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高精度重型数控机床C轴分度装置的设计及分析

作　者: 吴贵成
导　师: 富宏亚
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 回程误差 双伺服电机消隙 C轴控制 精密分度定位
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


在数控车铣加工中心中,C轴即绕主轴(Z轴)的回转轴,与其它进给轴联动进行插补,可以实现主轴的精确定位,完成特殊轨迹的加工。在一次装夹中,具有C轴插补功能的机床可实现多工序、复合化加工,大大地提高其加工范围,提高了大型复杂零件的加工精度。高精度重型数控机床是实现大型精密零部件加工的必备设备,机床C轴分度进给系统的设计是提高零件加工精度的关键技术。同时,无间隙、传动刚度高、阻尼特性好、传动效率高的分度装置,是车铣加工中心C轴传动进给系统的必备条件。本文通过对机床分度进给系统的发展和应用的回顾,总结了国内外机床C轴分度进给系统的发展状况,对西门子840D数控系统控制双伺服电机驱动双齿轮消隙、双导程蜗轮蜗杆消除传动间隙的原理分析研究后,初步设计了高精度重型数控机床C轴分度进给系统,并进行了有限元分析和优化设计,最后对机床主轴进行了综合分析、对比分析和算法验证。本文基于Siemens 840D数控系统的预载功能、静力和模态有限元分析以及优化设计理论三者相结合,对机床C轴分度进给系统进行初步设计、有限元协同仿真分析和优化优化。研究结果表明,本文提出的设计方法和分析方案满足机床C轴设计的要求,达到了高精度重型数控机床主轴定位的精度要求,其方法可应用于工程实际问题的分析和设计。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 机床C 轴及分度装置的发展概况  10-13
  1.3 齿轮传动系统动力学研究发展概况  13-14
  1.4 以往研究的不足和本文的主要研究内容  14-16
第2章 机床C 轴分度装置消隙结构的设计  16-30
  2.1 概述  16-18
  2.2 机床C 轴分度进给系统消隙原理  18-22
    2.2.1 西门子840D 系统控制双伺服电机消隙  18-20
    2.2.2 双伺服电机驱动机床C 轴消隙过程分析  20-21
    2.2.3 双导程蜗轮蜗杆传动消隙  21-22
  2.3 伺服电机的选择及系统惯量匹配  22-26
    2.3.1 转速计算  23
    2.3.2 电机负载扭矩计算  23-24
    2.3.3 定位加速时的最大转矩计算  24-25
    2.3.4 伺服进给系统的惯量匹配  25-26
  2.4 双电机驱动机床C 轴分度装置的设计  26-29
    2.4.1 双伺服电机驱动机床C 轴分度装置的方案设计  26-27
    2.4.2 双伺服电机驱动机床C 轴分度装置功能的实现  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章 机床C 轴分度装置的协同仿真分析  30-49
  3.1 ANSYS Workbench 的协同仿真分析  30-31
  3.2 机床C 轴分度装置几何模型的建立  31-36
    3.2.1 齿轮的二维轮廓线的建立  31-32
    3.2.2 渐开线斜齿轮三维实体模型的建立  32-35
    3.2.3 主轴箱三维实体模型的建立  35
    3.2.4 机床C 轴分度装置的装配  35-36
  3.3 机床C 轴分度装置有限元模型的建立  36
  3.4 机床C 轴分度装置的分析  36-47
    3.4.1 接触设置  37-38
    3.4.2 材料参数设置  38-39
    3.4.3 网格划分  39-43
    3.4.4 边界条件及载荷  43-44
    3.4.5 求解和结果查询  44-47
  3.5 结果分析  47-48
  3.6 本章小结  48-49
第4章 机床C 轴优化设计和主轴的综合分析  49-62
  4.1 机床C 轴有限元分析  49-53
    4.1.1 有限元参数化建模  49
    4.1.2 网格划分及材料属性  49-50
    4.1.3 分析类型和边界条件设置  50
    4.1.4 求解和查看结果  50-53
  4.2 机床C 轴的优化设计  53-58
    4.2.1 优化参数设置  54-55
    4.2.2 计算和目标函数的设置  55-56
    4.2.3 生成优化点  56
    4.2.4 查看优化结果  56-58
    4.2.5 更新设计模型  58
  4.3 机床主轴变形的综合分析  58-61
    4.3.1 算法验证分析  59-60
    4.3.2 主轴变形计算  60-61
  4.4 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-67
致谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属切削加工及机床 > 程序控制机床、数控机床及其加工
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