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1、多軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其動(dòng)力座三維模擬分析 目錄 摘 要 1 ABSTRACT 2 第1 章 緒 論 3 1.1 引言 3 1.2 研究背景 3 1.3 多軸器的概述 4 1.3.1 多軸器簡(jiǎn)介 4 1.3.2 多軸器的種類(lèi) 5 1．4 本章小結(jié) 6 第二章 多軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案論證 7 2．1 各種方案簡(jiǎn)述 7 2．1．1方案一 7 2．1．2 方案二 7 2．1．3 方案三 8 2．2各種方案的比較 9 2．3本章小結(jié) 10 第三章 改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模 11 3.1改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的結(jié)構(gòu) 11 3.2改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的工作原理

2、11 3.3 改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的工效計(jì)算 11 3.4多軸器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的排布及計(jì)算 14 3.5 改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的可彎曲組件設(shè)計(jì) 16 3.6 本章小結(jié) 17 第四章 動(dòng)力座的三維有限元分析及改進(jìn) 18 4.1有限單元法的計(jì)算思路 18 4.1.1 物體離散化 18 4.1.2單元特性分析 18 4.1.3 單元組集 18 4.1.4 求未知節(jié)點(diǎn)位移解有限元方程式得出節(jié)點(diǎn)位移 18 4.2 ABAQUS 介紹 19 4.3有限元分析的實(shí)現(xiàn) 19 4.4 動(dòng)力座的靜力有限元模擬分析 19 4.4.1有限元模型建立 19 4.4.2材料參數(shù) 20 4.4.

3、3施加約束和載荷 20 4.4.4 劃分網(wǎng)格和計(jì)算求解 21 4.4.5查看云圖 22 4.5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析 23 4.6 本章小結(jié) 24 結(jié)論 25 參 考 文 獻(xiàn) 26 致謝 27 普通鉆床改造為多軸鉆床(譯文) 28 摘 要 多軸器是廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)多孔零件的鉆孔以及攻絲加工的普通鉆床的特殊附件。裝配有多軸器的普通鉆床可以對(duì)多孔零件進(jìn)行一次性加工，大大提高了零件的加工效率。因其加工能力強(qiáng)、價(jià)格低廉，越來(lái)越受到企業(yè)的歡迎。同時(shí)客戶(hù)對(duì)于多軸器的個(gè)性化需求也越來(lái)越高，能夠快速設(shè)計(jì)出客戶(hù)需要的多軸器成為企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中占有一席之地的重要砝碼。一臺(tái)普通的鉆床可以安裝

4、不同的多軸器來(lái)滿足不同的加工需要，裝上多軸器后就能一次性把幾個(gè)乃至十幾、二十幾個(gè)孔或螺紋一次性加工出來(lái)，這樣就大大提高了零件的加工精度與效率，為企業(yè)帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)效益。在這次設(shè)計(jì)中，查閱了關(guān)于多軸器的一些書(shū)刊資料，對(duì)多軸器有了基本的認(rèn)識(shí)。在這種情況下，結(jié)合所查閱到的資料，設(shè)計(jì)出了三種方案，并對(duì)這三種方案進(jìn)行了相互比較，最后選定了第三種方案。方案選定后，隨之對(duì)多軸器的傳動(dòng)系統(tǒng)做了設(shè)計(jì)和計(jì)算。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布局無(wú)干涉計(jì)算算法解決了設(shè)計(jì)人員在平面內(nèi)齒輪系快速掛接問(wèn)題，從而可以使在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)重新設(shè)計(jì)的速度大幅度提高，同時(shí)為今后空間齒輪機(jī)構(gòu)布局問(wèn)題的研究奠定了理論基礎(chǔ)。并且用強(qiáng)大的三維軟件SOLIDW

5、ORK對(duì)改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器進(jìn)行三建模。為實(shí)現(xiàn)有限元分析，本文對(duì)多軸器的動(dòng)力座通過(guò)ABAQUS進(jìn)行了有限元靜力分析，使三維設(shè)計(jì)軟件SOLIDWORK和有限元分析ABAQUS軟件無(wú)縫連接環(huán)境下進(jìn)行導(dǎo)入計(jì)算分析受力分析，并得出應(yīng)力分布云圖等。通過(guò)結(jié)果云圖對(duì)其動(dòng)力座進(jìn)行改進(jìn)分析，最后通過(guò)加大加強(qiáng)筋的厚度使其強(qiáng)度得到提高。在文章的最后簡(jiǎn)明的介紹了做本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的一些心得體會(huì)。 關(guān)鍵詞：多軸器 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 有限元分析 ABAQUS SOLIDWORK ABSTRACT The multiaxial regulator is widely used in mechanical industry por

6、ous parts drilling and tapping processing ordinary drilling special accessories. The multiaxial device equipped with ordinary drilling machine can on porous parts one-time processing, greatly improving the parts processing efficiency. Because of its strong processing capability, cheap, more and more

7、 get the welcome of enterprises. While customers for the personalized needs of multiaxial device more and more is also high, can rapid design of a client needs multiaxial device to become the enterprise in the fierce competition in the market the important farmar occupies a place. A common drilling

8、machine can install different multi-axis device to meet different processing need, mount multi-axis implement hind can one-time put several and even teens and more than 20 holes or threaded one-time machined out, thus greatly improved parts processing accuracy and efficiency, for enterprise brought

9、great economic benefits. In this design, consult the multiaxial device about some books material, of multiaxial implement have a basic understanding. In this case, together with reference to the material, design out three schemes of the three schemes are compared each other, and finally picked the t

10、hird way. Plan selected, then multiaxial device for the transmission system made design and calculation. The cog-wheel gearing layout without interference computing algorithm can solve the design personnel in the in-plane gear trains, thus rapid articulated can make in the cog-wheel gearing redesign

11、ed speed greatly raised, also for future space layout problems gear mechanism which lay a theoretical foundation for the research. And with powerful 3d software improvements to the universal type SOLIDWORK multiaxial implement three modeling. The finite element analysis, this paper for the realizati

12、on of multiaxial device power seat with finite element method by ABAQUS static analysis, make 3d design software SOLIDWORK and finite element analysis ABAQUS software seamless connection environment into force analysis, calculation and analysis concluded and the stress distribution of convective etc

13、. The results of its power seat cloud improved by strengthening analysis, finally the thickness of the reinforced its strength improved. At the end of the article simply introduces do this design graduate some attainment experience. Keywords: Mutil-axis device Structure designing Finite element

14、analysis ABAQUS SOLIDWORK 第1 章 緒 論 1.1 引言 經(jīng)濟(jì)全球化、一體化進(jìn)程的不斷加快促使全球買(mǎi)方市場(chǎng)的形成，企業(yè)在獲得機(jī)會(huì)的同時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)也變得越來(lái)越激烈。在這種發(fā)展趨勢(shì)下，一方面促使產(chǎn)品生產(chǎn)周期不斷縮短，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度日益加快，企業(yè)的主要生產(chǎn)模式從傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)向多品種小批量的的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變；另一方面客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品有個(gè)更高的要求。選擇性、多樣化、個(gè)性化成為了主流，同時(shí)客戶(hù)對(duì)交貨日期的要求也越來(lái)越高。在以交貨快（Time）、高質(zhì)量（Quality）、低成本（Cost）和重環(huán)保（Environment）去爭(zhēng)取市場(chǎng)份額的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，縮短交貨期，快速響應(yīng)客戶(hù)需

15、求，已經(jīng)成為競(jìng)爭(zhēng)的第一要素。在機(jī)械制造業(yè)中。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)大批量生產(chǎn)的大型箱體，殼體等需多面多工序加工的復(fù)雜工件，其不同加工面上的多孔加工工序，多在專(zhuān)用機(jī)床，組合機(jī)床盈其生產(chǎn)線上來(lái)完成，鉆孔加工在機(jī)械加工中是再普通不過(guò)的工序了。在中小批量的生產(chǎn)中 ，通常采用普通 立式鉆床，一次鉆一個(gè)孔，然后移位鉆另一個(gè)孔。這種加工方法效率很低 ，而且孔的位置度難以保證。為了解決這一矛盾，我們?cè)O(shè)計(jì)了用于普通立式鉆床的可調(diào)式多軸鉆孔頭在設(shè)備、 人力不增加的情況下，配上可調(diào)式多軸鉆孔頭，不僅可使加工效率成倍增加 ，而且加工精度及孔的位置度得到保證。而對(duì)于一些比較簡(jiǎn)單 工序少，生產(chǎn)批量又不大的中小工件來(lái)說(shuō)，其多孔

16、加工工序最適宜的加工方法是使用多軸鉆頭(下簡(jiǎn)稱(chēng)多軸鉆或多軸頭)。多軸鉆是由鉆床的主軸借助于中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)若干工作軸回轉(zhuǎn)的一種傳動(dòng)裝置。使鉆床由單刀切削轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗟肚邢?，可?shí)現(xiàn)用立鉆床代替播臂鉆床的多孔加工。靈活方便。能大大節(jié)省加工時(shí)問(wèn)和輔助時(shí)問(wèn)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率． 使加工件的孔位能夠保證較高的位置精度。多軸鉆在大廠應(yīng)用較廣。而在中小工廠由于受生產(chǎn)綱領(lǐng)等日素制約，對(duì)多軸鉆的應(yīng)用幾乎還是空白，我院附屬工廠雖規(guī)模較小，但它是集教學(xué) 科研 生產(chǎn)于一體的實(shí)習(xí)、試驗(yàn)，新產(chǎn)品研制基地。其產(chǎn)品存在著品種多、批量小 要求高的特點(diǎn)。根據(jù)該廠實(shí)際，近年來(lái)我們摸索出了一條廣泛使用多軸鉆的新路。多軸鉆在應(yīng)用中發(fā)揮著重要作

17、用，一般可提高工效3—6倍，甚至十余倍，收到良好的使用效果和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 1.2 研究背景 機(jī)床在這些企業(yè)中的運(yùn)用很普及，選擇一種高性能、高效率的機(jī)床是企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的一種行之有效的途徑。而鉆床在機(jī)床的應(yīng)用中占了很重的份量，普通的鉆床在傳統(tǒng)的加工設(shè)計(jì)中一般只有一個(gè)鉆頭，這樣對(duì)零件加工效率就比較低，零件要求多孔加工時(shí)加工精度也不好把握，為了彌補(bǔ)以上的缺點(diǎn)而使鉆床的功用更加突出，多軸鉆孔器作為鉆床的特殊附件就應(yīng)用而生了。多軸鉆孔器（multi-spindle tool）俗稱(chēng)多軸器、多孔鉆或多軸頭。是一種運(yùn)用于機(jī)械領(lǐng)域鉆孔、攻牙的機(jī)床設(shè)備。一臺(tái)普通的多軸鉆孔器只要配上普通的

18、鉆床就能一次把幾個(gè)乃至十幾二十個(gè)孔或螺紋一次性加工出來(lái)。如配上氣壓裝置，可自動(dòng)進(jìn)行快進(jìn)、工進(jìn)（工退）、快退、停止。多孔鉆也稱(chēng)群鉆,可用來(lái)鉆孔或攻牙,一般型號(hào)可同時(shí)鉆2-16孔,提升效率,固定機(jī)種軸數(shù)不拘,鉆軸形式,尺寸大小可依客戶(hù)之需進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。 多軸鉆孔器廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)多孔零部件的鉆孔及攻絲加工。如汽車(chē)、摩托車(chē)多孔零部件：發(fā)動(dòng)機(jī)箱體、鋁鑄件殼體、制動(dòng)鼓、剎車(chē)盤(pán)、轉(zhuǎn)向器、輪轂、差速殼、軸頭、半軸、車(chē)橋等，泵類(lèi)、閥類(lèi)、液壓元件、太陽(yáng)能配件等等。多軸鉆孔器可分為可調(diào)式和固定式兩種規(guī)格，可調(diào)式多軸鉆孔器在其加工范圍內(nèi)，其主軸的數(shù)量、主軸間的距離，相對(duì)可以任意調(diào)整，一次進(jìn)給同時(shí)加工數(shù)孔。在其配

19、合液壓機(jī)床工作時(shí)，可自動(dòng)進(jìn)行快進(jìn)、工進(jìn)（工退）、快退、停止.同單軸鉆（攻絲）比較，工件加工精度高、工效快，可有效的節(jié)約投資方的人力、物力、財(cái)力。尤其機(jī)床的自動(dòng)化大大減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。固定式多軸鉆孔器采用單件（加工件）專(zhuān)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)其加工件加工頻率高、量大之原因，專(zhuān)門(mén)量身定制一件一機(jī)的設(shè)備，在其工作中勿須擔(dān)心尺寸跑偏而傷腦筋。除用到常規(guī)的產(chǎn)品外，還可根據(jù)客戶(hù)的特殊要求進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。多軸器廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)多孔零件的鉆孔及攻絲加工，在浙江的眾多中小型企業(yè)的生產(chǎn)中發(fā)揮了很大的作用。隨著多軸器在快速發(fā)展的機(jī)械產(chǎn)品市場(chǎng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)市場(chǎng)的開(kāi)放性和全球化，促使多軸器生產(chǎn)設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)日

20、趨激烈。用戶(hù)在追求高質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)，會(huì)更多地追求低廉的價(jià)格和較短交貨期。這就要求企業(yè)改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理模式，最大限度地利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等手段，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，降低成本，并努力縮短交貨期，同時(shí)還需要快速響應(yīng)市場(chǎng)和適用用戶(hù)的變化，利用有利時(shí)機(jī)迅速搶占市場(chǎng)。通過(guò)對(duì)浙江地區(qū)各中小型多軸器生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，絕大部分企業(yè)對(duì)多軸器的設(shè)計(jì)還停留在二維，甚至手工設(shè)計(jì)這種效率低下的水平，由于其串行的設(shè)計(jì)生產(chǎn)模式，后續(xù)的分析及數(shù)據(jù)處理都不能有效地融入到整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，從而使設(shè)計(jì)人員對(duì)多軸器的設(shè)計(jì)不能做出快速響應(yīng)。總的來(lái)講存在以下幾個(gè)問(wèn)題：由于缺乏先進(jìn)的設(shè)計(jì)、分析方法與工具 (如參數(shù)化建模方法

21、、三維建模軟件與有限元分析軟件的集成應(yīng)用、分析和評(píng)價(jià)軟件、參數(shù)化有限元分析方法以及多軸器性能測(cè)試裝置等)，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)大多憑借直觀經(jīng)驗(yàn)和類(lèi)比設(shè)計(jì)，往往需要反復(fù)試制才能定型，產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期大大提高，且產(chǎn)品質(zhì)量難以保證?；谝陨媳尘埃疚闹饕芯?jī)?nèi)容如下： (1)分析多軸器的作用和特點(diǎn)； （2）多軸器方案的論證及選取 (3)合理設(shè)計(jì)改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器齒輪排布及傳動(dòng)系統(tǒng)快速布局計(jì)算；（齒輪排布） (4)用SOLIDWORK繪制相關(guān)二維和三維圖； (5)對(duì)多軸器的動(dòng)力座建立三維圖，并用ABAQUS軟件進(jìn)行受力分析； (6)計(jì)算相關(guān)受力點(diǎn)并進(jìn)行改進(jìn)； 1.3 多軸器的概述 1.3.1 多軸器

22、簡(jiǎn)介 多軸器（Multi-spindle），也稱(chēng)為多軸動(dòng)力頭，是普通鉆床的特殊附件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)多孔零件的鉆孔以及攻絲加工中，如下圖1-1 和圖2-2所示。普通的鉆床在傳統(tǒng)的加工設(shè)計(jì)中一般只用單個(gè)鉆頭，這樣的話加工多孔零件效率就比較低，加工精度也不好把握。多軸器的應(yīng)用正好彌補(bǔ)了普通鉆床在加工過(guò)程中的缺陷。一臺(tái)普通的鉆床可以安裝不同的多軸器來(lái)滿足不同的加工需要，裝上多軸器后就能一次性把幾個(gè)乃至十幾、二十幾個(gè)孔或螺紋一次性加工出來(lái)，這樣就大大提高了零件的加工精度與效率，為企業(yè)帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)效益。可調(diào)多軸器是利用齒輪配合萬(wàn)向接頭所組成，調(diào)整距離非常方便不受齒輪所限制，可節(jié)省調(diào)整的時(shí)間，亦沒(méi)

23、死角限制，操作快而方便，是可調(diào)整式中最容易操作使用的規(guī)格。固定型機(jī)種軸數(shù)不拘，鉆軸型式尺寸大小可依客戶(hù)之需要設(shè)計(jì)。大量生產(chǎn)高精密之產(chǎn)品，請(qǐng)使用固定型多軸器，外型小比活動(dòng)型更耐用、更精確，并可減少調(diào)整加工孔距的時(shí)間，可避免因調(diào)整錯(cuò)誤，以致產(chǎn)品損壞所受的損失。不同尺寸的鉆頭或不同牙距的絲攻均可同時(shí)加工。固定型加導(dǎo)孔板多軸器準(zhǔn)確耐用，在更換工件時(shí)，有很多空間取付方便，不會(huì)受到冶具與模具之妨礙。 圖1-1 多軸器在立式鉆床中的應(yīng)用 圖1-2 多軸器在臥式鉆床中的應(yīng)用 1.3.2 多軸器的種類(lèi) 隨著科學(xué)的發(fā)展與技術(shù)的成熟，市面上的多軸器樣式可謂五花八

24、門(mén)，不僅美觀新穎而且用途也越來(lái)越廣。系列化的多軸器可分為： 1．按照多軸器外形可分：方形多軸器（Square Multi-spindle）和圓形多軸器（Roundmulti-spindle）。 方形多軸器（如圖1-3 所示）在被加工零件上孔的布置成四邊形或矩形的情況下用的比較廣泛。 圓形多軸器（如圖1-4 所示）則廣泛運(yùn)用于孔的布置成圓周形狀的被加工件。 2．按多軸器可調(diào)性可分：可調(diào)式多軸器（Adjustable multi-spindle）與固定式多軸器（Fixed multi-spindle）。 可調(diào)式多軸器（如圖1-3，圖1-4 所示）的加工通用性比較好，它通過(guò)調(diào)整座的調(diào)整可以

25、加工不同布置位置的孔。 固定式多軸器（如圖1-5 所示）加工模式比較單一，但加工精度很高，它往往被用在被加工孔加工精度比較高的場(chǎng)合。 本文主要是設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)器工多軸器。 圖1-3 方形多軸器 圖1-4 圓形多軸器 圖1-5 固定式多軸器 3．按照多軸器一次加工孔的個(gè)數(shù)分可分為3 軸多軸器，6 軸多軸器，8 軸多軸器等。 1．4 本章小結(jié) 本章結(jié)合我國(guó)中、小型企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都需要有一個(gè)新的提高，但是加工手段卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，多軸器作為機(jī)床的特殊附件，在生產(chǎn)過(guò)程中的高效性及相對(duì)于購(gòu)買(mǎi)加工中心的廉價(jià)性使它在各中小

26、型企業(yè)越來(lái)越受歡迎，人們對(duì)多軸器的需求也是越來(lái)越多樣化、個(gè)性化。對(duì)多軸器產(chǎn)生是必然的，并對(duì)多軸器做了闡述和介紹。為下一步確定多軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案奠定了基礎(chǔ)和依據(jù)。 第二章 多軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案論證 2．1 各種方案簡(jiǎn)述 多軸器的結(jié)構(gòu)多種多樣，可以根據(jù)具體工況和工藝進(jìn)行多軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型。本文總結(jié)三種多軸器裝置的方案如下： 2．1．1方案一 齒輪傳動(dòng)軸距可調(diào)式多軸器裝置 鉆床主軸1上裝主軸齒輪22，中間軸5上裝中間齒輪20與主軸齒輪22嚙合， 它們能改變旋轉(zhuǎn)方向，且位置可繞主軸齒輪22作圓周兩整。鉆軸上的齒輪位置視零件的孔位而定。當(dāng)鉆床主軸啟動(dòng)，通過(guò)中間齒輪20帶動(dòng)鉆軸

27、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)．從而使鉆頭作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。鉆軸的數(shù)目可根據(jù)被加工零件的孔眼數(shù)目選取，軸間距可根據(jù)被加工零件的孔距要求進(jìn)行調(diào)整。其方法是I中間軸5可繞主輪 22在殼體15蓋上的T形槽圓周軌道上進(jìn)行自由調(diào)整位置。鉆軸由可調(diào)臂14 隨支承臂17繞中間齒輪20在圈周軌道上進(jìn)行調(diào)距。出于有兩個(gè)軌道可調(diào)節(jié)軸距，因而調(diào)整較靈活、方便。為了降低噪音，中間齒輪20最好采用酚醛夾布膠木材料。該裝置與鉆床連接時(shí)，可將殼蓋4上開(kāi)有央緊槽的圓孔套住鉆床的主軸套簡(jiǎn)，然后緊周夾緊環(huán)2上的螺母3。 圖2-1 齒輪傳動(dòng)軸距可調(diào)式多軸器結(jié)構(gòu)圖 2．1．2 方案二 萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸距可調(diào)式多軸器裝置 安裝在普遙臺(tái)鉆上的萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸

28、距可調(diào)式多軸器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。殼蓋23可方便地安裝在臺(tái)鉆的主軸套筒上，然后借助夾緊環(huán)22，螺栓2 固定。主軸連接套2l 將主軸齒輪4與臺(tái)鉆的主軸聯(lián)接。主軸齒輪 4的四周均布幾只小齒輪軸19，該齒輪軸下方有萬(wàn)向節(jié)與接套 6連接，接 軸 5可在接套 6內(nèi)上下自由滑動(dòng)，接軸 5 下方另有一組萬(wàn)向節(jié)與鉆軸13連接。當(dāng)鉆床啟動(dòng)，主軸帶動(dòng)主軸齒輪 4旋轉(zhuǎn)，使齒輪軸跟著轉(zhuǎn)動(dòng)， 再經(jīng)二組萬(wàn)向節(jié)使鉆軸13轉(zhuǎn)動(dòng)。軸矩的調(diào)整可藕改變調(diào)節(jié)臂12的位置來(lái)達(dá)到。 圖2-2 萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸距可調(diào)式多軸器的結(jié)構(gòu)圖 2．1．3 方案三 改進(jìn)的萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸距可調(diào)式多軸器裝置 改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸鉆頭，它是一動(dòng)力本體配合軸

29、承組設(shè)有數(shù)個(gè)具有轉(zhuǎn)軸的動(dòng)力齒輪，其并連設(shè)有由萬(wàn)向接頭、夾頭、連動(dòng)桿所構(gòu)成的可彎曲驅(qū)動(dòng)組件，夾頭可組裝工具頭及配合調(diào)整座而調(diào)整定位于動(dòng)力本體的殼體；其特征在于：該動(dòng)力齒輪的轉(zhuǎn)軸，設(shè)成中空狀、具有非圓形孔的筒轉(zhuǎn)軸；該可彎曲驅(qū)動(dòng)組件，上端的萬(wàn)向接頭設(shè)成具有對(duì)應(yīng)于筒轉(zhuǎn)軸非圓形孔的非圓形伸縮連動(dòng)桿，而呈長(zhǎng)縱深插合于筒轉(zhuǎn)軸中，使得非圓形伸縮連動(dòng)桿可在筒轉(zhuǎn)軸中被一體連動(dòng)、及伸縮因應(yīng)可彎曲驅(qū)動(dòng)組件調(diào)位的長(zhǎng)度需要；藉由可彎曲驅(qū)動(dòng)組件的非圓形伸縮連動(dòng)桿與動(dòng)力齒輪的筒轉(zhuǎn)軸，呈長(zhǎng)縱深插合而組合連動(dòng)，而得耐力強(qiáng)度大、分散應(yīng)力集中，尤其，可得簡(jiǎn)易、方便、快速拆組，拆除后不徒留構(gòu)件干擾其它尚需作功的可彎曲驅(qū)動(dòng)組件的功效。

30、如圖4所示改進(jìn)的萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸距可調(diào)式多軸器結(jié)構(gòu)圖。各鉆頭可調(diào)設(shè)不同位置的器具，動(dòng)力本體1，其上端內(nèi)設(shè)有齒輪組構(gòu)成的動(dòng)力傳動(dòng)、連動(dòng)機(jī)構(gòu)，而組設(shè)數(shù)根（依設(shè)定面積而布設(shè)）可彎由驅(qū)動(dòng)組件10，配合調(diào)整座80的鎖定、調(diào)整，而提供同時(shí)多軸轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。在可彎由驅(qū)動(dòng)組件10及其動(dòng)力構(gòu)析方面：傳動(dòng)式的構(gòu)造，每一可彎曲驅(qū)動(dòng)組件10連鳳有一動(dòng)力齒輪2，其構(gòu)造一動(dòng)力齒輪2調(diào)設(shè)有一體、實(shí)心的轉(zhuǎn)軸3，轉(zhuǎn)軸3設(shè)有外螺牙L、貫穿的插銷(xiāo)孔，其配合軸承81、螺帽4而呈凸出狀組合于動(dòng)力體本體1底面，可彎曲驅(qū)動(dòng)組件10，剛設(shè)成一中空的連動(dòng)筒7，兩端設(shè)有萬(wàn)向接頭6，向接頭6配合一彈性插銷(xiāo)5而與轉(zhuǎn)軸3組合一體，形成動(dòng)力齒輪2及其轉(zhuǎn)軸3可

31、連動(dòng)可彎曲驅(qū)動(dòng)組件10旋轉(zhuǎn)作功。 圖2-3改進(jìn)的萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸距可調(diào)式多軸器結(jié)構(gòu)圖 2．2各種方案的比較 方案一結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整較方便，使用較可靠，加工效率較高，可以在中小批量生產(chǎn)中推廣使用；由于孔主軸相對(duì)位置固定，大大限制了調(diào)整鉆主軸的位置靈活性，使得該系列鉆頭在同時(shí)加工三個(gè)或我狐假虎威孔時(shí)，也分布比較規(guī)則時(shí)，可以比較方便調(diào)節(jié)器調(diào)整鉆孔位置，而且不會(huì)使鉆床主軸的受力情況惡化，但當(dāng)孔分布不規(guī)則時(shí)，調(diào)整比較麻煩，多數(shù)情況根據(jù)調(diào)不出來(lái)，即使可以調(diào)整到位，加工時(shí)也會(huì)使鉆床主軸受力惡化；選用該系列鉆孔頭時(shí)，要考慮鉆床的最大加工能力和待加工孔大小相匹配。 方案二具有結(jié)構(gòu)緊湊，使用可靠，加工效率高

32、，靈活性較高，適合大批量生產(chǎn)中；因不同加工物孔數(shù)的不同，需要不同的數(shù)量的可彎曲驅(qū)動(dòng)組件，故必需拆除減少數(shù)量、或組裝增加數(shù)量。因只拆除半段或部分構(gòu)件，會(huì)造成不必要的空轉(zhuǎn)、甩動(dòng)，進(jìn)而干擾、影響其它需要作功的可彎曲驅(qū)動(dòng)組件，嚴(yán)重構(gòu)成構(gòu)件破壞的問(wèn)題。拆除后，各零件非是一體化，而呈分散、凌亂及易遺失其中一零件。 方案三不僅具有方案二的優(yōu)點(diǎn)，而且還彌補(bǔ)了方案二的缺點(diǎn)，該動(dòng)力齒輪的轉(zhuǎn)軸設(shè)成空狀、具有非圓形憶的筒轉(zhuǎn)軸；該可彎曲驅(qū)動(dòng)組件，上端的萬(wàn)向接頭設(shè)成具有對(duì)應(yīng)于筒轉(zhuǎn)軸非圓形孔的非圓形伸縮連動(dòng)桿，而呈長(zhǎng)縱深插合于筒轉(zhuǎn)軸中，使得非圓形伸縮連動(dòng)桿可在筒轉(zhuǎn)軸中被一體連動(dòng)，及伸縮因應(yīng)可彎曲驅(qū)動(dòng)組件調(diào)位的長(zhǎng)度需要，可

33、得簡(jiǎn)易方便、快速拆組、拆除后不徒留構(gòu)件干擾其它尚需作功的可彎曲驅(qū)動(dòng)組件的功效。 綜合上述三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及目前市場(chǎng)上主流的多軸器形式，最后決定選第三種方案為本設(shè)計(jì)所采取的最終方案。 2．3本章小結(jié) 為了達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊，使用可靠，加工效率高，靈活性高的多軸器，可能有很多方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這次設(shè)計(jì)只考慮三種方案，前一種方案是用齒輪軸距可調(diào)式機(jī)構(gòu)，后兩種均是萬(wàn)向式可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，仔細(xì)分析對(duì)比三個(gè)方案，最后選定方案三為本次設(shè)計(jì)的最終方案。 第三章 改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模 3.1改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)第二章方案的提出可知多軸器種類(lèi)雖然不一，但是組成結(jié)構(gòu)基本上是相同的。改進(jìn)的萬(wàn)向式

34、多軸器的結(jié)構(gòu)（如圖3-1）主要由夾緊箍、主動(dòng)齒輪軸、動(dòng)力座、動(dòng)力座上殼體、主動(dòng)齒輪、過(guò)輪、從動(dòng)齒輪、軸承、萬(wàn)向連接組件、調(diào)整座等組成。本文以三維軟件SOLIDWORK為平臺(tái)對(duì)改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器三維建模，SOLIDWORK提供了強(qiáng)大的基于特征的造型功能。 （a）多軸器裝配圖 (b) 多軸器爆炸圖 圖3-1 多軸器結(jié)構(gòu)圖 3.2改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的工作原理 加工過(guò)程中，多軸器通過(guò)主動(dòng)齒輪軸連接到機(jī)床主軸或通過(guò)聯(lián)軸器直接聯(lián)接到電動(dòng)機(jī)上，用夾緊箍夾緊。主動(dòng)齒輪軸通過(guò)末端的凸臺(tái)與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)齒輪相連接，并通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把

35、來(lái)自動(dòng)力設(shè)備的扭矩傳遞給萬(wàn)向連接機(jī)構(gòu)，萬(wàn)向連接機(jī)構(gòu)再把動(dòng)力傳遞給最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多軸鉆來(lái)一次性完成零件上所有的孔的加工，除此可調(diào)式多軸器還可以通過(guò)調(diào)整座來(lái)調(diào)整萬(wàn)向連接機(jī)構(gòu)來(lái)適應(yīng)加工孔的范圍，使多軸器可以加工出在一定范圍內(nèi)變動(dòng)的帶孔零件。 3.3 改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的工效計(jì)算 多軸器的工效是否滿足客戶(hù)需求是判斷所設(shè)計(jì)多軸器是否合格的重要指標(biāo)之一。設(shè)計(jì)人員用多軸器的工效計(jì)算結(jié)果來(lái)驗(yàn)收產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。本文通過(guò)多軸器工效的計(jì)算來(lái)確定多軸器的切削用量，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式確定了多軸器的動(dòng)力參數(shù)及多軸器主軸功率。這些參數(shù)的確定為多軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析奠定了基礎(chǔ)。快速計(jì)算模塊中的程序流將自動(dòng)對(duì)多軸器的工效

36、及動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。多軸器加工循環(huán)如3-2 圖所示： 圖3-2 多軸器加工循環(huán)圖 由上圖可知，多軸器的工作循環(huán)由快速進(jìn)給Lp，工作進(jìn)給Lo，快速退回Lq三部分組成。 工作進(jìn)給長(zhǎng)度等于被加工部位長(zhǎng)度與刀具切入和切除長(zhǎng)度之和。刀具的切入長(zhǎng)度為 5-10mm，切出長(zhǎng)度為： （3-1） 式中：Lr為切出長(zhǎng)度。 d 為鉆孔直徑。 多軸器的工作進(jìn)給長(zhǎng)度為： （3-2） 式中： L 為多軸器工作進(jìn)給長(zhǎng)度。 Ls為切入長(zhǎng)度，Lr為

37、切出長(zhǎng)度，Lo工作進(jìn)給長(zhǎng)度。 理想生產(chǎn)率Q ： （3-3） 式中： A 為被加工零件的年生產(chǎn)綱領(lǐng)，件/年。 為年工時(shí)總數(shù)。 實(shí)際生產(chǎn)率： （3-4）+ （ 3-5） 式中：多軸器加工單個(gè)零件所用時(shí)間。 為多軸器工作進(jìn)給速度。 為多軸器快速進(jìn)給與后退速度。 為工件裝夾的時(shí)間。 生產(chǎn)效率判斷: ≥ （3-6） 根據(jù)以上關(guān)系式可以推出多軸器工作進(jìn)給速度Vf ，結(jié)合加工孔徑的大小可以

38、確定出多軸器的切削用量，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出多軸器的動(dòng)力參數(shù)。 多軸器單軸動(dòng)力參數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下： （3-7） （3-8） = （3-9） 式中： F 為多軸器進(jìn)給力。 HB 工件材料的硬度。 D 為加工孔的直徑。 f 為進(jìn)給量。 v 為切削速度。 M 為單軸切削轉(zhuǎn)矩。 P 為單軸切削功率。 多軸器主軸功率： （3-10） 式中： n 為加工軸數(shù)量。 h 為加工效率。

39、3.4多軸器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的排布及計(jì)算 多軸器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的排布問(wèn)題簡(jiǎn)單地說(shuō)就是尋求給定幾何體在給定空間中的無(wú)干涉布置，并滿足各種約束條件，多軸器齒輪傳動(dòng)布局設(shè)計(jì)直接關(guān)系到多軸器傳動(dòng)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，是多軸器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的核心問(wèn)題之一。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)多軸器齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，先進(jìn)行一級(jí)齒輪傳動(dòng)的掛接布局，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在齒輪干涉現(xiàn)象時(shí)（如下圖3-3 所示），再重新設(shè)計(jì)計(jì)算齒輪，增加過(guò)輪，重新調(diào)整齒輪位置進(jìn)行齒輪的掛接，如下圖3-4 所示。在重新布置齒輪的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員對(duì)齒輪的計(jì)算并裝配的過(guò)程復(fù)雜且知識(shí)無(wú)繼承性，因此在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中浪費(fèi)了很長(zhǎng)的時(shí)間。當(dāng)客戶(hù)要求開(kāi)發(fā)加工能力不同的多軸器時(shí)（如一次性

40、能加工5 個(gè)孔），設(shè)計(jì)人員需要重新對(duì)齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行從一級(jí)齒輪開(kāi)始的掛接不干涉判斷。這樣做了很多重復(fù)設(shè)計(jì)工作，浪費(fèi)了大量的時(shí)間。因此，如果能有一套方法能自動(dòng)對(duì)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布局進(jìn)行無(wú)干涉計(jì)算的話，將使設(shè)計(jì)效率大大提高。在多軸器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)動(dòng)力齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著加工孔的增多，動(dòng)力齒輪的分布會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，我們通過(guò)增加過(guò)輪來(lái)避免干涉的產(chǎn)生，當(dāng)加工孔的個(gè)數(shù)進(jìn)一步增加后過(guò)輪也隨之增加，當(dāng)使用過(guò)輪無(wú)法解決干涉問(wèn)題時(shí)，我們把平面問(wèn)題的齒輪布局轉(zhuǎn)換到齒輪的空間三維布局中去解決。三維布局問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。通過(guò)兩幅圖來(lái)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，如圖3-3 所示是不加過(guò)輪齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力齒輪發(fā)生干涉時(shí)的臨

41、界圖。如圖3-4 是加過(guò)輪后的二次齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。 圖3-3不加過(guò)輪發(fā)生干涉時(shí)的臨界圖 圖3-4加過(guò)輪后的二次齒輪傳動(dòng) 算法描述如下： 1．計(jì)算兩動(dòng)力齒輪臨界干涉時(shí)的角。 （3-11） 式中：n為一級(jí)齒輪最多加工孔數(shù)。 （3-12） （3-13）

42、 （3-14） 式中：為臨界狀態(tài)的傳動(dòng)比，R 為主動(dòng)齒輪的半徑，r為動(dòng)力齒輪的半徑。 2．通過(guò)關(guān)系式計(jì)算出一級(jí)傳動(dòng)齒輪系在客戶(hù)給定傳動(dòng)比的情況下最多可以加工孔的數(shù)量，其中為客戶(hù)給定傳動(dòng)比。 3．對(duì)客戶(hù)需求進(jìn)行判斷，當(dāng)被加孔件孔數(shù)小于n時(shí)，則無(wú)需過(guò)輪既可以對(duì)齒輪系進(jìn)行布局。 4．通過(guò)客戶(hù)給定傳動(dòng)比即加工孔數(shù)匹配各齒輪參數(shù)； （3-15） （3-16） 式中：為兩孔之間的夾角，為

43、主動(dòng)齒輪齒數(shù)，為動(dòng)力齒輪齒數(shù)。 5．判斷是否使用過(guò)輪： 當(dāng)被加工孔數(shù)大于 n時(shí)，使用過(guò)輪。 6．進(jìn)行傳動(dòng)比劃分： （3-17） （3-18） 式中：為主動(dòng)齒輪與過(guò)輪之間的傳動(dòng)比。 為過(guò)輪與動(dòng)力齒輪之間的傳動(dòng)比。 7．判斷干涉： 當(dāng)動(dòng)力齒輪與過(guò)輪有其一發(fā)生干涉時(shí)，匹配失敗，重新配傳動(dòng)比，如此循環(huán)。 8．齒輪參數(shù)配湊計(jì)算； （3-19）

44、 （3-20） （3-21） 式中：為主動(dòng)輪齒數(shù)，為動(dòng)力齒輪齒數(shù)，為過(guò)輪齒數(shù)， 為兩孔之間的夾角。 設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同的需求和加孔數(shù)及傳動(dòng)比對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，本文設(shè)計(jì)應(yīng)用了六個(gè)加工孔，根據(jù)以上算法本設(shè)計(jì)取=42，=42，=28，m=2,如圖3-5所示二級(jí)齒輪無(wú)干涉?zhèn)鲃?dòng)。 圖3-5 改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器二級(jí)齒輪無(wú)干涉?zhèn)鲃?dòng) 3.5 改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的可彎曲組件設(shè)計(jì) 改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的可彎曲組件如圖3-6所示，動(dòng)力齒輪傳動(dòng)配合軸承81組設(shè)有數(shù)個(gè)具有轉(zhuǎn)軸的動(dòng)力齒輪21，其并連設(shè)有

45、由萬(wàn)向接頭6、夾頭8、連動(dòng)桿27所構(gòu)成的可彎曲驅(qū)動(dòng)組件20，夾頭8可組裝工具頭及配合調(diào)整座而調(diào)整定位于加工位置。其特征在于：該動(dòng)力齒輪21的轉(zhuǎn)軸設(shè)成中空狀、具有非圓形孔22（例如：六角孔）的筒轉(zhuǎn)軸23，筒轉(zhuǎn)軸23設(shè)有環(huán)槽24，設(shè)予C型扣25而與多軸器本體組固成一體，且筒轉(zhuǎn)軸23只稍露出動(dòng)力座的內(nèi)底面，呈現(xiàn)幾乎全埋入動(dòng)力座中，該可彎由組個(gè)20，上端的萬(wàn)向接頭6設(shè)成具有對(duì)應(yīng)于筒轉(zhuǎn)軸23非圓形孔22的非圓形伸縮連桿26，而呈長(zhǎng)縱深插合于筒轉(zhuǎn)軸23中，使得非圓形伸縮連動(dòng)桿26可在筒轉(zhuǎn)軸23中被一體運(yùn)動(dòng)、及伸縮因應(yīng)可彎曲驅(qū)動(dòng)組件調(diào)節(jié)器位的長(zhǎng)度需要。如圖3-7所示改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的可彎曲組三維模型。

46、 圖3-6 改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器的可彎曲組件 圖3-7可彎曲組件三維模型 3.6 本章小結(jié) 本章對(duì)改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了闡述，并對(duì)多軸器的工效計(jì)算進(jìn)行了推理，為多軸器設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)排布計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。文章設(shè)計(jì)了一套能進(jìn)行齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)布局無(wú)干涉計(jì)算算法，使設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率大大提高。最后對(duì)其基于三維軟件SOLIDWORK對(duì)改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器建立模型，為下一步動(dòng)力座有限元分析奠定基礎(chǔ)。 第四章 動(dòng)力座的三維有限元分析及改進(jìn) 多軸器動(dòng)力座是多軸器組成當(dāng)中非常重要的部件，它的性能的好壞直

47、接關(guān)系到整個(gè)多軸器的使用壽命跟加工精度。本文以多軸器動(dòng)力座為對(duì)象，本文以ABAQUS 有限元分析軟件為平臺(tái)，對(duì)多軸器動(dòng)力座進(jìn)行了靜態(tài)分析。為多軸器動(dòng)力座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化及多軸器的整機(jī)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)為進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。 4.1有限單元法的計(jì)算思路 有限單元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。它是五十年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域――飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用起來(lái)的一種有效的數(shù)值計(jì)算方法。有限元法分析計(jì)算的思路和作法可歸結(jié)如下： 4.1.1 物體離散化 將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各單元組成的計(jì)算模型。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來(lái)；單元

48、節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問(wèn)題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定。一般情況，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量越大。 4.1.2單元特性分析 1）選擇位移模式 在有限單元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱(chēng)為位移法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱(chēng)為混合法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí)稱(chēng)為力法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化，所以，在有限單元法中應(yīng)用最廣。 當(dāng)采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)離散化之后，就可以把單元中的一些物理量如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示。這時(shí)可以對(duì)單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，我們就將位移表

49、示為坐標(biāo)變量的簡(jiǎn)單函數(shù)。這種函數(shù)稱(chēng)為位移模式或位移函數(shù)。 2）分析單元的力學(xué)性質(zhì) 根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來(lái)建立節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃嚒? 3）計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 物體離散化后，假定力是通過(guò)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元。但是，對(duì)于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力或集中力都需要等效地移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效節(jié)點(diǎn)力來(lái)代替所有作用在單元上的力。 4.1.3 單元組集

50、 利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來(lái)的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)接起來(lái)，形成整體有限元方程： K q = f 式中,K 是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；q 是節(jié)點(diǎn)位移列陣；f 是載荷列陣。 4.1.4 求未知節(jié)點(diǎn)位移解有限元方程式得出節(jié)點(diǎn)位移 可以看出，有限元法的基本思想是“一分一和”，分是為了進(jìn)行單元分析，和則是為了對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。 4.2 ABAQUS 介紹 ABAQUS 是功能強(qiáng)大的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，模擬非常龐大復(fù)雜的模型，處理高度線性問(wèn)題。ABAQUS 具有十分豐富的單元庫(kù)，可以模擬任意實(shí)際形狀。ABAQUS 也具有相當(dāng)豐富的材料模型庫(kù)，可以模擬

51、大多數(shù)典型工程材料的性能，包括金屬、橡膠、聚合物、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮的彈性泡沫以及地質(zhì)材料（例如土壤和巖石）等。作為一種通用的模擬工具，應(yīng)用ABAQUS 不僅能夠解決結(jié)構(gòu)分析（應(yīng)力/位移）問(wèn)題，而且能夠模擬和研究熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、電子元器件的熱控制的熱控制（熱-電耦合分析）、聲學(xué)、土壤力學(xué)（滲流-應(yīng)力耦合分析）和壓電分析等廣闊領(lǐng)域中的問(wèn)題。 ABAQUS 使用起來(lái)十分簡(jiǎn)便，可以很容易地為復(fù)雜問(wèn)題建立模型。例如，對(duì)于多部件問(wèn)題，可以首先為每個(gè)部件定義材料參數(shù)，劃分網(wǎng)格，然后將他們組裝成完整模型。對(duì)于大多數(shù)模擬（包括高度非線性的問(wèn)題），用戶(hù)僅需提供結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性、邊界條件和載

52、荷工礦等工程數(shù)據(jù)。在非線性分析中，ABAQUS 能自動(dòng)選擇合適的載荷增量和收斂準(zhǔn)則，并在分析過(guò)程中不斷地調(diào)整這些參數(shù)值，確保獲得精確地解答，用戶(hù)幾乎不必去控制任何參數(shù)就能控制問(wèn)題的數(shù)值求解過(guò)程。ABAQUS 包含一個(gè)全面支持求解器的前后處理模塊ABAQUS/CAE,以及兩個(gè)主求解器模塊ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit。ABAQUS 還提供了專(zhuān)用模塊，包括ABAQUS/Design、ABAQUS/Aqua、ABAQUS/Foundation、MOLOFLOW 接口、ADAMS接口等。 4.3有限元分析的實(shí)現(xiàn) 有限元分析軟件分為三個(gè)階段：前處理階段、求解階段和后

53、處理階段。在這三個(gè)處理階段中，第一個(gè)階段用時(shí)最長(zhǎng)，第三個(gè)階段次之，第二個(gè)階段相對(duì)較少。也就是說(shuō)，利用有限單元法分析工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題時(shí)，主要的時(shí)間是用于工程結(jié)構(gòu)的離散和結(jié)果的后處理。前處理階段即分析對(duì)象的有限元網(wǎng)格剖分與數(shù)據(jù)生成。首先，對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行坐標(biāo)系和單元類(lèi)型的確定，生成實(shí)體模型，進(jìn)而建立有限元分析模型，并且進(jìn)行劃分網(wǎng)格，控制節(jié)點(diǎn)和單元，載荷與材料參數(shù)直接輸入與公式參數(shù)化導(dǎo)入，有限元分析載荷數(shù)據(jù)的生成等等。這里需要說(shuō)明的是生成模型兩種不同的方法：直接實(shí)體建模和參數(shù)化建模。求解階段針對(duì)有限元模型進(jìn)行單元分析，在此階段，要進(jìn)行有限單元庫(kù)的建立、材料庫(kù)及相關(guān)算法、約束處理算法等的選擇。在準(zhǔn)備工作結(jié)束

54、后，就可進(jìn)行求解，我們命令程序針對(duì)所選擇的分析類(lèi)型求解控制方程并計(jì)算出結(jié)果。后處理階段根據(jù)工程結(jié)構(gòu)模型與設(shè)計(jì)要求，對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行用戶(hù)所要求的加工和檢查，并以圖形方式將結(jié)果提供給用戶(hù)，輔助用戶(hù)判定計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)方案的合理性。具體包括有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)平滑性；結(jié)構(gòu)并行圖和應(yīng)力分布圖等的顯示；根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化與模型修改等。 4.4 動(dòng)力座的靜力有限元模擬分析 4.4.1有限元模型建立 有限元模型建立的好壞關(guān)系到以后分析計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算成本。建立有限元模型可以采用有限元分析軟件直接建立模型，也可以采用采用其它三維實(shí)體造型軟件建立部件的三維實(shí)體模型，然后通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換調(diào)入到有限元分析

55、軟件中，進(jìn)而建立模型。由于動(dòng)力座在ABAQUS軟件中的建模比較麻煩，故先運(yùn)用SolidWorks軟件建立動(dòng)力座的三維模型，將模型的Parasolid文件導(dǎo)出后，導(dǎo)人到ABAQUS中在本文中。在建立模型過(guò)程中，為了便于有限元分析，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，主要包括螺紋連接孔、忽略空刀槽、倒角等局部特征。經(jīng)過(guò)這樣的簡(jiǎn)化可以提高計(jì)算效率，并且對(duì)計(jì)算結(jié)果精度影響很小。如圖4-1為動(dòng)力座的三維外觀圖。圖4-2導(dǎo)入ABAQUS后的外觀圖。 圖4-1 動(dòng)力座的三維外觀圖 圖4-2導(dǎo)入ABAQUS后的外觀圖 4.4.2材料參數(shù) 因?yàn)閯?dòng)力座主要采用40C

56、r鋼, 40Cr鋼是機(jī)制造業(yè)使用最廣的鋼種之一,經(jīng)調(diào)質(zhì)后具有良好的綜合力學(xué)性能,它的切削加工性和淬透性尚好,經(jīng)碳氮共滲和高頻淬火后,可作受載荷較大及要求耐磨又不受很大沖擊的零件。材料參數(shù)如表4-1。 表4-1 材料參數(shù) 參數(shù)量 彈性模量(N/m） 泊松比 密度（kg/m^3） 輸入量 2.06e11 0.28 7800 4.4.3施加約束和載荷 根據(jù)多軸器的工作狀況分析可知，動(dòng)力座上表面為全約束，底面承受面壓力載荷。根據(jù)加工時(shí)的工況，令該壓力為100N/m^2。施加約束和載荷后的模型如圖4-3所示。 圖4-3施加約束和載荷后的模型 4.4.4 劃分網(wǎng)格和計(jì)算求

57、解 網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。質(zhì)量好壞將影響計(jì)算精度。質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至?xí)兄褂?jì)算。直觀上看,網(wǎng)格各邊或各個(gè)內(nèi)角相差不大、網(wǎng)格面不過(guò)分扭曲、邊節(jié)點(diǎn)位于邊界等份點(diǎn)附近的網(wǎng)格質(zhì)量較好。網(wǎng)格質(zhì)量可用細(xì)長(zhǎng)比、錐度比、內(nèi)角、翹曲量、拉伸值、邊節(jié)點(diǎn)位置偏差等指標(biāo)度量。在此我們可以將整個(gè)動(dòng)力座一起做網(wǎng)格劃分，化出整個(gè)動(dòng)力座的網(wǎng)格圖，單元類(lèi)型選3D stress,如圖4-4所示網(wǎng)格化的模型。之后即可計(jì)算分析了，如圖4-5所示為計(jì)算對(duì)話框。 a 劃分網(wǎng)格種子 b 劃分網(wǎng)格 4-4 網(wǎng)格化的模型 圖4-5 計(jì)算對(duì)話框。

58、4.4.5查看云圖 經(jīng)過(guò)ABAQUS模擬分析后，我們可以通過(guò)查看應(yīng)力云圖了解到整個(gè)動(dòng)力座的應(yīng)力分布情況，如圖4-6所示，應(yīng)力分布云圖，如圖4-7所示，位移分布云圖，如圖4-8所示，反作用力分布云圖。 圖4-6 應(yīng)力分布云圖 圖4-7 位移分布云圖 圖4-8 反作用力分布云圖 4.5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析 通過(guò)ABAQUS的有限元靜力分析可得到應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖及反作用分布云布，從云圖中可得出：筋板與底圓柱相交接處出現(xiàn)應(yīng)力集中分布，并且使受壓力面上的位移較大。由此可以將筋板厚度加大并且適當(dāng)?shù)丶用芙畎宓臄?shù)目，可以得有很好的結(jié)構(gòu)改善。當(dāng)加強(qiáng)筋厚度加大一倍時(shí)，應(yīng)力分布云圖如

59、圖4-9所示。顯然可見(jiàn)，加大加強(qiáng)筋厚度的應(yīng)力更小了，使其強(qiáng)度更大，更可靠。 圖4-9 改進(jìn)后的動(dòng)力座應(yīng)力分布云圖 4.6 本章小結(jié) 本章介紹了有限元理論和有限元方法的實(shí)現(xiàn)，采用ABAQUS有限元分析技術(shù),模擬多軸器動(dòng)力座在某一工況下工作時(shí)的受力狀況,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,得到了應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖及反作用分布云布，確定了各部位的應(yīng)力分布和局部應(yīng)力集中點(diǎn),結(jié)合實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),加強(qiáng)了強(qiáng)度,受力情況得到很好的改善。 結(jié)論 在這次設(shè)計(jì)中，查閱了關(guān)于多軸器的一些書(shū)刊資料，對(duì)多軸器有了基本的認(rèn)識(shí)。在這種情況下，結(jié)合所查閱到的資料，設(shè)計(jì)出了三種方案，并對(duì)這三種方案進(jìn)行了相互比較

60、，最后選定了第三種方案。方案選定后，隨之對(duì)多軸器的傳動(dòng)系統(tǒng)做了設(shè)計(jì)和計(jì)算。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布局無(wú)干涉計(jì)算算法解決了設(shè)計(jì)人員在平面內(nèi)齒輪系快速掛接問(wèn)題，從而可以使在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)重新設(shè)計(jì)的速度大幅度提高，同時(shí)為今后空間齒輪機(jī)構(gòu)布局問(wèn)題的研究奠定了理論基礎(chǔ)。并且用強(qiáng)大的三維軟件SOLIDWORK對(duì)改進(jìn)的萬(wàn)向式多軸器進(jìn)行三建模。為實(shí)現(xiàn)有限元分析，本文對(duì)多軸器的動(dòng)力座通過(guò)ABAQUS進(jìn)行了有限元靜力分析，使三維設(shè)計(jì)軟件SOLIDWORK和有限元分析ABAQUS軟件無(wú)縫連接環(huán)境下進(jìn)行導(dǎo)入計(jì)算分析受力分析，并得出應(yīng)力分布云圖等。通過(guò)結(jié)果云圖對(duì)其動(dòng)力座進(jìn)行改進(jìn)分析，最后通過(guò)加大加強(qiáng)筋的厚度使其強(qiáng)度得到提高。 畢

61、業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)四年中所學(xué)知識(shí)的一次綜合性的考察，它可以比較全面的檢查我們的專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平，及時(shí)讓我們發(fā)現(xiàn)缺點(diǎn)和不足。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我回顧了四年所學(xué)的知識(shí)充分認(rèn)識(shí)到了自己的欠缺，學(xué)會(huì)了運(yùn)用手冊(cè)和查閱相關(guān)書(shū)籍資料，學(xué)會(huì)了用標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范自己。畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文是本科生培養(yǎng)方案的重要環(huán)節(jié)。所謂“溫故而知新”，只有對(duì)已學(xué)過(guò)的知識(shí)真正掌握了，才能吸收新的知識(shí)。而新的知識(shí)反過(guò)來(lái)則可以進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)已學(xué)知識(shí)有新的理解。 參 考 文 獻(xiàn) [1]陸文玉. H10-UK72型數(shù)控多軸鉆孔專(zhuān)用機(jī)床的設(shè)計(jì)[J].人造板機(jī)器，1998，12：13-16. [2] 黃中央，謝興強(qiáng).可調(diào)式多軸鉆孔頭設(shè)計(jì)[J].制造材料，20

62、01，39（446）：39-41. [3] 楊世成.基于PLC控制的三軸鉆專(zhuān)用機(jī)床設(shè)計(jì)[D].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2006. [4] 李伯虎, 柴旭東. 復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)工程冊(cè)[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2002, 8(9): 678-683. [5] 雷曉燕. 有限元法[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2000. [6] 黃菊花, 黎雪芬, 饒進(jìn)軍. 材料成形計(jì)算機(jī)模擬中的參數(shù)化有限元法[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2003,14(1):145-147. [7] 石建奎. 汽車(chē)連桿的有限元模態(tài)分析[J]. 裝備制造技術(shù), 2009, 14(8): 23-24. [8] 王勖成. 有限

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64、[14]《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》編輯委員會(huì)，現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)（第二版），北京　機(jī)械工業(yè)出版社，2002.5 145～167 [15]廖希亮等，計(jì)算機(jī)繪圖與三維造型[M]，北京 機(jī)械工業(yè)出版社，2002.9 23～345 [16]楊黎明、黃凱、李恩至、陳實(shí)現(xiàn)，機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]，北京 國(guó)防工業(yè)出版社，1987.6，225～287 [17]孫桓，機(jī)械原理[M]， 北京　高等教育出版社，2006.5 174～201 [18]傅衣銘、熊慧而等，材料力學(xué)[M]，長(zhǎng)沙　湖南大學(xué)出版社，2007.1 209～219 [19]廖念釗、莫雨松等，互換性與技術(shù)測(cè)量(第四版) [M]，北京 中國(guó)計(jì)量

65、出版社，2006.7 　1～117 [20]朱孝錄等，機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]，北京 電子工業(yè)出版社，2007.7 120～357 致謝 本次設(shè)計(jì)是在尊敬的xx教授和xx老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成的，導(dǎo)師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高度的責(zé)任心以及嚴(yán)于律己、待人誠(chéng)懇的思想品德深深的影響著我，這不僅使我順利完成了此項(xiàng)設(shè)計(jì)，而且也將成為使我受益終生的寶貴財(cái)富。幾個(gè)月的時(shí)間里，從課題的選定、資料的收集、方案的擬定、課題的具體設(shè)計(jì)到論文的審定改進(jìn)，xx老師都給與了極大的幫助，傾注了大量的心血。通過(guò)這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生不僅開(kāi)拓了思路、擴(kuò)大了視野、豐富了知識(shí)面，還初步掌握了處理

66、具體實(shí)踐問(wèn)題的科學(xué)方法，為學(xué)生今后發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 從課題的選擇到完成，xx教授和xx老師都始終給予我耐心細(xì)致的指導(dǎo)和不懈的支持和督促，在此謹(jǐn)向xx教授和xxxx老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。 在完成論文的過(guò)程中，還得到了機(jī)械工程學(xué)院xx等多位老師的建議和指導(dǎo)，同時(shí)也得到了一些同學(xué)的的熱情幫助和鼓勵(lì)，對(duì)此，表示深深的感謝和衷心的祝福。 普通鉆床改造為多軸鉆床(譯文) 目前，我國(guó)中、小型企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都需要有一個(gè)新的提高．但是加工手段卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要．許多中小型企業(yè)都結(jié)合自己的實(shí)際對(duì)設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)強(qiáng)化自身．以求自我發(fā)展.普通鉆床為單軸機(jī)床，但安裝上多軸箱就會(huì)成為多軸的鉆床，改造成多軸鉆床后，能大大地縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。 多軸加工應(yīng)用：據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般在車(chē)間中普通機(jī)床的平均切削時(shí)間很少超過(guò)全部工作時(shí)間的15%。其余時(shí)間是看圖、裝卸工件、調(diào)換刀具、操作機(jī)床、測(cè)量　以及清除鐵屑等等。使用數(shù)控機(jī)床雖然能提高85%，但購(gòu)置費(fèi)用大。某些情況下，即使生產(chǎn)率高，但加工相同的零件，其成本不一定比普通機(jī)床低。故必須更多地縮短加工時(shí)間。不同的加工方法有不同的特