机床主轴结构参数优化设计.pdf

J u n ．2 0 1 4 机床与液压 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e r i ng Vo 1 ．4 2 No ． 1 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 2 ． 0 1 7 Op t i mi z e d de s i g n o f ma c hi ne t o o l s p i nd l e s t r uc t u r a l p a r a m e t e r s S i q i DENG，De n g y u n MA，W e i g a n g Z HENG I n t e l l i g e n t Ma n u f a c t u r i n g a n d C o n t r o l l i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， W u h a n 4 3 0 0 6 3， C h i n a 1 ． I nt r o d uc t i o n Ab s t r a c t Ma c h i n e t o o l s p i n d l e is t h e o b j e c t t o b e o p t imiz e d a n d d e s i g n e d ．C o mb i n e d t h e o p t i mu m d e s i g n i d e a a n d Ma t l a b．t h e mo de l o p t i mi z a t io n t o ma c h i n e t o o l s p i n d l e wa s pu t i n t o p r a c - t i c e wit h p e n a l ty f u n c t i o n ．T h e n mo d a l a n a ly s i s w a s c a r r i e d o u t b y A N S Y S ．T h e f ir s t s i x l o w e s t or d e r s o f t h e s p i n d l e，mo d e o f v ibr a t ion a n d c r it i c a l s p e e d o f r e v olu t io n we r e a n a l y z e d ．An d t h e r a t i o n a li t y o f s t r u c t u r e o p t i mu m d e s i g n o f t h e s p i n dle wa s v e r i f i e d ．Th i s r e s e a r c h p r o v i d e s r e f e r en c e s t o t h e s t r u c t u r e o p t i mu m d e s i g n o f ma c h in e t oo I s p i n d l e ． Ke y wo r d s Ma c h in e t o o l s p i n d l e，Pe n alt y f u n c t i o n me t h o d，Op t i mu m d e s i g n，Mo d a l a n a ly s i s， Dy n a m ic b e h a v iou r Ma c h i n e t o o l s p i n d l e i s t h e e x e c u t i v e c o mp o n e n t o f a ma c h i n e t o o l ，whi c h s u p p o ds a n d d r i v e s t h e c ut t e r o r wo r k p i e c e t o fin i s h s u rfa c e s h a p i n g mo t i o n，d e l i v e r mo t i o n．I t a l s o b e a r s d r i v i n g f o r c e，c u t t i n g f o r c e a n d o t h e r l o a d f a c t o r s ．T h e p r o p e r t y o f ma c h i n e t o o l s p i n d l e i s o n e o f t h e mo s t i mp o r t a n t f a c t o r s a f f e c t i n g t h e e f f i c i e n c y a n d l i f e s pa n o f ma c h i n e t o o l s p i n d l e d i r e c t l y [ 1 ] ．A m a c h i n e t o o l s p i n d l e w i t h s a t i s f a c t o r y p e rfo r ma n c e s h a l l s a t i s f y t h e c e rta i n r i g i d r e q u i r e me n t whi c h i s mo s t d e t e r mi n a t e d b y t h e s t r uc t u r a l p a r a me t e r s a n d r e q u i r e s n e c e s s a r y d e s i g n [ 2 ] ．A s t h e t r a d i t i o n a l d e s i g n s c h e m e r e l i e s o n t h e i n t u i t i v e j u d g m e n t f r o m e x p e r i e n c e a n d c o mp u t a t i o n a l c o n di t i o n i s l i mi t e d，i t i s h a r d t o o b t a i n t h e o p t i mi z e r e s ul t ．W i t h t h e de v e l o p me n t o f c o mp u t e r a p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y， Ma t l a b a n d ANS YS t a k e v e r y i mpo r t a n t r o l e s i n t h e fie l d o f o p t i mi z a t i o n d e s i g n，a n d i mp r o v e t he d e s i g n e ffic i e n c y a n d q u a l i t y g r e a t l y [ 3 ] ． Re c ei v e d2 01 4 0 3一 l 5 十We i g a n g Z HE NG，E ma i l z f e i d i a o 1 2 6 ． c o rn 2． The o pt i mi z a t i o n mo d e l o f ma c hi ne t o o l s p i n dl e F o r t h e c a s e o f a s t e p p e d s h a f t wi t h a n g u l a r c o n- t a c t b e a r i n g，t h e o p t i mi z a t i o n d e s i g n wa s c a r r i e d o u t ． T h e c o n d i t i o n s a r e s h o w a s b e l o w Th e i np u t po we r o f t h e ma c h i n e t o o l s p i n dl e P 2 kW s p i n d l e s p e e dn 1 0 0 0 r ／mi n；c u t t i n g f o r c e t o t he s p i nd l e c a n t i l e v e r e n dF 2 5 k N；s pi n d l e i n n e r d i a me t e rd 45 mm p e r mi s s i b l e d e fl e c t i o n c a n t i l e v e r e n d y o 0 ． 0 5 m m， [ ]1 。 ／ 1 2 m， [ 0 ] 0 ． 0 0 2 5 。 ；d o u b l e b e a r i n g s s p a n L o f s p i n d l e3 6 0 mm≤ L≤6 5 0 mm ； l e n g t h o f c a n t i l e v e r e n d9 0 mm≤ a ≤1 7 0 mm； e x t e r n a l d i a me t e r DI 8 0 mm ≤Dl ≤ 1 6 0 mm； d i a me t e r D 2 o f a x l e b e t we e n b e a r i n g s7 0 mm ≤ D， ≤ 1 5 0 mm ；ma t e r i a l 4 0Cr ；d e ns i t yP 7 8 0 0 k g ／m ； Th e s p i n d l e s c h e ma t i c i s s h o wn i n Fi g u r e 1 ． By p r o c e e d i n g fro m t h e s pi n d l e ma n u f a c t u r i n g c o s t a n d t h e r e q u i r e me n t o f ma c h i ni n g p r e c i s i o n，c o n s i d e r i n g t h e s e l f - we i g h t a n d t h e o v e r h a n g i n g s e c t i o n o f s p i n d l e， t h e mo d e l s c h e me c h o o s e t he s p i n d l e r i g i d i t y a n d p e r i p h e r y l i mi t a s t he c o n s t r a i n t c o nd i t i o n，a nd t h e m i n i ma l ma s s i s t h e d e s i g n o b j e c t i v e f o r t h e roo d e l 『 4] ． S i q i DENG ．e t a 1 ． T he o p t i mi z e d d e s i g n o f ma c h i n e t o o l s p i n d l e s t r uc t u r a l p a r a me t e r s F i g u r e 1 ．S k e t c h ma p o f s p i n d l e 2． 1 ． The de s i g n v a r i a bl e s W h e n t h e ma t e r i a l o f ma c h i n e t o o 1 s p i n d l e i s de s i g n a t e d，t h e ma s s o f t h e s pi nd l e i s a f un c t i o n o f t h e e x t e r n a l d i a me t e r D1 ，t h e d i a me t e r D，o f a x l e be ． t we e n be a r i n g s ，t h e i n n e r d i a me t e r d，t he s pa n L a n d t h e l e n g t h a o f t he e x t e n de d e n d．The i n n e r di a me t e r c a n n o t b e t he d e s i g n v a ria b l e be c a us e i t i s d e t e r ． mi n e d b y t h e ma c h i n e mo d e 1 ．s o t he d e s i g n v a r i a bl e s s h o w a s b e l o w X [ D 。 D ￡ a][ X I X 2 ] ； 2 ． 2 ． T h e o b j e c t i v e f u n c t i o n I n t h e p r e mi s e o f me e t i n g d y n a mi c r e q u i r e me n t s． r e d u c i n g t h e ma s s，s a v i n g t h e ma t e ria l s ，c o s t r e d uc t i o n ， s e t t i n g t h e m i n i m u m m a s s a s t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n i s c o m me n d e d ， p --s p i n d l e d e n s i t y k g ／ m ． m [ D d 2 n D 22～d E ￡ ] m [ 一d 2 X 4 一d 2 ] 2． 3． Th e d e s i g n a t i o n o f c o ns t r a i n t f un c t i o ns 1 R i g i d i t y c o n s t r a i n t s T he d e f o r ma t i o n o f ma c h i ne t o o l s p i n d l e c a n a f - f e c t t h e p r o c e s s i n g q u a l i t y g r e a t l y，s o t he s p i n d l e r e q u i r e s s a t i s f a c t o r y r i g i d i t y a n d l o we r de fle c t i o n o f t h e s p i n d l e e x t e n d e d e n d． W h e n o n l y c o n s i d e rin g t h e a c t i n g f o r c e F i m- p a c t s o n t h e s p i n d l e f r o n t e n d．t h e di s p l a c e me n t o f t h e s p i n d l e f r o n t e n d me e t s t hi s e q u a t i o n y F a a 争 h e r e，E i s t h e e l a s t i c mo d u l us o f t h e s p i n d l e ma t e ria l 2 ． 1 1 0 N ／ m m ， i s t h e i n e r t i a o f s p i n d l e o v e r h a n g i n g s e c t i 。 “ “ IT L 4 1一 d4 mm，i s t h e i n e rti a o f s p i n d l e b e a r i n g s e c t i 。 n T i“ 4 2 一d4 mm 。 Wh e n o n l y c o n s i d e r i n g t h e t o r q u e a c t i n g o n t h e fro n t e n d o f t h e s pi n d l e．t h e f r o n t e nd o f t he s p i n d l e wi l l g e ne r a t e di s p l a c e me n t Y 2 u M ， 3 a 2 L、 Y 2 面 【 了J ． H e r e ， M i s t h e t o r q u e a c t e d o n s p i n d l e N m m Th e d i s pl a c e me n t o f t h e f r o n t e n d o f t h e s p i nd l e y c a n b e r e g a r d e d t h e s u m o f Y F i n t h e s a me p l a n e．S o， 竹 D i d ／ 3 2 I n a dd i t i o n． t h e t o r q u e M a c t e d o 1 3 ma c h i n e t o o l s p i n d l e i s c a u s e d b y c u t t i n g f o r c e F．To c a l c u l a t e t he f o r ． mul a，e q u a t i o n M 2a F wa s t a k e n i n t o l ， F 3 a 2 [ 4 a ～ 等 Co n s i d e r i n g s t i f f ne s s c o n s t r a i n t sYY 0 ，he n c e g 6 3 4 F E X 2 [ ＼ _ 4X 一 _ 4 3 X 一 3 d ／ ／ 一 。 ． 。 5≤。 2 D e fl e c t i o n a n g l e c o n s t r a i n t s I t c a n b e k n o wn t ha t t h e d e fl e c t i o n a n g l e o n B i s t h e l a r g e s t a f t e r a na l y s i s Fa L 3 E D d 4 I t mu s t me e t 0 口[ 0 ] ，t h e n， g2 ； x-- 一。． 。 。 2 5 ≤ 。 3T o r s i o n d e f o r ma t i o n l i mi t S h a ft t o r s i o n r i g i d i t y c o nd i t i o n c o u l d c a l c u l a t e t hr o u g h f o l l o wi n g f o r mu l a ， 1 8 0 ⋯ 一 “ I T 瓦 b 』 ； h e r e，T i s t h e ma x i mu m t o r qu e a c t e d o n s p i n d l e． T 9 5 4 9 P ．G i s t h e s pi n d 1 e ma t e r i a l ’ s s h e a r m。 d u l us o f e l a s t i c i t y ． G 8 ．11 0 MPa ． i s t h e mi n i mu m i n e rt i a t o r q u e o f s p i n d l e s e c t i o n ． 竹 D 一d ／ 3 2 ．A s ⋯ ≤[ ] ， g3 x 1 8 0 n d／ 1 T L ， 盯 一 。 J j 一 1 ≤ 0 4 B o u n d a ry c o n s t r a i n t s ①Ma i n s h a f t o v e r h a n g i n g s e c t i o n d i a me t e r o u t e r d i a m e t e r I t c a n b e k n o wn f r o m e x p e r i e n c e t h a t t he v a l u e r a n g e o f o ut e r d i a me t e r D1 i s 8 0≤ D1 ≤ 1 6 0，s o g4 Xl一 8 0 ≤ 0； g5 1 6 0 一 1≤ 0 ② A x l e d i a m e t e r b e t w e e n b e a ri n g s Th e v a l ue r a ng e o f a x l e di a me t e r b e t we e n b e a r - i n g s D2 i s 7 0≤ D2≤ 1 5 0， s o， g6 X27 0 ≤ 0； g7 1 5 0 一 2≤ 0 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e rin g ⑧ B e a ri n g s p a n Th e v a l ue r a n g e o f b e a rin g s p a n L i s 3 6 0≤ L≤ 6 5 0， s o， g X33 6 0 ≤ 0； g 9 6 5 0 一X3≤ 0 ④ L e n g t h o f t h e c a n t i l e v e r e n d T h e v a l u e r a n g e o f t h e s p i n d l e c a n t i l e v e r l e n g t h a i s 9 0≤ n≤ 1 7 0． s o， gl o X49 0 ≤ 0； gl l 1 7 0 一 ≤ 0 2． 4． M ATLAB r e a l i z i ng Ma t l a b wa s u s e d t o a c h i e v e t h e p r o g r a m．S pe c i f - i c s t e p s a r e a s f o l l o ws f u n c t i o n ／ j i c h a u n g z h u z h o u D 1 1 ； D 2 2 ； L 3 ； a 4 ； p 7 8 0 0； d4 5； -厂 p i ／ 4 P D 1 2一 d a D 2 2一d 2 L f u n c t i o n [ c c e q ] j i c h u a n g z h u z h o u y u e s h u F 2 5 0 00； E 2． 1 1 0 5； P 2 00 0； G 8 ．1 l 1 0 4； n 1 6． 6 7； d 4 5； c 1 6 4 F 4 2 4 4 ／ 1 4一d 4 3 3 ／ 2 4一d 4 ／ 3 p i E一 0． 0 5； c 2 F 3 x 4 ／ 3 E Ic 2 4一d 4 一 0 ． 0 02 5； c 3 1 8 0 9 5 4 9 尸 ／ p i n G p 2 4 一 d 4 ／ 3 2 一1 ／ 1 2； c 4 1 一 8 0 ； c 5 1 6 0一 1 ； c 6 2 一 7 0 ； c 7 1 5 0一 2 ； c 8 3 一 3 6 0 ； c 9 6 5 0一 3 ； c 1 0 x 4 一 9 0 ； c 1 1 1 7 0一 x 4 ； c e q[ ] ； e n d x 0[ 1 0 7 ； 1 0 2 ； 3 6 0 ； 9 0 ] ； l b[ 8 0； 7 0 ； 3 6 0 ； 9 0 ] ； u b[ 1 6 0 ； 1 5 0； 6 5 0 ； 1 7 0 ] ； A[ ] ； b[ ] ； A e q[ ] ； b e q[ ] ； [ a 1 ] f mi n c o n j i c h u a n g z h u z h o u ， x O ， [ ] ， [ ] ， [ ] ， [ ] ， l b ， u b ， j i c h u a n g z h u z h 0 u y u e s h u ； Th r o u g h o pe r a t i n g t h e ma i n p r o g r a m i n MAT LAB， t h el l o wi n g o p t i mi z e d r e s ul t wa s o b t a i n e d， I 1 1 3 ． 3 5 7 4 1 0 7 ． 6 3 4 9 3 6 0 ． 0 0 0 0 9 0 ． 0 0 0 0 1 B y a p p l y i n g b r a n c h a n d b o u n d me t h o d，t h e s o l r i ng n e e d s 4 b r a n c he s a n d 4 c u t b r a n c h e s ． Af t e r 4 t i me s r u n n i n g t he l i n e a r p r o g r a m ，t h e f o l l o wi n g o p t i mu m r e s u l t wa s a c h i e v e d， X l 1 1 4 1 0 6 3 6 0 9 0 l Fv al 31 ． 11 2 8 3．The dy n a mi c be ha v i o ur s i mul a t i o n a nd a n a l y s i s o f ma c h i n e t o o l s p i n dl e 3． 1 ． The s p i nd l e un i t fin i t e e l e me n t a n a l yt i c a l m o de l Co n s i d e r i n g t he ma c h i n e t o o l s p i n dl e u ni t i S h o l 。 l o w s t e p p e d s ha f t ，t h e s c h e me i g n o r e d t h e c h a mf e r， c i r c u l a r b e a d o f t he s p i n dl e s ur f a c e a n d o t h e r s t ru c t ur e d e t a i l s t o s i mpl i f y t h e mo de 1 ．Mo r e o v e r ，t he s up p o r t s we r e s i mp l i f i e d i n t o e l a s t i c s u pp o r t s a nd t h e b e a r i n g a n g l e ri g i d i t y a s w e l l a s t h e a x i a l r i g i d i t y wa s i g n o r e d．On l y t h e r a di a l rig i d i t y a n d a p p l y i n g e l a s t i c b o un d a r y e l e me n t we r e c o ns i d e r e d t o s i mu l a t e t h e e l a s t i c s u p p o r t [ 5] ．H e x D o mi n a n t Me t h o d w a s u s e d t o d i v i de t h e me s h e s wh i c h i n c l u d e l 1 6 8 9 n o d e s a n d 3 5 68 u n i t s ． T h e me s h e s a r e a s s ho wn i n F i g ur e 2． k Fi g ur e 2．Fi ni t e e l e me n t me s he s 3． 2． The fin i t e e l e me n t c a l c ul a t i o n a n d a na l y s i s o f t he s pi ndl e The c a l c ul a t i o n a n d a na l y s i s c o ur s e wi l l a d d t h e l o a d a n d c o n s t r a i n t s t o ma c hi n e t o o l s p i n d l e．To i m． p e n d o v e r r e a l e n v i r o n me n t ．a p rin t f a c e wa s b u i l t i n DM b e f o r e t h e l o a d a n d c o ns t r a i n t s i mpa c t e d． t h e n a l l o we d t he l o a d a n d c o n s t r a i n t s i mpa c t 。 Th e c o n s t r a i n t s i n c l u d e t h e b e a r i n g c o n s t r a i n t s a n d t h e s t a t i o n a r y d i s p l a c e me n t a l o n e z di r e c t i o n．The l o a d i s 2 5 k N．Th e s ke t c h ma p o f t h e 1 o a d a n d c o n s t r a i n t s a r e Hu a r u YAN ，e t a l De s i g n o f s p e c i a l f i x t u r e f o r a u t o ma t i c me a s u r e me n t o f r e s i s t a n c e o f a u t o i g n i t i o n wi r e 1 0 1 实现汽车点火线电阻自动测量的专用夹具的设计 闫花茹“， 陈 芳 ， 杜伟 1 ． 河南机电高等专科学校 机械工程系， 河南 新乡4 5 3 0 0 3 ； 2 ． 河南科技大学 ， 河南 洛阳4 7 1 0 0 3 摘要 汽车点火线的电阻直接影响 了发动机的点火性能， 是 生产厂家出厂检验的一项重要参数指 标。为满足大规模生产和 自动化测量的需求， 根据汽车点火线的接头特征， 设计了一种能快速装拆 的用于汽车点火线电阻 自动测量的专用夹具。它集光 、 机 、 气为一体 ， 操 作省 力方便 ； 经 实际应 用表 明 该夹具明显降低了工人的劳动强度， 节约了不必要的劳动力， 大大提高了检测效率和 自动化水 平， 具有较大的推广应用价值。 关键词 专用 夹具 ； 汽车点火线 ； 电阻； 自动测 量 中图分类号 U 2 7 0 ． 1 4 C o n t i n u e d o n 9 3 p a g e 机床主轴结构参数优化设计 邓思琪 ，马登云 ，郑卫刚 武汉理工大学 智能制造和控制研究所 ， 武汉4 3 0 0 6 3 摘要 以机床主轴为优化设计对象， 将优化设计思想与 Ma t l a b相结合 ， 利用外惩罚函数法对机床主 轴进行建模优化 ， 求解出参数并用分支定界法确定主轴参数。然后运用A N S Y S对其进行模态分析 ， 分析了主轴的前6阶固有频率、 振型和临界转速， 验证了机床主轴结构优化设计的合理性 ， 为机床主 轴的结构优化设计提供参考和依据。 关键词 机床主轴； 外惩罚函数法； 优化设计； 模态分析 ； 动态特性 中图分类号 T H1 3 3