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型大螺旋桨双面加工铣床结构设计--毕业设计.doc
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1、分类号学 号2009090205Yuncheng University学士学位论文大型螺旋桨双面加工铣床结构设计学科门类: 机 械 类 学位申请人: 张 丽 隶属系部: 机电工程系 指导教师: 张慧鹏 讲师 董芬 助教 申请日期: 2013年6月 大型螺旋桨双面加工铣床结构设计设计总说明螺旋桨是一类典型的自由曲面零件广泛应用于航天、航海等行业。它的曲面形状和制造精度直接决定了推进的效率和噪音的大小,研究其设计与加工对于军工和整个航运都有着极其重要的意义。本论文主要针对螺旋桨的结构、加工特点,设计了一种能够同时加工两个自由曲面的双面加工铣床的结构部分,重点包括整体结构设计和主轴装夹结构设计。 该
2、机床主要由机架部分、两套主轴装夹机构和螺旋桨装夹机构组成。螺旋桨安装后,机床能同时加工螺旋桨桨叶的上下两面,并且使两面产生的加工应力基本抵消,既提高了铣削的精度,又避免了换面安装时所带来的定位误差。另外,当一个桨叶加工完成后,可通过螺旋桨装夹机构的转动,来加工其他叶片,一次安装即可加工所有桨叶,加工精度和加工效率都可以提高。 铣床整体为立式混联机床;主轴装夹机构由2维平动工作台和3轴并联工作台组成,能实现5个自由度的移动;螺旋桨夹紧机构由1维平动工作台、旋转工作台和夹紧机构组成,可以方便螺旋桨的安装和转动。 该铣床的设计,对提高螺旋桨的加工精度和加工效率有着重要意义。关键词:并联机床;螺旋桨加
3、工;双面铣床 The Propeller Double-sided Processing Structure Design Design DescriptionPropeller is a kind of typical free-form surface parts widely used in aerospace, navigation, etc. Its curved shape and manufacture of precision directly determines the efficiency of propulsion and the size of the noise,
4、studies the design and processing for the military and the whole shipping has extremely important significance.In this thesis, the physical construction of double-sided milling machine that can machining double-free-form surface at the same time is designed, in accordance with the structure and proc
5、essing characteristics of large propeller, the design highlights include the whole structure design and spindle clamping mechanism design. This machine is composed of two sets of spindle clamping institutions and propeller clamping mechanism composition. The double-free-form surface of propeller bla
6、de can be machined by the milling machine at the same time after the propeller is installation ,so the two machining stress can be counteract each other. In this way, not only improves the precision of milling, but also avoid the positioning error when changing face when installed .In addition, afte
7、r the machining of a propeller blade is finished, the propeller can roll by the propeller clamping mechanism composition, then all propeller blades of the propeller can be machined, so the quality and efficiency of the machining can improve.The milling machine is vertical Parallel Machine Tool. The
8、spindle clamping institutions is consist of 2-degree-of-freedom translation worktable and 3 axis parallel translation worktable of workbench. So the spindle clamping institutions can move in 5-degree-of-freedom. The propeller clamping mechanism consists of a 1-degree-of-freedom translation worktable
9、 a rotary worktable and clamping mechanism composition. So the propeller clamping mechanism composition can complete the installation and rotation of the propeller. The design of the milling machine makes great importance for improving the quality and the efficiency of machining of the large propell
10、er. Key words: propeller blade; Parallel Machine Tool; Double-sided milling machineIII目录第1章 绪 论11.1 选题目的、价值和意义11.2 本课题在国内外的研究状况及发展趋势11.2.1 螺旋桨双面加工铣床的国外研究状况11.2.2螺旋桨双面加工铣床的国内研究状况21.2.3螺旋桨双面加工铣床的发展趋势21.3主要研究内容3第2章 机床的整体结构设计42.1确定机床的工作方式42.2 确定机床各部件自由度52.3机床的整体布局52.4主轴装夹机构的设计62.4.1二维串联工作台62.4.2并联工作台72.
11、5螺旋桨装夹机构的基本设计9第3章 并联工作台的结构设计113.1确定主要参数113.2确定并联杆的基本结构113.3确定动平台的尺寸123.4确定定平台的尺寸123.5分配并联杆上主要部件的轴向尺寸133.6并联轴滚珠丝杠的选择143.7确定并联杆的主要径向尺寸163.8电机的选择173.9 轴承的选择183.10 本章小结20第4章 串联工作台的结构设计214.1第一级工作台的设计214.1.1主要参数214.1.2导轨的选择224.1.3滚珠丝杠的选择与校核234.1.4电机的选择254.1.5滚珠丝杠轴承的选用和校核254.1.6工作台主板的尺寸274.2第二级工作台的设计274.2.
12、1主要参数284.2.2导轨的选择284.2.3滚珠丝杠的选择与校核294.2.4电机的选择314.2.5滚珠丝杠轴承的选用和校核324.3 本章小结33结 论35参考文献36致 谢37第1章 绪论第1章 绪 论1.1 选题目的、价值和意义螺旋桨是一类典型的自由曲面零件广泛应用于航天、航海等行业。由于螺旋桨是由复杂几何形状组成的工件,直径大、叶片多,空间重叠区域大,吸力面和压力面均为空间自由曲面,导边随边均采用空间曲线圆滑过渡,叶片叶片与桨毂之间过度圆角半径由导边到随便不断变化。所以螺旋桨叶片的设计加工精度,将直接影响推进速度和和噪音的大小,研究其设计与加工对于军工和整个航运都有着极其重要的意
13、义1。对于螺旋桨的加工而言,先进且合适的加工设备对于获得理想的精度至关重要。目前,我国的螺旋桨加工通常采用铣床或者机械臂单面进行粗加工,再通过大量的人工修磨来完成,此方法费时费力,且加工的精度难以满足设计的需要。特别是对于大尺寸螺旋桨加工而言,扁薄的叶片受到单面加工应力后很容易发生弯曲变形,其形状与尺寸更加难以保证。因此,设计生产一种多自由度,并且能极大减小或消除加工应力和多次装夹对加工精度的影响的加工设备,对于提高螺旋桨的加工精度有着重要意义。进而也对加强我国国防建设,促进国名经济相关行业的发展都具有十分重要的意义。所以,设计一种大型螺旋桨双面加工铣床对我国的国防和经济建设有极其重要的意义。
14、1.2 本课题在国内外的研究状况及发展趋势1.2.1 螺旋桨双面加工铣床的国外研究状况国外工业发达国家在加工设备方面起步早、发展充分,也注重高性能加工设备的研发,各国竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床,以加强工业和国民经济的发展。目前,国外工业发达国家在高性能加工设备方面的研发、生产和生产方面处于领先地位;其国内全部生产数控机床、加工中心、高精度机床、高端流水线等先进加工设备,普通加工机床等设备已逐步甩给第三世界国家去经营。日本、德国、美国等三国生产的加工系统约占国际市场的三分之二,高端加工设备方面,更是近乎垄断,并全力限制其对外出口,以限制新型工业化国家的发展和壮大2。在螺旋桨
15、加工设备中,国外工业发达国家和制造强国早已拥有像大型螺旋桨双面加工铣床这样的专业化加工设备,借助其国内优良的装备制造基础,其研制出的加工设备在加工精度、自动化程度、可靠性及智能化程度等方面都处于领先地位。也正因为此,这些国家成为向高性能潜艇、螺旋桨发动机、先进船舶等提供高性能、高质量的螺旋桨产品。由于螺旋桨在军事领域和国民经济领域都有着重要作用,国外先进工业国家严格限制相关先进加工设备对我国的出口3。1.2.2螺旋桨双面加工铣床的国内研究状况我国的装备制造业,起步晚、时间短,发展不充分、不系统、不完善,但是经过不懈努力我国的装备制造无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发展,在一
16、些关键技术方面也取得了重大突破。据统计,目前我国可供市场的制造装备,单数控机床就有1500种,几乎覆盖了整个工业生产领域。这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期。但是在螺旋桨加工领域,我国已研制出多重加工设备,由湖北完成的国家“863计划”数控重型螺旋桨七轴五联动车铣复合加工机床研制项目就在主机、控制和空间曲面加工等方面均取得了自主创新成果,不仅填补了我国复合加工机床研制的空白,而且多项技术为国内首创;同时,也为我国飞机发动机的制造提供了高性能的国产装备,对加强我国国防建设,促进国民经济相关行业的发展都具有十分重要的意义。但是,我国的先进螺旋桨加工设备,无论在加工精度、自动化水平,还是在可靠
17、性方面都还没有达到发达工业国家的先进水平,这也在一定程度上限制了我国在潜艇、螺旋桨发动机、先进水面舰艇等的发展。目前,我国还没有专用于大型螺旋桨的双面加工铣床。1.2.3螺旋桨双面加工铣床的发展趋势随着制造加工水平和设计水平的提高,机床的加工精度和速度越来越高,机床的种类也越来越多。此次设计的双面加工铣床,就采用了并联轴结构,属于混联机床4。混联机床,作为上世纪90年代机床技术和机器人技术相结合的产物,与传统结构机床相比具有很多的优点:1)刚度重量比大:因采用并联闭环静定或非静定杆系结构,且在准静态情况下,传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆,故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。2)响应速
18、度快:运动部件惯性的大幅度降低,有效地改善了伺服控制器的动态品质,允许动平台获得很高的进给速度和加速度,因而特别适于各种高速数控作业。3)环境适应性强:便于可重组和模块化设计,且可构成形式多样的布局和自由度组合。在动平台上安装刀具可进行多坐标钻、磨、抛光,以及异型刀具刃磨等加工。装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器,还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。4)技术附加值高:并联机床具有“硬件”简单,“软件”复杂的特点,是一种技术附加值很高的机电一体化产品,因此可望获得高额的经济回报5。因此,并联结构在机床上的采用可以看作是机床行业的一种趋势。目前,国际学术界和工程界对研究与开发并联
19、机床非常重视,各种新型的并联机床层出不穷,我国也已将并联机床的研究与开发列入国家“九五”攻关计划和863高技术发展计划,相关基础理论研究连续得到国家自然科学基金和国家攀登计划的资助。部分高校还将并联机床的研发纳入教育部211工程重点建设项目,并得到地方政府部门的支持且吸引了机床骨干企业的参与。1.3主要研究内容为提高我国装备制造业技术水平,改善我国螺旋桨加工的经济效益,通过对双面加工铣床的结构设计,建立双面加工铣床的优化模型。围绕以上目的,把主要研究内容分为:1、研究并确定双面铣床的加工方式,确定铣床的自由度结构类型,螺旋桨装夹方式等。2、合理设计主轴装夹机构,使其能满足复杂自由平面的加工要求
20、。3、合理设计铣床的主要结构及尺寸,在实现功能的前提下 ,尽量使铣床结构简单可靠、精度高,并进行可行性分析。4、画出机床的3维和2维装配图,同时进行动态仿真。第2章 机床的整体结构设计2.1确定机床的工作方式为了确定机床的整体方案,首先要了解和分析大型螺旋桨的结构和加工特点。 1、大型螺旋桨的桨叶比较薄,而且受力面积很大,叶片远端距离轮毂的距离较远,因此在单面加工时可以看作是一个悬臂梁,在受到加工应力时,很容易发生形变,引起较大的加工误差。但是如果采用双面加工,因为上下曲面同时加工,加工应力大部分可以相互抵消,螺旋桨受力情况大大改善,提高了加工精度。螺旋桨桨叶受力分析示意图如图2-1所示。图2
21、-1 虎螺旋桨桨叶受力分析2、螺旋桨的上下面都是自由曲面、形状复杂,传统的单面加工方式,因为要正反面分别加工,需要两次安装和对刀,因此,理论设计中对上下曲面所要求的位置公差很难得到保证。这是单面加工所存在的缺陷。如果采用双面同时加工的方案,一次装夹就可以加工上下面,因而上下面的位置公差可以得到极大的包证,加工的精度也可以提高。单面加工和双面加工加工效果如图2-2所示1。 图2-2 单面加工和双面加工效果比较 9第2章 机床的整体结构设计3、螺旋桨采用单面加工时,需要两次走刀、两次装夹定位,加工耗时长,效率比较低。如果采用双面加工,加工过程只有一次装夹定位和一次走刀,耗时少,加工效率较高。综上决
22、定,机床采用双面加工的方式,故需要两套主轴装夹机构和一套螺旋桨装夹机构2.2 确定机床各部件自由度螺旋桨是一种典型的自由曲面零件,加工设备需要满足很高的自由度要求,至少达到5个自由度才能实现对自由曲面的加工。对于双面加工铣床有两种方法来实现:方案a:螺旋桨装夹机构有2个平动自由度,主轴装夹机构各有3个回转自由度,可以实现螺旋桨叶片两个自由曲面各自的加工需求。方案b:螺旋桨装夹机构没有平动自由度,两个主轴装夹机构各有5个自由度,包括2个平动自由度和3个回转自由度,可以实现对自由曲面的加工。分析:对于a方案,可以实现螺旋桨叶片两个自由度曲面各自的加工需求,但是具有不方便两个自由曲面之间的协调、可加
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