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        大型葉片六軸數(shù)控砂帶磨床設計及模態(tài)分析*

        2011-09-28 13:18:32劉自紅袁秀坤宋丹路
        制造技術(shù)與機床 2011年9期
        關(guān)鍵詞:砂帶型面磨床

        劉自紅 袁秀坤 宋丹路

        (①西南科技大學制造過程測試技術(shù)教育部重點實驗室,四川綿陽 621010;②東汽投資發(fā)展有限公司,四川德陽 618000)

        核電葉片、大型汽輪機葉片、航空發(fā)動機葉片等復雜曲面零件廣泛應用于能源、動力、運載和國防等行業(yè),是汽輪機、航空發(fā)動機等能源、動力裝置的關(guān)鍵部件之一,其幾何精度和表面質(zhì)量直接影響能源動力設備的工作效率,葉片零件的制造裝備及關(guān)鍵技術(shù)代表著國家制造業(yè)的核心競爭力。

        大型葉片是復雜曲面零件,長期以來采用傳統(tǒng)手工打磨的精加工工藝,為了提高精加工效率、改善工人的工作環(huán)境和勞動強度,必須采用數(shù)控磨削方式。在數(shù)控磨削方式下,為提高葉片型面的幾何精度和表面質(zhì)量,首先要解決數(shù)控砂帶磨床加工接觸輪與葉片表面線接觸的問題,即必須控制接觸線的矢量方向與其他軸矢量方向聯(lián)動才能夠在不破壞葉片空間輪廓的情況下完成拋磨加工。在這種情況下,葉片數(shù)控砂帶磨床的結(jié)構(gòu)不能采用傳統(tǒng)五軸數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)形式,必須采用六坐標聯(lián)動的機床結(jié)構(gòu),由此引出葉片六坐標數(shù)控砂帶磨床的機床結(jié)構(gòu)問題,這些問題包括六坐標聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床主機設計、適應葉片曲面加工特性的機床動態(tài)特性、磨削用BC雙擺頭結(jié)構(gòu)設計、強力磨削與隨形拋光一體的砂帶裝置、機床可靠性評估與精度保持等。

        本文主要從課題組研制的TX-6六軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床結(jié)構(gòu)出發(fā),介紹了TX-6型磨床的總體結(jié)構(gòu),規(guī)劃出了砂帶輪加工軌跡,建立了有限元模型,并給出了進給速度優(yōu)化方案及軸同步控制的原理框圖。TX-6六軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床的研制,解決了以汽輪機葉片為代表的復雜曲面磨削拋光的技術(shù)難題。

        1 TX-6型葉片六軸數(shù)控砂帶磨床總體結(jié)構(gòu)

        1.1 TX-6型葉片六軸數(shù)控砂帶磨床總體方案

        根據(jù)葉片磨削精加工的發(fā)展趨勢,為提高葉片型面的幾何精度和表面質(zhì)量,采用砂帶磨削的加工方式。在葉片六坐標砂帶磨床功能需求分析的基礎上,設計機床總體方案:X、Y、Z三個平動軸聯(lián)動控制磨削位置;A、B、C三個旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動實現(xiàn)砂帶接觸輪軸線和主軸軸線的控制,提高磨削質(zhì)量??傮w結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

        為適應大型葉片型面磨削加工高動態(tài)特性響應的需求,在機床結(jié)構(gòu)設計時采取了以下措施:

        (1)各直線運動軸均采用THK帶滾珠保持器的高速導軌,減小了靜摩擦力,提高了動態(tài)加減速特性,不會在高速起停狀態(tài)造成滾珠間擠壓;

        (2)Z軸采用閉環(huán)控制,確保葉片加工尺寸精度;

        (3)Y軸、Z軸、A軸采用雙驅(qū)動結(jié)構(gòu),提高翻邊加工時的加速度,可提高葉片加工效率,同時跟隨誤差減小,確保更高的葉片輪廓精度;雙驅(qū)動部位確保傳動的穩(wěn)定性,從而減小機床振動,使磨削運動更加平穩(wěn),改善表面質(zhì)量并提高砂帶壽命;

        (4)Z軸雙驅(qū)動,取消平衡機構(gòu),解決平衡裝置不穩(wěn)定造成的型面誤差問題。

        1.2 TX-6型葉片六軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床主機設計

        根據(jù)葉片數(shù)控砂帶磨床總體方案設計,機床設置X、Y、Z三個平動軸和A、B、C三個旋轉(zhuǎn)軸。A軸為工件旋轉(zhuǎn)軸,B軸為磨削頭擺動軸,C軸為主軸擺動軸。機床底座為整體床身,工作臺通過直線滾珠導軌安裝在床身的前部,沿Y軸方向運動。頭架和尾架安裝在工作臺上,頭架、尾架可在工作臺長度方向移動,以適應不同規(guī)格尺寸葉片的加工。移動式立柱通過直線滾珠導軌安裝在床身的后部,沿X軸方向運動。Z軸滑板兼B軸蝸輪箱,通過直線導軌安裝在立柱前側(cè),沿上下方向運動。主軸箱裝在B軸聯(lián)接盤上、B軸聯(lián)接盤與B軸固聯(lián)在一起。主軸箱可在伺服機通過蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動下,沿B軸中心擺動,也可以隨同Z軸滑板兼B軸蝸輪箱沿Z軸移動。B軸上安裝中空C軸,裝置B軸上的主軸電動機通過砂帶傳動機構(gòu)帶動砂帶運動,同時砂帶接觸論可沿C軸軸線旋轉(zhuǎn)。圖2為六坐標聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床主機結(jié)構(gòu)示意圖。

        1.3 六坐標聯(lián)動數(shù)控砂帶磨削運動軌跡規(guī)劃

        為了獲得準確的型面,必須同時控制接觸線的矢量方向與其他軸矢量方向聯(lián)動。因此,葉片砂帶磨削加工必須采用砂帶接觸輪雙矢量控制技術(shù),通過葉片六坐標聯(lián)動實現(xiàn)數(shù)控砂帶磨削運動。

        六坐標聯(lián)動數(shù)控砂帶磨削運動軌跡規(guī)劃需根據(jù)加工區(qū)域特性,融合葉片砂帶磨削工藝規(guī)劃,生成磨削加工軌跡,實現(xiàn)機床姿態(tài)的控制。具體磨削運動軌跡規(guī)劃內(nèi)容包括:

        (1)刀位點坐標計算:根據(jù)G代碼軌跡規(guī)劃原則,數(shù)控砂帶加工葉片的運動軌跡即為刀具中心軌跡曲線。設接觸點沿法向偏置接觸輪的半徑為r,P點為待加工點,坐標為P(Px,Py,Pz),O點為刀具的中心點,坐標設為O(Ox,Oy,Oz),N是該點的單位法向量N(Ni,Nj,Nk),如圖3所示,則刀具中心點O坐標為

        (2)葉片型面法向矢量計算:葉片型面法向矢量可直接由葉片型面屬性獲得,葉片型面法向矢量如圖4所示。

        (3)砂輪軸線矢量計算:如圖5所示,P點為接觸點,O點為刀具中心,O1O2為接觸輪軸線,O1O2與該點最小主曲率方向平行。如此可使砂帶與加工面在接觸點處的接近程度最高、干涉最小。

        記葉片型面的參數(shù)方程為

        加工曲面在其接觸點處的主曲率K可由下式求得:

        式中K的兩個解K1和K2分別對應曲面的兩個主曲率方向,E、F、G、L、M、N為曲面在接觸點的第一類和第二類基本量:

        上式中n為接觸點處的單位法矢量。加工曲面在接觸點處的主方向為:

        根據(jù)曲面方程化簡可得E、F、G、L、N,根據(jù)二次方程根與系數(shù)的關(guān)系有:

        求得M后主方向計算公式即可確定兩個主方向,取絕對值小的K值所確定的du、dv作為刀軸方向。當du、dv全為零時,此接觸點為加工曲面上的臍點,刀軸方向可選取曲面的rv方向,經(jīng)計算后得到的砂帶磨削加工軌跡如圖6所示。

        2 TX-6型葉片六軸數(shù)控砂帶磨床有限元模型

        2.1 六坐標聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床有限元模型

        在整個模型中,各個組成部分的聯(lián)接方式有多種,如板與板的聯(lián)接、螺釘和螺栓的聯(lián)接、導軌與滑塊的聯(lián)接、齒輪嚙合的聯(lián)接和軸承與絲杠的聯(lián)接等等,在有限元建模過程中需要分別進行處理。通過劃分網(wǎng)格與建立單元,并定義單元的物理特性,建立砂帶磨削整機的有限元模型如圖7所示。

        2.2 六坐標聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床的靜剛度分析

        剛度是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力,剛度通過影響機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜變形、疲勞強度、耐摩性、效率(能量的摩擦損耗)、精度、動態(tài)/振動穩(wěn)定性以及制造性能而對機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

        利用砂帶磨削機床的整機有限元模型,在主軸中心點處施加不同方向的靜載荷,通過機床在靜載荷作用下的變形,可以計算出機床的靜剛度。在主軸中心點處分別施加X、Y、Z三個方向上的靜載荷,由于劃分節(jié)點并不在圓心處,可以在附近兩個節(jié)點分別施加相同的力,然后求其平均值,這樣可以得到主軸中心點在力的作用下沿各個方向的位移。圖8為給機床磨削接觸論位置加載X方向的靜載荷,圖9為在該載荷下機床的變形情況。

        2.3 六坐標聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床的模態(tài)分析

        六坐標聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床良好的動態(tài)特性是高精度磨削的前提。動態(tài)特性分析包含兩個方面:固有振動特性分析和響應特性分析。固有振動特性分析,是研究機床無阻尼的自由振動,得到振動系統(tǒng)的固有特性,即固有頻率和振型。通過計算得到前多階固有振動頻率,圖10分別為機床1~4階固有頻率及其振型。

        從機床的固有頻率和振型可知,C軸是兩個倒L形結(jié)構(gòu)以螺釘與齒輪缸相聯(lián)接,B擺頭的振動必然導致刀頭發(fā)生更大的振動。因此,在刀頭的設計中,應該適當加強其剛度,而立柱和B擺頭剛度的加強,也有助于加強刀頭的剛性。此外,X向傳動絲杠發(fā)生振動的次數(shù)比較多,有的是隨立柱的振動中表現(xiàn)的,有的是單獨表現(xiàn)的,主要是局部模態(tài),這主要是由于X向絲杠的長度太長,聯(lián)接的立柱比較大,絲杠的剛度不夠。在設計過程中,適當?shù)丶訌娊z杠的剛度也是考慮的方面之一。

        3 進給速度優(yōu)化分析

        進給速度應根據(jù)葉片材質(zhì),砂帶類型,磨削線速度共同匹配設定。葉片砂帶磨削,材料的去除由砂粒切削引起,進給速度決定單位時間內(nèi)磨削面積,砂帶線速度決定單位時間內(nèi)參與切削的砂粒數(shù)量,綜合影響材料去除量。在相同的砂帶線速度下,進給速度直接影響材料去除量,并對砂帶磨損程度有很大影響。

        對于同步控制,其關(guān)鍵在于首先保證各軸在具有良好的跟隨指令輸入性能的基礎上,實現(xiàn)位置定位控制,其次通過引入兩軸同步誤差設計控制器,進行快速調(diào)節(jié)實現(xiàn)同步誤差漸進為零,從而實現(xiàn)同步位置控制功能。但由于實際機械上的結(jié)構(gòu)耦合和負載的不確定性,使得同步控制較單軸位置控制更為復雜。

        目前的研究表明在雙軸同步控制中,主要有“對等”控制和“主從”控制兩種控制方式。在“對等”方式下,控制器對待任一軸都是一致的,不偏袒某一軸;但如果其中有一軸動態(tài)特性較差,將使整個系統(tǒng)的最大速度受到限制。對于此情況,采用“主從”方式將更為有利?!爸鲝摹狈绞郊赐ǔ討B(tài)特性慢的軸作為主動軸,快軸跟隨慢軸,采用改進的常規(guī)控制方式即可實現(xiàn)?!爸鲝摹笨刂品绞降脑砣鐖D11所示。電動機M1為A軸主動軸,電動機M2為A軸從動軸,將兩電動機的位置偏差輸入到校正環(huán)節(jié),實時調(diào)節(jié)電動機M2的速度,可保證電動機M2與電動機M1在位置上同步。

        4 結(jié)語

        葉片類零部件的加工精度,關(guān)系到國防等方面問題,而機床的加工性能,則決定了加工性能。本文從機床總體結(jié)構(gòu)設計到有限元分析,從總體框架到理論推導,對TX-6型葉片六軸數(shù)控砂帶磨床進行了介紹,論證了磨床結(jié)構(gòu)的可行性及有限元模態(tài)的合理性。并且,設計的六軸數(shù)控砂帶磨床被四川重大技術(shù)裝備幾何量計量站檢驗合格,達到國內(nèi)外領(lǐng)先水平。

        [1]劉樹生,楊建中.葉片六軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床與數(shù)控砂帶磨削單元化[J].航空制造技術(shù),2010(4):32 -37.

        [2]陳延君.燃氣輪機葉片材料砂帶磨削性能研究[D].重慶:重慶大學,2005:68-72.

        [3]朱凱旋,陳延君.葉片型面砂帶磨削技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù),2007(2):102-104.

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        [5]張偉文,郭鋼,張岳,等.多軸聯(lián)動砂帶磨削刀觸點路徑規(guī)劃及幾何仿真[J].重慶大學學報,2010(9):8 -13.

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