切点跟踪磨削法核心技术的研究

论文题目: 切点跟踪磨削法核心技术的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 许第洪

导师: 孙宗禹,周志雄

关键词: 非圆磨削,切点跟踪磨削,运动模型,误差补偿,系统,逆动力学,动态优化设计,磨削试验

文献来源: 湖南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 曲轴和凸轮轴是汽车发动机和其它内燃机的关键零件,需求量大,种类众多,加工精度要求高。因曲轴和凸轮轴的加工精度对发动机的性能起决定性的作用,所以其加工质量和加工效率将直接影响到汽车产品的质量和汽车工业的发展。为了实现曲轴和凸轮轴磨削加工的高效率、高精度和高柔性,提出了切点跟踪磨削法。本文系统地研究了根据切点跟踪磨削法原理设计曲轴磨床和凸轮轴磨床将涉及到的主要核心技术问题。 根据零件的特点分别建立了非圆零件切点跟踪磨削的运动模型。对曲轴连杆颈的切点跟踪磨削建立了两个运动模型,一个是按磨削点在连杆颈上匀速运动的原则建立的,提出了通过坐标转换把曲轴的切点跟踪磨削转换成典型的外圆磨削宋进行分析的新思路,并从运动学的角度分析了切点跟踪磨削法对加工误差的影响,探讨了切点跟踪运动对当量磨削厚度和磨削力的影响及变化规律,给出了修正后的运动模型;另一个是按砂轮架动力学特性最优的原则建立的,该模型能有效地减小砂轮架跟踪滞后导致的加工误差。基于磨削点恒线速运动的原则建立了凸轮切点跟踪磨削的运动方程,若满足恒线速磨削的条件,则砂轮架的加速度会比较大,一般会超过伺服电机的额定值,为了提高磨削效率,提出了分段恒线速磨削的修正算法。 以曲轴磨床为例分析了切点跟踪磨削法的磨削机理,探讨了磨床的结构设计、控制系统设计和其它相关的核心技术,分析了影响曲轴切点跟踪磨削法加工精度的因素以及提高加工精度的措施。采用数值仿真技术分析了采用切点跟踪磨削法磨削曲轴连杆颈时,影响磨削精度的主要误差源对尺寸精度和形状精度的影响程度和变化规律,分析了各误差源对曲轴连杆颈圆度形貌的影响,并提出了相应的误差补偿模型。 针对切点跟踪磨削法开发了一套专用的CAM系统,探讨了CAM系统的框架结构和各功能模块的基本功能,研究了各功能模块之间的信息传输并绘制了CAM系统的数据流图。讨论了CAM系统和磨床CNC系统之间的区别及二者的相互关系,使切点跟踪磨削法的工业解决方案(CAM系统+CNC系统)更加清晰和完整。 探讨了砂轮架伺服系统和机械传动系统之间的关系,建立了砂轮架机械传动系统的逆动力学方程。基于MATLAB/Simulink/SimMechanics开发了砂轮架逆动力学仿真软件,通过磨削曲轴连杆颈的典型算例,分析了砂轮架的运动规律与伺服电机的驱动力矩之间的关系,探讨了磨削力、摩擦力、头架转速、砂轮架质量和丝杆导程等因素对驱动力矩和速度的影响。利用通用多刚体动力学软件的仿真结果验证了砂轮架逆动力学仿真软件的正确性。 在分析砂轮架设计准则的基础上建立了砂轮架的动力学模型。在通用有限元软件ANSYS的基础上,利用APDL语言开发了专用的、参数化的砂轮架动态优化设计软

论文目录:

摘要

ABSTRACT

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 课题的背景

1.1.1 传统的曲轴磨削加工方法

1.1.2 传统的凸轮轴磨削加工方法

1.1.3 切点跟踪磨削法

1.2 切点跟踪磨削法的研究现状及发展趋势

1.2.1 国外切点跟踪磨削法的研究现状

1.2.2 国外切点跟踪磨削法的发展趋势

1.2.3 国内切点跟踪磨削法的研究现状

1.3 切点跟踪磨削法核心技术综述

1.3.1 切点跟踪磨削法运动模型的研究

1.3.2 误差补偿技术

1.3.3 切点跟踪磨削法专用CAM系统

1.3.4 机床动力学及动态优化设计

1.3.5 其他核心技术的进展

1.4 选题的意义及主要研究内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 研究的目的和意义

1.4.3 主要研究内容

第2章 切点跟踪磨削法运动模型的研究

2.1 切点跟踪磨削法运动方程的结构及建立原则

2.1.1 运动方程的结构

2.1.2 影响磨削质量的基本参数

2.1.3 建立运动学方程的原则

2.2 基于恒线速运动原则建立磨削曲轴连杆颈的运动方程

2.2.1 按磨削点恒线速运动建立运动方程

2.2.2 运动特性分析

2.2.3 当量磨削厚度与磨削力的变化规律

2.2.4 运动方程修正

2.3 基于恒线速运动原则建立磨削凸轮的运动方程

2.3.1 砂轮架的往复运动方程

2.3.2 头架变速旋转的运动方程

2.3.3 加速度校验

2.3.4 数值算法与仿真算例

2.3.5 分段恒线速磨削运动方程

2.3.6 磨削效果对比

2.4 基于砂轮架动力学特性建立连杆颈磨削运动方程

2.4.1 砂轮架运动模型的建立

2.4.2 砂轮架运动模型的反函数的数值解法

2.4.3 运动模型及仿真算例

2.5 本章小结

第3章 切点跟踪磨削法加工误差分析

3.1 曲轴磨床的结构原理与误差源分析

3.1.1 曲轴磨床的结构原理

3.1.2 切点跟踪磨削法的加工精度分析

3.1.3 误差补偿技术

3.2 机床特性对加工误差的影响

3.2.1 砂轮半径误差对加工误差的影响

3.2.2 砂轮中心高误差对加工误差的影响

3.2.3 跟踪滞后对加工误差的影响

3.2.4 磨削力变化对加工误差的影响

3.3 工件(曲轴)特性对加工误差的影响

3.3.1 曲轴的刚度对加工误差的影响

3.3.2 扭转力引起的变形

3.3.3 曲轴的振动变形

3.4 砂轮架惯性对加工误差的影响

3.5 误差补偿模型

3.5.1 圆度误差的形貌研究

3.5.2 误差补偿模型

3.6 本章小结

第4章 切点跟踪磨削法CAM系统的研究

4.1 系统分析

4.1.1 CAM系统需求分析

4.1.2 数据流图

4.1.3 菜单结构

4.2 工件加工特征建模

4.2.1 曲轴与凸轮轴加工特征提取

4.2.2 特征输入

4.2.3 数据存储结构

4.3 运动方程

4.3.1 模块的功能与界面

4.3.2 数据存储结构

4.4 误差分析与误差补偿

4.4.1 工件刚度误差分析

4.4.2 磨床结构几何误差分析

4.4.3 误差综合与补偿

4.5 根据误差测量结果进行误差补偿

4.6 CAM系统的开发

4.7 本章小结

第5章 砂轮架逆动力学仿真模型的研究

5.1 逆动力学仿真的研究内容与软件平台

5.1.1 机械传动系统与伺服系统的关系

5.1.2 多体动力学仿真软件

5.1.3 砂轮架传动系统逆动力学研究的目标

5.2 砂轮架传动系统的受力分析

5.2.1 驱动载荷

5.2.2 磨削力

5.2.3 摩擦力

5.2.4 惯性力

5.3 砂轮架传动系统逆动力学仿真软件的研究

5.3.1 分析流程与数据流图

5.3.2 基础模型

5.3.3 磨削力模型

5.3.4 摩擦力模型

5.3.5 系统模型

5.4 仿真算例

5.4.1 仿真输入数据

5.4.2 摩擦力和磨削力对驱动力矩的影响

5.4.3 砂轮架质量对驱动力矩的影响

5.4.4 头架(曲轴)旋转速度对驱动力矩的影响

5.4.5 曲轴偏心距对驱动力矩、丝杆角加速度的影响

5.4.6 砂轮半径对驱动力矩、角加速度的影响

5.4.7 丝杆导程对驱动力矩、角加速度的影响

5.5 用ADAMS对砂轮架机械传动系统进行运动仿真

5.5.1 磨削运动方程与多体动力学软件的数据交换

5.5.2 作用在丝杆上的角速度、角加速度、驱动力矩

5.5.3 摩擦系数对驱动力矩的影响

5.5.4 磨削力对驱动力矩的影响

5.5.5 工件转速对丝杆的角速度、角加速度、驱动力矩的影响

5.5.6 丝杆导程对角速度、角加速度和驱动力矩的影响

5.6 本章小结

第6章 砂轮架的动态优化设计及灵敏度分析

6.1 对砂轮架机械传动系统进行运动仿真

6.1.1 磨床动力学设计的任务

6.1.2 动态优化设计的基本过程

6.1.3 本章研究内容

6.2 砂轮架动态优化设计软件的研究

6.2.1 砂轮架结构及受力分析

6.2.2 结构尺寸设计准则

6.2.3 有限元模型与单元选择

6.2.4 约束与载荷

6.2.5 模态分析

6.2.6 谐响应分析

6.2.7 优化设计

6.2.8 设计变量的灵敏度分析

6.2.9 砂轮架动态优化设计软件的数据流图

6.3 砂轮架优化设计算例

6.3.1 结构尺寸、载荷、优化变量

6.3.2 模态分析结果

6.3.3 谐响应分析结果

6.3.4 优化设计

6.3.5 设计变量的灵敏度分析

6.4 砂轮架结构的改进与仿真分析

6.4.1 结构改进方案与优化变量

6.4.2 改进方案的模态分析

6.4.3 改进方案的谐响应分析

6.4.4 改进方案的动态优化设计

6.4.5 改进方案评估

6.5 本章小结

第7章 切点跟踪磨削法的试验研究

7.1 试验准备

7.1.1 数控磨床

7.1.2 试验装置与设备

7.1.3 实验环境

7.1.4 试验流程

7.2 切点跟踪磨削法磨削力试验

7.2.1 试验目的

7.2.2 磨削力测量

7.3 曲轴刚度及误差补偿模型的试验

7.3.1 试验目的

7.3.2 曲轴刚度计算公式

7.3.3 曲轴刚度的测试试验

7.4 曲轴切点跟踪磨削原理与运动方程的验证

7.4.1 试验目的

7.4.2 试验方法与步骤

7.4.3 试验过程及结果

7.5 砂轮架跟踪滞后试验

7.5.1 试验目的及方法

7.5.2 砂轮架跟踪滞后试验

7.6 砂轮架中心高误差补偿试验

7.6.1 试验目的

7.6.2 试验方法及步骤

7.6.3 试验过程及结果

7.7 曲轴切点跟踪磨削法试验结论

7.8 凸轮轴切点跟踪磨削试验

7.8.1 试验目的与试验方法

7.8.2 试验过程及结果

7.8.3 凸轮轴切点跟踪磨削试验结论

7.9 本章小结

第8章 结论与展望

8.1 全文总结

8.2 研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 潍坊495凸轮轴检测结果

发布时间: 2006-05-10

参考文献

• [1].红外材料非球面透镜的超精密磨削加工关键技术研究[D]. 陈冰.哈尔滨工业大学2016

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