺寸变化对其静、动特性的影响，对刀具轴部件的结构进行了动态改进设计。 根据数控机床设计方法及理论，结合车削多面体的运动机理，进行了样机的工艺范围及其总体方案设计，确定了机床的主要参数。进行了车削多面体的样机的试制，并为动力头选择了合适的电动机。采用基于DSP技术的多轴运动控制器对样机的各轴进行实时的运动控制，设计了车削多面体机床的数控系统及主传动系统。 最后在多刀车削误差分析的基础上，得出有工件半径和误差表示的刀尖回转半径的表达式，取正四边形棱柱为例，进行了工件的试切，验证了车削多面体公式的正确性。

目录

文摘

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致谢

第一章绪论

1.1引言

1.2数控技术国内外研究现状

1.2.1数控装置

1.2.2进给伺服驱动系统

1.2.3数控机床的工况检测、临近和故障诊断

1.2.4先进的机床制造技术

1.2.5我国数控技术的现状

1.3异形截面的加工技术及发展

1.3.1加工方法及特点

1.3.2车削加工

1.3.3数控车削加工异形截面技术的发展

1.4机械结构动态分析与优化设计概述

1.4.1研究内容

1.4.2机械结构动力学分析

1.4.3机械结构动力学建模方法

1.4.4机械结构动力修改

1.4.5结构动态优化设计

1.5本研究的课题来源、目标和内容

1.5.1课题来源

1.5.2项目的背景、意义

1.5.3课题研究目标

1.5.4本论文的主要研究工作

1.5.5本论文的主要内容

1.6本章小结

第二章车削多面体运动机理及结构方案研究

2.1引言

2.2刚体运动

2.2.1速度

2.2.2螺旋运动

2.3相对运动

2.3.1相对速度

2.3.2相对螺旋运动

2.4车削多面体运动机理方案研究

2.4.1径向变速 运动车削

2.4.2变角速度车削

2.4.3近似车削多面体

2.5本章小结

第三章车削多面体仿真

3.1引言

3.2径向变速运动车削仿真

3.3变角速度车削仿真

3.4近似车削多面体仿真

3.4.1车削多面体轨迹曲线的研究

3.4.2误差分析

3.4.3多刀车削仿真

3.5本章小结

第四章刀具轴动力特性的分析计算

4.1引言

4.2刀具轴部件动力特性的分析和评价

4.2.1抵抗受迫振动的能力

4.2.2抵抗切削自振的能力

4.3刀具轴部件动力特性的计算

4.3.1刀具轴部件动力学模型的建立

4.3.2轴承径向负荷的计算

4.3.3刀具轴支承的刚度

4.3.4刀具轴部件的阻尼

4.3.5有限元计算的动力方程的建立

4.3.6刀具轴固有频率和固有振型计算

4.3.7刀具轴临界转速分析

4.3.8刀具轴系统固有频率和固有振型的计算

4.3.9动力响应计算

4.4本章小结

第五章刀具轴部件动态改进设计

5.1引言

5.2原刀具轴部件存在的问题

5.2.1静力分析

5.2.2有限元分析

5.3前轴承位置变化对刀具轴部件静、动特性的影响分析

5.4刀盘质量变化对系统静、动特性的影响分析

5.5刀具轴轴向尺寸变化对系统静、动特性的影响分析

5.6前轴承刚度变化对系统静、动特性的影响分析

5.7刀具轴部件结构的改进设计

5.8改进后刀具轴部件的固有频率测试

5.8.1实验条件

5.8.2实验方案

5.8.3实验结果

5.9本章小结

第六章车削多面体的样机研究

6.1引言

6.2数控机床设计方法和理论

6.2.1机床设计方法

6.2.2机床设计步骤

6.2.3机床设计的基本理论

6.3样机的总体设计

6.3.1样机的工艺范围及其总体方案设计

6.3.2样机主要参数的设计

6.4主传动系统设计

6.5数控系统设计

6.6动力头设计

6.6.1动力头结构的设计

6.6.2伺服电动机的选择

6.7工件试切

6.7.1刀尖回转半径的确定

6.7.2工件的试切

6.8本章小结

第七章全文总结与展望

7.1全文总结

7.2论文主要创新点

7.3今后工作展望

参考文献

攻读博士学位期间参加的科研项目及发表的学术论文