高精度重型数控机床C轴分度装置的设计及分析

论文摘要

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。

论文目录

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