机械毕业设计623多轴器结构设计及其动力座三维模拟分析Word文档下载推荐.docx

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ABSTRACT

Themultiaxialregulatoriswidelyusedinmechanicalindustryporouspartsdrillingandtappingprocessingordinarydrillingspecialaccessories.Themultiaxialdeviceequippedwithordinarydrillingmachinecanonporouspartsone-timeprocessing,greatlyimprovingthepartsprocessingefficiency.Becauseofitsstrongprocessingcapability,cheap,moreandmoregetthewelcomeofenterprises.Whilecustomersforthepersonalizedneedsofmultiaxialdevicemoreandmoreisalsohigh,canrapiddesignofaclientneedsmultiaxialdevicetobecometheenterpriseinthefiercecompetitioninthemarkettheimportantfarmaroccupiesaplace.Acommondrillingmachinecaninstalldifferentmulti-axisdevicetomeetdifferentprocessingneed,mountmulti-axisimplementhindcanone-timeputseveralandeventeensandmorethan20holesorthreadedone-timemachinedout,thusgreatlyimprovedpartsprocessingaccuracyandefficiency,forenterprisebroughtgreateconomicbenefits.Inthisdesign,consultthemultiaxialdeviceaboutsomebooksmaterial,ofmultiaxialimplementhaveabasicunderstanding.Inthiscase,togetherwithreferencetothematerial,designoutthreeschemesofthethreeschemesarecomparedeachother,andfinallypickedthethirdway.Planselected,thenmultiaxialdeviceforthetransmissionsystemmadedesignandcalculation.Thecog-wheelgearinglayoutwithoutinterferencecomputingalgorithmcansolvethedesignpersonnelinthein-planegeartrains,thusrapidarticulatedcanmakeinthecog-wheelgearingredesignedspeedgreatlyraised,alsoforfuturespacelayoutproblemsgearmechanismwhichlayatheoreticalfoundationfortheresearch.Andwithpowerful3dsoftwareimprovementstotheuniversaltypeSOLIDWORKmultiaxialimplementthreemodeling.Thefiniteelementanalysis,thispaperfortherealizationofmultiaxialdevicepowerseatwithfiniteelementmethodbyABAQUSstaticanalysis,make3ddesignsoftwareSOLIDWORKandfiniteelementanalysisABAQUSsoftwareseamlessconnectionenvironmentintoforceanalysis,calculationandanalysisconcludedandthestressdistributionofconvectiveetc.Theresultsofitspowerseatcloudimprovedbystrengtheninganalysis,finallythethicknessofthereinforceditsstrengthimproved.Attheendofthearticlesimplyintroducesdothisdesigngraduatesomeattainmentexperience.

Keywords:

Mutil-axisdeviceStructuredesigningFiniteelementanalysisABAQUSSOLIDWORK

第1章绪论

1.1引言

经济全球化、一体化进程的不断加快促使全球买方市场的形成，企业在获得机会的同时，竞争也变得越来越激烈。

在这种发展趋势下，一方面促使产品生产周期不断缩短，产品更新换代速度日益加快，企业的主要生产模式从传统的大批量生产向多品种小批量的的生产方式转变；

另一方面客户对产品有个更高的要求。

选择性、多样化、个性化成为了主流，同时客户对交货日期的要求也越来越高。

在以交货快（Time）、高质量（Quality）、低成本（Cost）和重环保（Environment）去争取市场份额的市场竞争中，缩短交货期，快速响应客户需求，已经成为竞争的第一要素。

在机械制造业中。

随着生产的发展，对大批量生产的大型箱体，壳体等需多面多工序加工的复杂工件，其不同加工面上的多孔加工工序，多在专用机床，组合机床盈其生产线上来完成，钻孔加工在机械加工中是再普通不过的工序了。

在中小批量的生产中，通常采用普通立式钻床，一次钻一个孔，然后移位钻另一个孔。

这种加工方法效率很低，而且孔的位置度难以保证。

为了解决这一矛盾，我们设计了用于普通立式钻床的可调式多轴钻孔头在设备、人力不增加的情况下，配上可调式多轴钻孔头，不仅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证。

而对于一些比较简单工序少，生产批量又不大的中小工件来说，其多孔加工工序最适宜的加工方法是使用多轴钻头（下简称多轴钻或多轴头）。

多轴钻是由钻床的主轴借助于中间传动机构带动若干工作轴回转的一种传动装置。

使钻床由单刀切削转变为多刀切削，可实现用立钻床代替播臂钻床的多孔加工。

灵活方便。

能大大节省加工时问和辅助时问，提高劳动生产率．使加工件的孔位能够保证较高的位置精度。

多轴钻在大厂应用较广。

而在中小工厂由于受生产纲领等日素制约，对多轴钻的应用几乎还是空白，我院附属工厂虽规模较小，但它是集教学科研生产于一体的实习、试验，新产品研制基地。

其产品存在着品种多、批量小要求高的特点。

根据该厂实际，近年来我们摸索出了一条广泛使用多轴钻的新路。

多轴钻在应用中发挥着重要作用，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显的经济效益。

1.2研究背景

机床在这些企业中的运用很普及，选择一种高性能、高效率的机床是企业降低生产成本、提高企业竞争力的一种行之有效的途径。

而钻床在机床的应用中占了很重的份量，普通的钻床在传统的加工设计中一般只有一个钻头，这样对零件加工效率就比较低，零件要求多孔加工时加工精度也不好把握，为了弥补以上的缺点而使钻床的功用更加突出，多轴钻孔器作为钻床的特殊附件就应用而生了。

多轴钻孔器（multi-spindletool）俗称多轴器、多孔钻或多轴头。

是一种运用于机械领域钻孔、攻牙的机床设备。

一台普通的多轴钻孔器只要配上普通的钻床就能一次把几个乃至十几二十个孔或螺纹一次性加工出来。

如配上气压装置，可自动进行快进、工进（工退）、快退、停止。

多孔钻也称群钻,可用来钻孔或攻牙,一般型号可同时钻2-16孔,提升效率,固定机种轴数不拘,钻轴形式,尺寸大小可依客户之需进行设计加工。

多轴钻孔器广泛应用于机械行业多孔零部件的钻孔及攻丝加工。

如汽车、摩托车多孔零部件：

发动机箱体、铝铸件壳体、制动鼓、刹车盘、转向器、轮毂、差速壳、轴头、半轴、车桥等，泵类、阀类、液压元件、太阳能配件等等。

多轴钻孔器可分为可调式和固定式两种规格，可调式多轴钻孔器在其加工范围内，其主轴的数量、主轴间的距离，相对可以任意调整，一次进给同时加工数孔。

在其配合液压机床工作时，可自动进行快进、工进（工退）、快退、停止.同单轴钻（攻丝）比较，工件加工精度高、工效快，可有效的节约投资方的人力、物力、财力。

尤其机床的自动化大大减轻操作者的劳动强度。

固定式多轴钻孔器采用单件（加工件）专机的设计方案，根据其加工件加工频率高、量大之原因，专门量身定制一件一机的设备，在其工作中勿须担心尺寸跑偏而伤脑筋。

除用到常规的产品外，还可根据客户的特殊要求进行专项设计。

多轴器广泛应用于机械行业多孔零件的钻孔及攻丝加工，在浙江的众多中小型企业的生产中发挥了很大的作用。

随着多轴器在快速发展的机械产品市场得到了越来越广泛的应用，同时市场的开放性和全球化，促使多轴器生产设计的竞争日趋激烈。

用户在追求高质量产品的同时，会更多地追求低廉的价格和较短交货期。

这就要求企业改变传统的设计、生产和管理模式，最大限度地利用计算机辅助设计等手段，以提高产品的质量和性能，降低成本，并努力缩短交货期，同时还需要快速响应市场和适用用户的变化，利用有利时机迅速抢占市场。

通过对浙江地区各中小型多轴器生产企业调研发现，绝大部分企业对多轴器的设计还停留在二维，甚至手工设计这种效率低下的水平，由于其串行的设计生产模式，后续的分析及数据处理都不能有效地融入到整个产品的开发设计中，从而使设计人员对多轴器的设计不能做出快速响应。

总的来讲存在以下几个问题：

由于缺乏先进的设计、分析方法与工具（如参数化建模方法、三维建模软件与有限元分析软件的集成应用、分析和评价软件、参数化有限元分析方法以及多轴器性能测试装置等），新产品开发大多凭借直观经验和类比设计，往往需要反复试制才能定型，产品的开发周期大大提高，且产品质量难以保证。

基于以上背景，本文主要研究内容如下：

（1）分析多轴器的作用和特点；

（2）多轴器方案的论证及选取

（3）合理设计改进的万向式多轴器齿轮排布及传动系统快速布局计算；

（齿轮排布）（4）用SOLIDWORK绘制相关二维和三维图；

（5）对多轴器的动力座建立三维图，并用ABAQUS软件进行受力分析；

（6）计算相关受力点并进行改进；

1.3多轴器的概述

1.3.1多轴器简介

多轴器（Multi-spindle），也称为多轴动力头，是普通钻床的特殊附件，广泛应用于机械行业多孔零件的钻孔以及攻丝加工中，如下图1-1和图2-2所示。

普通的钻床在传统的加工设计中一般只用单个钻头，这样的话加工多孔零件效率就比较低，加工精度也不好把握。

多轴器的应用正好弥补了普通钻床在加工过程中的缺陷。

可调多轴器是利用齿轮配合万向接头所组成，调整距离非常方便不受齿轮所限制，可节省调整的时间，亦没死角限制，操作快而方便，是可调整式中最容易操作使用的规格。

固定型机种轴数不拘，钻轴型式尺寸大小可依客户之需要设计。

大量生产高精密之产品，请使用固定型多轴器，外型小比活动型更耐用、更精确，并可减少调整加工孔距的时间，可避免因调整错误，以致产品损坏所受的损失。

不同尺寸的钻头或不同牙距的丝攻均可同时加工。

固定型加导孔板多轴器准确耐用，在更换工件时，有很多空间取付方便，不会受到冶具与模具之妨碍。

图1-1多轴器在立式钻床中的应用

图1-2多轴器在卧式钻床中的应用

1.3.2多轴器的种类

随着科学的发展与技术的成熟，市面上的多轴器样式可谓五花八门，不仅美观新颖而且用途也越来越广。

系列化的多轴器可分为：

1．按照多轴器外形可分：

方形多轴器（SquareMulti-spindle）和圆形多轴器（Roundmulti-spindle）。

方形多轴器（如图1-3所示）在被加工零件上孔的布置成四边形或矩形的情况下用的比较广泛。

圆形多轴器（如图1-4所示）则广泛运用于孔的布置成圆周形状的被加工件。

2．按多轴器可调性可分：

可调式多轴器（Adjustablemulti-spindle）与固定式多轴器（Fixedmulti-spindle）。

可调式多轴器（如图1-3，图1-4所示）的加工通用性比较好，它通过调整座的调整可以加工不同布置位置的孔。

固定式多轴器（如图1-5所示）加工模式比较单一，但加工精度很高，它往往被用在被加工孔加工精度比较高的场合。

本文主要是设计可调节器工多轴器。

图1-3方形多轴器图1-4圆形多轴器图1-5固定式

多轴器

3．按照多轴器一次加工孔的个数分可分为3轴多轴器，6轴多轴器，8轴多轴器等。

1．4本章小结

本章结合我国中、小型企业的产品质量和生产效率都需要有一个新的提高，但是加工手段却远远不能满足需要，多轴器作为机床的特殊附件，在生产过程中的高效性及相对于购买加工中心的廉价性使它在各中小型企业越来越受欢迎，人们对多轴器的需求也是越来越多样化、个性化。

对多轴器产生是必然的，并对多轴器做了阐述和介绍。

为下一步确定多轴器结构设计方案奠定了基础和依据。

第二章多轴器的结构设计方案论证

2．1各种方案简述

多轴器的结构多种多样，可以根据具体工况和工艺进行多轴器的结构设计选型。

本文总结三种多轴器装置的方案如下：

2．1．1方案一

齿轮传动轴距可调式多轴器装置

钻床主轴1上装主轴齿轮22，中间轴5上装中间齿轮20与主轴齿轮22啮合，它们能改变旋转方向，且位置可绕主轴齿轮22作圆周两整。

钻轴上的齿轮位置视零件的孔位而定。

当钻床主轴启动，通过中间齿轮20带动钻轴齿轮转动．从而使钻头作旋转运动。

钻轴的数目可根据被加工零件的孔眼数目选取，轴间距可根据被加工零件的孔距要求进行调整。

其方法是I中间轴5可绕主轮22在壳体15盖上的T形槽圆周轨道上进行自由调整位置。

钻轴由可调臂14随支承臂17绕中间齿轮20在圈周轨道上进行调距。

出于有两个轨道可调节轴距，因而调整较灵活、方便。

为了降低噪音，中间齿轮20最好采用酚醛夹布胶木材料。

该装置与钻床连接时，可将壳盖4上开有央紧槽的圆孔套住钻床的主轴套简，然后紧周夹紧环2上的螺母3。

图2-1齿轮传动轴距可调式多轴器结构图

2．1．2方案二

万向节传动轴距可调式多轴器装置

安装在普遥台钻上的万向节传动轴距可调式多轴器的结构如图2所示。

壳盖23可方便地安装在台钻的主轴套筒上，然后借助夹紧环22，螺栓2固定。

主轴连接套2l将主轴齿轮4与台钻的主轴联接。

主轴齿轮4的四周均布几只小齿轮轴19，该齿轮轴下方有万向节与接套6连接，接轴5可在接套6内上下自由滑动，接轴5下方另有一组万向节与钻轴13连接。

当钻床启动，主轴带动主轴齿轮4旋转，使齿轮轴跟着转动，再经二组万向节使钻轴13转动。

轴矩的调整可藕改变调节臂12的位置来达到。

图2-2万向节传动轴距可调式多轴器的结构图

2．1．3方案三

改进的万向节传动轴距可调式多轴器装置

改进的万向式多轴钻头，它是一动力本体配合轴承组设有数个具有转轴的动力齿轮，其并连设有由万向接头、夹头、连动杆所构成的可弯曲驱动组件，夹头可组装工具头及配合调整座而调整定位于动力本体的壳体；

其特征在于：

该动力齿轮的转轴，设成中空状、具有非圆形孔的筒转轴；

该可弯曲驱动组件，上端的万向接头设成具有对应于筒转轴非圆形孔的非圆形伸缩连动杆，而呈长纵深插合于筒转轴中，使得非圆形伸缩连动杆可在筒转轴中被一体连动、及伸缩因应可弯曲驱动组件调位的长度需要；

藉由可弯曲驱动组件的非圆形伸缩连动杆与动力齿轮的筒转轴，呈长纵深插合而组合连动，而得耐力强度大、分散应力集中，尤其，可得简易、方便、快速拆组，拆除后不徒留构件干扰其它尚需作功的可弯曲驱动组件的功效。

如图4所示改进的万向节传动轴距可调式多轴器结构图。

各钻头可调设不同位置的器具，动力本体1，其上端内设有齿轮组构成的动力传动、连动机构，而组设数根（依设定面积而布设）可弯由驱动组件10，配合调整座80的锁定、调整，而提供同时多轴转动的作用。

在可弯由驱动组件10及其动力构析方面：

传动式的构造，每一可弯曲驱动组件10连凤有一动力齿轮2，其构造一动力齿轮2调设有一体、实心的转轴3，转轴3设有外螺牙L、贯穿的插销孔，其配合轴承81、螺帽4而呈凸出状组合于动力体本体1底面，可弯曲驱动组件10，刚设成一中空的连动筒7，两端设有万向接头6，向接头6配合一弹性插销5而与转轴3组合一体，形成动力齿轮2及其转轴3可连动可弯曲驱动组件10旋转作功。

图2-3改进的万向节传动轴距可调式多轴器结构图

2．2各种方案的比较

方案一结构紧凑，调整较方便，使用较可靠，加工效率较高，可以在中小批量生产中推广使用；

由于孔主轴相对位置固定，大大限制了调整钻主轴的位置灵活性，使得该系列钻头在同时加工三个或我狐假虎威孔时，也分布比较规则时，可以比较方便调节器调整钻孔位置，而且不会使钻床主轴的受力情况恶化，但当孔分布不规则时，调整比较麻烦，多数情况根据调不出来，即使可以调整到位，加工时也会使钻床主轴受力恶化；

选用该系列钻孔头时，要考虑钻床的最大加工能力和待加工孔大小相匹配。

方案二具有结构紧凑，使用可靠，加工效率高，灵活性较高，适合大批量生产中；

因不同加工物孔数的不同，需要不同的数量的可弯曲驱动组件，故必需拆除减少数量、或组装增加数量。

因只拆除半段或部分构件，会造成不必要的空转、甩动，进而干扰、影响其它需要作功的可弯曲驱动组件，严重构成构件破坏的问题。

拆除后，各零件非是一体化，而呈分散、凌乱及易遗失其中一零件。

方案三不仅具有方案二的优点，而且还弥补了方案二的缺点，该动力齿轮的转轴设成空状、具有非圆形忆的筒转轴；

该可弯曲驱动组件，上端的万向接头设成具有对应于筒转轴非圆形孔的非圆形伸缩连动杆，而呈长纵深插合于筒转轴中，使得非圆形伸缩连动杆可在筒转轴中被一体连动，及伸缩因应可弯曲驱动组件调位的长度需要，可得简易方便、快速拆组、拆除后不徒留构件干扰其它尚需作功的可弯曲驱动组件的功效。

综合上述三种方案的优缺点以及目前市场上主流的多轴器形式，最后决定选第三种方案为本设计所采取的最终方案。

2．3本章小结

为了达到结构紧凑，使用可靠，加工效率高，灵活性高的多轴器，可能有很多方法来实现。

这次设计只考虑三种方案，前一种方案是用齿轮轴距可调式机构，后两种均是万向式可调节机构，仔细分析对比三个方案，最后选定方案三为本次设计的最终方案。

第三章改进的万向式多轴器的结构设计及建模

3.1改进的万向式多轴器的结构

根据第二章方案的提出可知多轴器种类虽然不一，但是组成结构基本上是相同的。

改进的万向式多轴器的结构（如图3-1）主要由夹紧箍、主动齿轮轴、动力座、动力座上壳体、主动齿轮、过轮、从动齿轮、轴承、万向连接组件、调整座等组成。

本文以三维软件SOLIDWORK为平台对改进的万向式多轴器三维建模，SOLIDWORK提供了强大的基于特征的造型功能。

（a）多轴器装配图（b）多轴器爆炸图

图3-1多轴器结构图

3.2改进的万向式多轴器的工作原理

加工过程中，多轴器通过主动齿轮轴连接到机床主轴或通过联轴器直接联接到电动机上，用夹紧箍夹紧。

主动齿轮轴通过末端的凸台与齿轮传动机构中的主动齿轮相连接，并通过齿轮传动机构把来自动力设备的扭矩传递给万向连接机构，万向连接机构再把动力传递给最终的执行机构多轴钻来一次性完成零件上所有的孔的加工，除此可调式多轴器还可以通过调整座来调整万向连接机构来适应加工孔的范围，使多轴器可以加工出在一定范围内变动的带孔零件。

3.3改进的万向式多轴器的工效计算

多轴器的工效是否满足客户需求是判断所设计多轴器是否合格的重要指标之一。

设计人员用多轴器的工效计算结果来验收产品的生产效率。

本文通过多轴器工效的计算来确定多轴器的切削用量，并通过经验公式确定了多轴器的动力参数及多轴器主轴功率。

这些参数的确定为多轴器的结构设计及有限元分析奠定了基础。

快速计算模块中的程序流将自动对多轴器的工效及动力参数进行计算。

多轴器加工循环如3-2图所示：

图3-2多轴器加工循环图

由上图可知，多轴器的工作循环由快速进给Lp，工作进给Lo，快速退回Lq三部分组成。

工作进给长度等于被加工部位长度与刀具切入和切除长度之和。

刀具的切入长度为

5-10mm，切出长度为：

（3-1）

式中：

Lr为切出长度。

d为钻孔直径。

多轴器的工作进给长度为：

（3-2）

L为多轴器工作进给长度。

Ls为切入长度，Lr为切出长度，Lo工作进给长度