分度凸轮虚拟切削加工系统研究

论文题目: 分度凸轮虚拟切削加工系统研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 郭培全

导师: 黄传真

关键词: 分度凸轮,虚拟切削加工系统,加工工艺,动力学模型,物理仿真

文献来源: 山东大学

发表年度: 2005

论文摘要: 分度凸轮虚拟切削加工系统能够全面、逼真地反映现实的切削加工环境和分度凸轮廓形的切削加工过程,能对加工中出现的碰撞、干涉进行检查,能够在设计阶段了解其可加工性和工艺规程的合理性、评估和预测加工精度,并进行改进设计。虚拟切削加工系统的应用,能够缩短产品的开发周期,保证产品性能和质量,降低开发和制造成本,全面提升分度凸轮的设计和制造水平。本文从分度凸轮铣削加工的切削力建模和加工方法研究入手,研究了分度凸轮加工数控机床、分度凸轮虚拟切削加工系统框架、虚拟切削加工系统的建模及NC代码翻译等关键技术。在建立了切削刃方程和切削力方向的单位矢量表达式的基础上,将刀具沿轴线离散化,并引入窗口函数,建立起了切削力模型,导出了切削力计算公式。分析了进给运动的变化规律,导出了切削厚度计算公式。进行了切削力仿真,研究结果表明:(1) 加工分度盘分度运动对应的凸轮廓形时,主轴摆动的进给速度由零增至最大值,然后由最大值减小至零,与之相对应,切削面积的最大值、切削力的最大值也由最小值变到最大值,再由最大值变到最小值。(2) 加工分度盘位置保持阶段对应的凸轮廓形时,主轴摆动的进给速度为零,切削面积的最大值、切削力的最大值保持不变。(3) 在切入、切出对应的分度区域,切削面积、切削力的变化幅度小于中间分度区域廓形加工时的变化幅度,最大切削力出现在中间分度区域。(4) 切削力的三个分力中Fx最大,Fy最小。(5) 刀具(主轴)的转速越高,切削力越小;工件的进给速度越高,切削力越大;轴向切削深度越大,切削力越大。在对圆柱分度凸轮廓形加工过程分析的基础上,导出了切削力的系数计算公式。分析了进给运动的变化规律。圆柱分度凸轮铣削加工切削力仿真的结果表明:(1) 分度运动对应区域的切削面积、切削力明显大于分度盘位置保持对应区域的数值。(2) 加工分度盘位置保持阶段对应的凸轮廓形时,切削面积的最大值、切削力的最大值保持不变。(3) 切入、切出对应的分度区域,切削面积、切削力是间断变化的,最大值的变化很快。(4) 切削力的三个分力中Fy最大、Fz最小。研究了弧面分度凸轮廓形的非等径加工技术。导出了滚子轴线轨迹曲面方程,利用等距曲面理论,研究了非等径加工时刀具轴线的位置确定,导出了非等径加工的编程坐标换算公式,并给出了弧面分度凸轮非等径加工自动编程的应用软件山东人学博十学位论文框图和弧面分度凸轮非等径加1_程序实例。研究了圆柱分度凸轮廓形的三轴联动非等径加工方法。导出了非等径加_E刀位点的坐标计算公式和编程坐标的计算公式,并给出了圆柱分度凸轮廓形的非等径加工程序实例。研究了圆柱分度凸轮廓形的近似加工方法。导出了滚子轴线轨迹的曲面矢量方程和近似加工编程坐标计算公式,对近似加工的理论加工误差进行了分析,并给出了理论加工误差分析的实例。当中心距与滚子分布圆半径相等时,理论加工误差最大,中心距a总有一个值与最小理论加工误差相对应,该值由滚子分布圆半径、分度数、凸轮外径和动程角决定。当滚子数、动程角和凸轮外径增大时,理论加工误差减小。提出并论证了用于分度凸轮加工的数控机床方案,坚持尽量采用由专门化制造商生产的标准部件和通用部件的设计原则,完成了整台机床的全部设计任务。机床已试制成功,使用效果良好。构建了分度凸轮虚拟切削加工系统框架。论述了虚拟机床建模的基本要求,建立了所研制的分度凸轮数控加工机床的几何模型和运动链表达式。对分度凸轮虚拟切削加工系统进行了简化:(l)以切削区域作为分界,将切削加工系统分为工件子系统和刀具子系统。(2)在工件子系统中,认为蜗杆的角速度等于伺服电动机的输出角速度,忽略纵振和横振,只有扭转振动存在。(3)在刀具子系统中,Fx不足以在纵向引起激振,忽略振幅非常小的横振,仅考虑绕:轴的扭振。利用等效的概念,将工件子系统和刀具子系统简化成分别由等效弹簧、等效阻尼、等效转动惯量组成的单自由度振动系统,导出了系统的动力学方程。分析了分度凸轮虚拟切削加工系统的动力学求解问题,提出了求解方法,导出了基于数值计算思路的解的表达式。切削加工系统的动力学仿真结果表明:(l)在凸轮切削加工过程中,随着刀具的切入,振动由无到有,由弱到强;切出区域振动的变化与切入区域相反。振动最强烈的区域发生在切入阶段和切出阶段。(2)在非分度区,系统的特性是稳定的;在中间分度区,两个子系统的扭振振幅变小。(3)刀具离开切削区,振动迅速衰减。(4)刀具(主轴)转速会影响系统响应图谱的形态,但对系统振动的最大振幅的影响不大。(5)工件进给速度减小,系统的振动减弱,生产率降低。(6)刀具轴向最大切削深度越小,激振力矩越小,系统的振动越弱。与减小工件进给速度相比,生产效率相同时,刀具轴向最大切削深度的减小,更能有效的减弱切削加工系统的振动。山勺、人学博t:学位论义利用虎形体的概念,论述一J’}_件理沦几何模创、}件)L何模型和误荤模州的建众方法,并介绍了表面粗糙度的评定计算方法可以通过简化模型、集成模烈、消隐和分川计铆一的方法提高分度凸轮?

论文目录:

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1虚拟现实技术

1.1.1虚拟现实技术的发展过程

1.1.2虚拟现实技术的研究现状

1.2虚拟制造技术

1.2.1虚拟制造的内涵

1.2.2虚拟制造的应用范例

1.2.3虚拟切削加工系统

1.3分度凸轮机构的研究现状

1.4本文的主要研究内容

第2章分度凸轮铣削加工的切削力研究

2.1弧面分度凸轮铣削加工的切削力模型

2.1.1弧面分度凸轮廓形的加工过程

2.1.2切削刃方程

2.1.3切削力方向的单位矢量

2.1.4切削力模型

2.1.5切削厚度及切削区域的确定

2.1.6切削力的仿真

2.2圆柱分度凸轮铣削加工的切削力模型

2.2.1圆柱分度凸轮廓形的加工过程

2.2.2切削刃方程

2.2.3切削力模型

2.2.4切削厚度及切削区域的确定

2.2.5切削力仿真

2.3本章小结

第3章分度凸轮廓形的加工方法研究

3.1弧面分度凸轮廓形的非等径加工

3.1.1滚子轴线轨迹曲面方程

3.1.2非等径加工刀具轴线位置的确定

3.1.3编程坐标换算与自动编程应用程序框图

3.1.4非等径加工程序实例

3.2圆柱分度凸轮廓形的非等径加工

3.2.1三轴联动非等径加工的刀位点

3.2.2圆柱分度凸轮廓形的非等径加工程序实例

3.3圆柱分度凸轮廓形的近似加工

3.3.1两轴联动近似加工的坐标换算

3.3.2两轴联动近似加工的理论加工误差

3.3.3理论加工误差分析实例

3.4本章小结

第4章分度凸轮数控加工机床研究

4.1机床方案论证

4.1.1可供选择的设计方案

4.1.2方案论证

4.2机床的结构设计

4.2.1标准部件的选择及结构设计

4.2.2机床总装图

4.2.3分度凸轮数控加工机床

4.3本章小结

第5章分度凸轮虚拟切削加工系统

5.1CAXA实体设计XPr2二次开发简介

5.1.1虚拟切削加工开发平台的选择

5.1.2CAXA实体设计XPr2二次开发的特点

5.2分度凸轮加工虚拟机床模型

5.2.1分度凸轮加工虚拟机床的几何模型

5.2.2分度凸轮加工虚拟机床的运动模型

5.3分度凸轮虚拟切削加工系统的动力学模型

5.3.1分度凸轮虚拟切削加工系统的简化

5.3.2分度凸轮虚拟切削加工系统的动力学模型

5.4切削加工系统的动力学仿真

5.4.1求解方法

5.4.2动力学方程的解

5.4.3动力学仿真

5.5工件模型

5.5.1工件理论几何模型

5.5.2工件几何模型

5.6系统的运行环境与提高运行速度的途径

5.6.1系统的运行环境

5.6.2提高系统运行速度的措施

5.7弧面分度凸轮的虚拟切削加工

5.8本章小结

第6章虚拟切削加工系统的NC代码处理

6.1通用仿真接口设计与实现

6.2NC代码的翻译

6.3NC代码翻译和仿真系统的集成

6.4本章小结

第7章结论

7.1结论

7.2展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

分度凸轮数控加工机床的使用意见

致谢

发布时间: 2005-06-14

参考文献

[1].复杂表面成形切削加工系统设计智能化理论与应用研究[D]. 黄克正.山东工业大学1993
[2].钛合金TC17力学性能及其切削加工特性研究[D]. 王宝林.山东大学2013
[3].MQL切削机理及其应用基础研究[D]. 张春燕.江苏大学2008
[4].304不锈钢切削加工表面特性的研究[D]. 周芳娟.华中科技大学2014
[5].面向制造的铝合金材料失效准则建模与应用研究[D]. 侯波.上海交通大学2012
[6].基于虚拟加工车削参数优化方法的研究[D]. 吴菁.哈尔滨工业大学2009
[7].基于长疲劳寿命的钛合金Ti6Al4V铣削加工表面完整性研究[D]. 杨东.山东大学2017

分度凸轮虚拟切削加工系统研究

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