（材料加工工程专业论文）数控龙门钻大型基础件焊接结构的研究设计.pdf

l a r g e s c a l ei n f r a s t r u c t u r es t r u c t u r ed e s i g n o fn c w e l d i n gg a n t r yd r i l l i n g b y c a o j iw u b e ( y i c h u a nc o l l e g e ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gh o n g a p r i l ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：曾吉刻 日期：加年占月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：劢，年多月7 日 日期：力f 1 年月) 日 目录 摘要i a b s t r a c t 】 插图索引i v 第1 章绪论1 1 1 国内外数控发展概况1 1 1 1 数控技术的概念与发展历史1 1 1 2 数控机床发展趋势2 1 2 课题研究的意义及国内外现状3 1 2 1 课题研究意义3 1 2 2 国内外研究现状4 1 3 本课题的主要研究内容6 1 3 1 课题研究目标6 1 3 2 课题研究内容6 1 4 设计中所需相关软件介绍8 1 4 1s o li d w o r k s 8 1 4 2a u t o c a d 和p c c a d 9 1 5 本章小结1 1 第2 章机床的总体设计1 2 2 1 机床方案设计拟定1 2 2 1 l 机床的总体布局1 2 2 2 机床的主要技术参数和加工范围以及工作原理1 3 2 2 1 机床参数：1 3 2 2 2 工作原理：1 4 2 3 机床的主要部件1 4 2 3 1 床身1 4 2 3 2 工作台转台1 4 2 3 3 夹具1 5 2 3 4 钻削头1 8 2 4 本章小节2 1 第3 章有限元理论及a n s y s 软件介绍2 2 3 1 有限元的发展2 2 3 2a n s y s 软件的介绍2 4 3 2 1a n s y s 软件的功能2 4 数控龙门钻大型基础件焊接结构的研究设计 3 2 2a n s y s 软件的分析过程2 5 3 3 有限元在机床上的应用2 6 第4 章龙门钻床主要部件的有限元分析2 7 4 1 横梁的有限元分析2 7 4 1 1 横梁的静力学分析2 7 4 1 2 横梁的模态分析3 2 4 1 3 横梁的谐响应分析3 3 4 2 底座的有限元分析3 4 4 2 1 龙门钻底座的静力学分析3 4 4 2 2 龙门钻底座的模态分析3 6 4 3 立柱的有限元分析3 7 4 3 1 立柱的静态分析3 7 4 3 2 龙门钻立柱的模态分析4 1 4 4 本章小结4 2 第5 章以工程实用为目标对底座的优化4 3 5 1 优化后的龙门钻底座的静力学分析4 3 5 1 1 优化后底座的静力学分析4 3 5 1 2 优化后龙门底座的模态分析4 5 5 3 优化前后的对比分析4 6 5 4 本章小结4 6 结论4 7 参考文献4 9 致谢5 1 附录a攻读学位期间所发表的学术论文目录5 3 硕上学位论文 摘要 由于能源紧缺、环境污染等问题给人类社会带来许多影响，而目前风力发电 作为一种可再生、清洁能源日益受到各国的重视，但是，国内的风电设备大多数 依赖进口的局面尚未得到根本的改变。兰州理工大学受企业委托，为加工大型风 力发电设备的塔架连接用法兰和回转支撑零件上的连接孔，专门制定了其加工工 艺，并根据此工艺路线设计了一套专用加工的数控强力龙门式钻床。 本课题是由多人共同完成，本人所做的工作主要是完成龙门架和底座的设计 及研究，以及钻削头和夹具的设计。目前所有工程图都已经完成，并且即将投入 生产当中。本论文主要侧重于对机床的总体设计的概述，以及对数控强力龙门式 钻床的大型基础件焊接结构的研究设计。 ( 1 ) 针对目前对加工孔常用的两种机床分别为立式钻床、摇臂钻床的优缺点，提 出了采用数控强力龙门式钻床，并根据被加工法兰类零件的特点采用回转工作台， 而不是矩形工作台。 ( 2 ) 本文对机床进行整体方案设计，确定了机床的总体布局及机床参数和工作原 理，并对机床的几个重要零部件的设计进行了概述。 ( 3 ) 本文对于机床结构的有限元分析均采用的是目前比较通用的a n s y s 软件，并 且说明了有限元方法及a n s y s 软件的分析过程。 ( 4 ) 鉴于目前机床采用大型的焊接结构作为基础件还较少，所以文章中对龙门钻 床的三大基础焊接结构件横梁、底座、及立柱进行了静力学分析和模态分析，来 预测机床工作时候的受力和变形情况。 ( 5 ) 最后根据对底座的预测结果以工程实用为目标对底座的原始设计的尺寸进行 优化，经过比较多个模型优化前后底座的静态和动态特性以确定了底座的最理想 的结构及尺寸。 关键词：龙门钻床：大型焊接结构件；有限元分析 数控龙门钻大型摹础件焊接结构的研究设计 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，e n e r g ys h o r t a g e ，e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na n do t h e ri s s u e sh a v e b r o u g h tal o to fi n f l u e n c et oh u m a ns o c i e t y , a n dt h ec u r r e n tw i n dp o w e r ，a sa r e n e w a b l e ，c l e a ne n e r g ys o u r c e s ，i sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o mt h ew h o l e w o r l d b u t ，t h es i t u a t i o nt h a tt h em a j o r i t yo fd o m e s t i cw i n dp o w e rg e n e r a t i o n e q u i p m e n t sd e p e n d o n i m p o r t s h a sn o tb e e n f u n d a m e n t a l l yc h a n g e d l a n z h o u u n i v e r s i t y h a d b e e nc o m m i s s i o n e d b y t h ec o m p a n y ，b e c a u s eo f p r o c e s s i n g l a r g e - s c a l ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n ta n dr o t a r yt o w e rc o n n e c t i o nf l a n g e c o n n e c t i o nh o l eo nt h es u p p o r t i n gp a r t s ，i t sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y s p e c i f i c a l l yw a s d e v e l o p e da n da c c o r d i n gt ot h i sp r o c e s sr o u t eas p e c i a lg a n t r yc n cs t r o n gd r i l l i n g m a c h i n e s h a db e e nd e s i g n e d t h ei s s u ei sc o m p l e t e db yt h em a n yp e o p l e ，m yw o r ki sm a i n l yt h ed e s i g na n d r e s e a r c ho ft h eg a n t r y 、b a s e 、t h e d r i l l i n gh e a da n df i x t u r e a tp r e s e n t ，a l le n g i n e e r i n g d r a w i n g sh a v eb e e nc o m p l e t e da n dw i l ls o o np u ti ti n t op r o d u c t i o n t h i sp a p e r ，w e m a i n l yf o c u s e do na no v e r v i e wo ft h eo v e r a l ld e s i g no fm a c h i n et o o l sa n dr e s e a r c ha n d d e s i g no fl a r g eg a n t r yw e l d i n gb a s e ds t r u c t u r et os t r o n gn u m e r i c a lc o n t r o ld r i l l i n g ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft w ok i n d so fc o m m o nm a c h i n e t o o l s ( v e r t i c a ld r i l l i n gm a c h i n e 、r a d i a ld r i l l i n gm a c h i n e ) ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sp o w e r f u l g a n t r yc n cd r i l l i n gm a c h i n e ，b e c a u s eo fh ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l a n g ep a r t st h e r o t a r yt a b l ei n s t e a do fr e c t a n g u l a rt a b l ew a su s e d ( 2 ) i nt h i sp a p e r ，t h eo v e r a l lp r o g r a mw a sd e s i g n e dt om a c h i n et o o l ，t h eg e n e r a l l a y o u ta n dm a c h i n et o o lm a c h i n ep a r a m e t e r sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fm a c h i n et o o l s w r ed e t e r m i n e da n ds e v e r a li m p o r t a n tp a r t sd e s i g nw e r es u m m a r i z e d ( 3 ) i nt h i sp a p e r ，t h em o s tc o m m o na n s y ss o f t w a r ew a su s e da b o u tm a e h i n e s t r u c t u r ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n d e x p l a i n st h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h e a n a l y s i so fa n sy ss o f t w a r ep r o c e s s ( 4 ) b e c a u s et h i sm a c h i n et o o l sa d o p t st h ew e l d i n gs t r u c t u r eo fl a r g ea st h eb a s i s t h i n gl e s s ，w eh a ds t a t i c sa n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i so ft h r e ef o u n d a t i o nb e a mw e l d i n g s t r u c t u r e ，b a s e ，a n dt h ep i l l a ra b o u td r i l l i n gm a c h i n e s ，a n dp r e d i c tt h em a c h i n ew o r k f o r c ea n dd e f o r m a t i o n ( 5 ) f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h ep r e d i c t i o nr e s u l t so ft h eb a s ea n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n g t a r g e t ，t h es i z eo ft h eo r i g i n a ld e s i g nw s ao p t i m i z e d b yc o m p a r i n gt h es t a t i ca n d d y n a m i cp r o p e r t i e so ft h eb a s et h ei d e a lb a s es t r u c t u r ea n ds i z ew a sd e t e r m i n e d 硕上学位论文 k e yw o r d s ：g a n t r yd r i l l i n g ：l a r g ew e l d e do fs t r u c t u r e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 数控龙门钻大型某础件焊接结构的研究设计 插图索引 图1 1z n 3 0 5 0 1 6 立式摇臂钻床5 图1 2 机床主视图7 图1 3 机床俯视图7 图1 4 机床右视图8 图2 1 机床结构主视图1 2 图2 2 机床结构左视图1 3 图2 3 机床的结构简图说明1 3 图2 4 工作台转台剖视图1 5 图2 5 浮动夹紧双向定心夹紧机构1 6 图2 6 夹具的三爪定心夹紧机构主视图1 6 图2 7 夹具的三爪定心夹紧机构轴测图1 6 图2 8 夹具的三爪定心夹紧机构爆炸图1 6 图2 9 工件夹紧机构主视图1 6 图2 1 0 工件夹紧机构右视图1 7 图2 1 1 机座部件主视图一1 8 图2 1 2 机座部件俯视图1 8 图2 1 3 水平移动滑板轴测图1 9 图2 1 4 垂直移动机构轴测图1 9 图2 1 5 电机支架2 0 图2 16 钻削头架装配图2 0 图2 1 7 钻削头架爆炸视图2 0 图3 1a n s y s 分析过程的基本流程图2 6 图4 1 机床结构简图2 8 图4 2 钻削头机构简图4 3 横梁受力简图2 9 图4 4 横梁有限元模型。3 0 图4 5 第一种受力情况结构总变形等值线图3 1 图4 6 第二种受力情况结构总变形等值线图一3 1 图4 7 第三种受力情况结构总变形等值线图一3 1 图4 8 横梁一阶振型图图4 9 横梁二阶振型图3 2 图4 1 0 横梁四阶振型图 图4 1 1 横梁五阶振型图一3 2 i v 硕十学位论文 图4 1 2 谐响应分析结果结论3 3 图4 1 3 龙门钻底座三维结构图3 4 图4 1 4 底座实体网格图3 4 图4 1 5 底座的加载情况3 5 图4 1 6 结构总变形t r a n s l a t i o nu s u m 等值线图3 5 图4 1 7 节点等效应力v o nm i s e s 等值线图3 5 图4 18 底座的1 阶振型图3 7 图4 1 9 底座的2 阶振型图3 7 图4 2 0 立柱的三维结构图3 7 图4 2 1 立柱受力简化图3 8 图4 2 2 力的平移简化图a 3 9 图4 2 3 力的平移简化图b 3 9 图4 2 4 有限元模型图3 9 图4 2 5 结构总变形t r a n s l a t i o nu s u m 等值线图4 0 图4 2 6 节点等效应力v o nm i s e s 等值线图4 0 图4 2 7 立柱的一阶振型图4 1 图4 2 8 立柱的四阶振型图4 1 图5 1 优化后底座的三维结构图一4 4 图5 2 底座实体网格图4 4 图5 3 结构总变形t r a n s l a t i o nu s u m 等值线图4 4 图5 4 节点等效应力v o nm i s e s 等值线图4 4 图5 5 底座的一阶振型图4 5 图5 6 底座的三阶振型图4 5 v 硕士学位论文 第1 章绪论 进步，现代机械制造产业的竞争中科技实力的因素表现的 现在机械机械制造工业的基本生产设备，也是工业化生产 计制造水平的高低直接影响到其它机械产品的生产技术水 衡量一个国家制造业水平的重要标志n 1 。与发达国家相比， 与其差距仍然很大，主要表现为：仿制品多，创新较少， 市场的竞争力不足，利润较低；设计方法落后，机床结构设计，仍处于传统的蒯 态、经验、类比的阶段，较少考虑结构动、静态性能对机床产品性能产生的影响， 质量难以保证；设计周期过长，成功率较低，产品更新换代慢，且成本高乜1 。因此 能尽快应用先进的设计技术，开发出结构合理、加工精度高、低振动、自动化水 平高、成本较低的机床新产品是我国的机床行业的重要发展方向。为此掌握先进 的机床设计方法就显得尤为重要。 1 1 国内外数控发展概况 1 1 1 数控技术的概念与发展历史 数控技术( n u m e r i c a lc o n t r o l ，n c ) 是二十世纪七八十年代发展起来的机床 控制新技术，是自动化制造系统的核心技术之一阳1 。最先应用于机床的数控技术已 发展成为工业柔性自动化的一项重要基础技术，它最广泛地应用于各类机床的控 制。这项技术在机器人、自动化生产线甚至军事等领域也有广泛的应用，其制造 及应用水平也反映了一个国家的机械与电子工业的水平h 1 。 一台机床的控制，包括用几何信息来控制刀具和工件间的相对运动( 即运动 控制) ，以及机床所必需的辅助工艺信息，诸如主轴转速、主轴旋转方向、刀具选 择、冷却液的供给等逻辑控制。 数控是数字程序控制的简称。它是一种可编程序的自动控制方式，及编制一 个为加工某一零件的的专用程序，通过电子脉冲技术实现机床的自动加工的自动 控制。数控加工时，预先把该零件加工过程中机床个执行元件所需的移动量、运 动速度、方向以及动作的先后顺序等全部信息编制成程序，以代码形式预先记录 在信息载体( 如穿孔纸带、穿孔卡、或磁带、磁盘等) 上，成为零件的加工程序， 输入给专用的的或通用的计算机。数控装置中的计算机根据信息载体上的代码进 行处理和运算，发出各种指令，控制机床各个执行元件，使机床按编制的程序自 数控龙门钻火型基础件焊接结构的研究设计 动加工出所要求的零件。在加工零件改变时，只需要从新编制加工程序，就可以 加工出另一个新零件。这种编制一个新程序要比改造生产设备、从新制造凸轮和 准备工夹具等类的工作要容易得多，这充分体现了数控加工的柔性，他特别适用 于生产对象需经常变化和外形复杂、精度高的零件的加工隋。9 1 。 数控技术的广泛应用，给机械制造业的生产方式、产品结构、产业结构带来 了深刻的变化，是国防现代化的重要物资，是国际技术和商业贸易的重要构成。 数控技术的应用，数控机床的生产量已经成为衡量一个国家工业自动化程度和技 术水平的重要标志u 引。 数控技术的发展历程：采用数字控制技术进行机械加工，最早可追溯到1 9 5 2 年。美国帕森公司( p a r s o n s ) 和麻省理工学院( m i t ) 合作研制出一台三坐标联动、 利用脉冲乘法原理的数控机床，它使用的电子元件是电子管，用于加工直升飞机 叶片轮廓检查用样板。这就是第一代数控的开始。1 9 5 9 年晶体管元件的出现，数 控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入第二代。1 9 5 9 年3 月，美国克 耐杜列克公司( k e a n e y & t r e e k e rc o r p ) 发明了带有自动换刀装置的数控机床， 称为“加工中心 ( m c ) 。 1 9 6 5 年，电子行业出现了小规模集成电路。由于其体积小、功耗低，使数控系统 的可靠性进一步提高，数控发展到了第三代。以上三代，都是采用专用控制的硬 件逻辑数控系统( n c ) 。1 9 6 7 年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工 系统，这就是最初的f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 柔性制造系统。之后 美、欧、日也相继进行开发和应用n 。 随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专用控制的硬件逻辑数控系统 ( n c ) ，数控的许多功能由软件来实现。由计算机作控制单元的数控系统( c n c ) ，称 为第四代。1 9 7 0 年，在美国芝加哥国际展览会上，首次展出了这种系统。 1 9 7 0 年前后，美国i n t e l 公司开发和使用了微处理器。1 9 7 4 年，美欧日等国首先 研制出以微处理器为核心的数控系统的数控机床。二十多年来，微处理器数控系 统的数控机床得到飞速的发展和广泛应用，这就是第五代数字控制( m n c ) 。后来， 人们也将m n c 称为c n c 。二十世纪八十年代初，国际上又出现了柔性制造单元f m c ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l ) 。f m c 和f m s 被认为是实现c i m s ( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 计算机集成制造系统的基础n 引。 1 1 2 数控机床发展趋势 从2 0 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变 化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者 2 硕：l 学位论文 劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控 机床是一种高度机电一体化的产品，适用于) j 口- r 多品种小批量零件、结构较复杂、 精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、 要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求1 0 0 检验的零件。 数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入2 1 世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机 床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭 遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展 是解决机床制造业持续发展的一个关键n 引。随着制造业对数控机床的大量需求以 及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大， 并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精 度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出 了我国数控机床发展中存在的一些问题。 1 2 课题研究的意义及国内外现状 1 2 l 课题研究意义 随着世界经济的快速发展，以及煤炭、石油、天然气等不可再生能源可持续 开发的储量有限，能源问题已成为全世界关注的焦点。被称为“蓝天白云 的风 能便成为全世界关注和开发的能源之一。风能是太阳能的一种转化形式，是一种 可再生的清洁、安全能源，取之不尽、用之不竭n4 1 。目前国内外利用风能的主要 形式是风力发电，并已经取得了一定的经济效益和社会效益。现在很多国家，尤 其是一些经济发达国家已经充分认识到风电在调整能源结构，缓解环境污染等方 面的重要性，对风电设备和技术的开发给予高度重视。十五期间我国就把新能源 的开发列入了国家科技攻关计划，其中就包括风力发电的科技攻关项目。风力发 电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。 在过去的五年，全球风力发电的装机容量正以2 6 3 的年增长率快速发展n 5 。1 们。 虽然我国风力资源丰富，但风电技术和装备的发展却滞后于经济发达国家。 甚至与同为发展中国家的印度相比，我国在风电领域有比较大的差距。随着风电 设备单机功率的逐渐增大，其体积越来越大、加工难度越来越高、设备制造成本 也随之提高n 。目前在国内的风电设备领域，风力发电机的减速箱、轴承、轮毂、 发电机、控制系统等核心设备仍大量依赖进口。虽然国内有一些厂家具备部分零 部件的加工能力，但是这些零部件与国外生产的同类产品相比，在产品质量、加 数控龙门钻人型基础件焊接结构的研究设计 工成本和运行的可靠性等方面仍然相差甚远。这是限制我国风电技术发展的一个 非常重要的原因。大型风力发电设备的塔架连接用法兰、回转支撑零件上都有大 量的连接孔。由于风力发电设备的体积、重量都比较大，并且安装施工都是高空 作业，因此就对要求连接孔的相互位置精度提出了较高的要求，不允许在安装中 发生连接孔由于错位而造成无法安装的现象发生。按照设计要求钻孔的位置误差 不得大于0 2m m 。 用金属切削的方式在实体零件上加工孔的唯一办法就是钻孔。目前常用的机 床是立式钻床、摇臂钻床。常用的刀具是高速钢材料的麻花钻头。而风力发电设 备塔架的连接法兰孔的直径大多在4 0m i i l ，钻孔深度在1 0 0 一2 0 0m m 。采用传统的 摇臂钻床、高速钢麻花钻头的方式加工单个孔的切削时间大约需要1 5 m i n 。而一个 塔架连接法兰上至少有1 0 0 个以上的连接孔。加工一件塔架连接法兰的时间在2 4 小时以上，并且由于摇臂钻床的操作特点，每个钻孔还需花费找正、对中时间， 因此通常情况下加工一个塔架连接法兰的钻孔时间都在3 6 小时以上。显然按照传 统的加工方法，不能实现高效率、高精度的加工。本课题研究的数控强力龙门式 钻床正是针对风电设备法兰盘的加工而研究设计的专用数控机床，实现对塔架连 接用法兰高效、快速、精确的加工，从而满足我国风电设备发展的需要。因此， 这对风力发电机实现设备国产化，降低工程造价，风电场规模化，有着现实的意 义。 1 2 2 国内外研究现状 随着风力发电产业在国内的发展，提高其大型零件的加工生产率、及其加工 精度的需求日益增加n 引。国内企业目前所采用的加工方法大体上有两种： 1 ) 摇臂钻床、高速钢麻花钻头、人工调整找正； 目前常用的钻孔机床是立式钻床、摇臂钻床。常用的刀具是高速钢材料的麻花钻 头。当用直径为5 0m m 的钻头直接在实体零件上加工孔时，由于发热量大，高速 钢的切削速度大致在1 5 m m i n ，进给量一般在0 1 m m 每转，此时的金属切除率为 2 0 c m 3 m i n 。对大型零件进行钻孔时，现在可以选用的机床基本上是大型摇臂钻 床。( 如图1 1 所示) 采用人工划线对中的方法控制精度，在精心操作的前提下，钻孔的位置误差通常 可以控制在0 3 咖一o 5m m 。对于大多数零件的连接孔来讲这个精度还可以满足 使用要求，但是无法满足风力发塔架连接法兰、回转支撑零等更高钻孔位置精度 零件的要求。 2 ) 大型立式加工中心、硬质合金钻头、数控找正： 4 图1 1z n 3 0 5 0 1 1 6 立式摇臂钻床 针对存在的问题，国外出现了一种专门用于加工大型法兰类零件的高效专用强 力钻孔数控机床。国内也有少量企业引进，生产中证明效果很好。这种机床有如 下特点： 针对被加工法兰类零件的特点，采用回转工作台，而不是矩形工作台； 根据被加工孔的分布规律，按照极坐标系进行数字控制( 即工作台回转数控分度， 钻头沿径向数控位移) ，实现钻孔位置精度的找正定位。而不是按照通常采用的直 角坐标系的找正定位方式。更加适合法兰连接孔系的加工。根据风力发电塔架连 接用法兰的孔的位置精度要求，重复定位精度可以适当的低于加工中心的要求， 但是远远高于普通摇臂钻床的精度。 由于风力发电塔架连接用法兰的直径比较大( 可以达到4 m 以上) ，机床的加 工直径范围必须达到5 m 。如此大的直径加工范围，如果仍采用单臂梁的机床结构 显然刚度不足，因此机床采用龙门式结构保证强力钻孔时具有足够高的刚度。 数控龙门钻人型基础件焊接结构的研究设计 采用切削速度可以达到l o o m m i n ，进给速度可以达到0 2 5 衄每转的硬质合金钻 头。单个孔的金属切除率可以达到在2 9 0 c m 3 m i n 以上，相比于高速钢钻头至少提 高1 0 倍。 由于采用了龙门式结构，可以同时安放两个钻削头架进行加工，提高工作效率， 减少辅助时间。 1 3 本课题的主要研究内容 1 3 1 课题研究目标 借鉴国外机床的特点，研究设计适合风力发电设备的高效强力钻孔机床。 1 ) 机床要达到0 0 5 m m 的重复定位精度( 风电法兰孔的位置误差不大于o 2m m ) ， 小于加工中心的重复定位精度，可大大降低成本。因此，需要研究最合理的精度 控制方式： 2 ) 由于机床以钻孔加工为设计目标，被加工孔的精度、表面质量要求相对于通用 加工中心低许多，并且机床的整体刚度可以低于加工中心，机床有可能采用焊接 结构，从而减轻机床重量、节省加工周期，降低机床成本。因此，需要研究最佳 的机床床身的结构形式； 1 3 2 课题研究内容 本人主要研究内容是强力钻孔机床的焊接底座、立柱、横梁的结构设计，通 过对铸件结构和焊接件结构的对比以采用焊接结构。因为随着近代工业的发展、 焊接技术的进步、焊接工艺的提高、各种加工机械，采用焊接结构的例子也越来 越多。实践经验也证明；焊接结构具有生产周期短、重量轻、成本低、所需设备 简单、改型快等许多优点。发达工业国家的机床已有越来越多的焊接件或新材料 结构取代了铸件结构的实例。 目前国内也有许多加工风电设备法兰盘的机床，但是效果不是很理想。针对这类 机床存在的一些问题，受企业委托，研究设计新型的数控强力龙门钻床，专门用 于加工法兰盘类零件。该新型机床结合了普通摇臂钻床和龙门结构型机床的特点， 使机床能够获得更优越的动力学性能，更好的加工精度和更高的加工效率，并在 此基础上开发新的系列化机床。截止目前已经完成了机床的基本方案论证及设计， 其设计简图见图1 2 、1 3 、1 4 所示。 本课题主要研究的内容有如下几个方面： 6 硕士学位论文 针对钻孔的工艺特点，研究最佳的床身结构形式； 2 ) 研究适合于强力钻孔机床的焊接结构代替铸铁结构的结构形式； 3 ) 研究焊接结构床身的最佳设计。 4 ) 应用有限元软件a n s y s 分析横梁，立柱，底座，及整个龙门架。 5 ) 以工程实用为目标对龙门底座的结构进行优化设计。 田 图1 2 机床主视图 一一一 、， ，毒 、 il。j。ii f，有、祢 川尉7 矿、 ，黟 图1 3 机床俯视图 数控龙门钻大型基础件焊接结构的研究设计 田 图1 4 机床右视图 1 4 设计中所需相关软件介绍 1 4 1s o l i d w o r k s s o l i d w o r k s 是w i n d o w s 原创的三维设计软件。其易用和友好的界面，能够在 整个产品设计工作中，s o l i d w o r k s 完全自动扑捉设计意图和引导设计修改。在 s o l i d w o r k s 的装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件。不论设计用“自 顶而下”方法还是“自底而上”的方法进行装配设计，s o l i d w o r k s 都将以其易用 的操作大幅度地提高设计的效率。s o l i d w o r k s 有全面的零件实体建模功能，其丰 富程度有时会出乎设计者的期望。用s o l i d w o r k s 的标注和细节绘制工具，能快捷 地生成完整的、符合实际产品表示的工程图纸。s o l i d w o r k s 具有全相关的钣金设 计能力。钣金件的设计即可以先设计立体的产品也可以先按平面展开图进行设计。 s o li d w o r k s 软件提供完整的、免费的开发工具( a p i ) ，用户可以用微软的 v i s u a l ，b a s i c ，v i s u a l ，c + + 或其它支持o l e 的编程语言建立自己的应用方案。通过 数据转换接口，s o li d w o r k s 可以很容易地将目前市场几乎所有的机械c a d 软件集 8 硕十学位论文 成到现在的设计环境中来n 引。 为比较评价不同的设计方案，减少设计错误，提高产量，s o l i d w o r k s 强劲的实体 建模能力和易用友好的w i n d o w s 界面形成了三维产品设计的标准。机械工程师不 论有无c a d 的使用经验，都能用s o l i d w o r k s 提高工作效率，使企业以较低的成本、 更好的质量更快将产品投放市场。而最有意义的是，用于s o l i d w o r k s 的投资是容 易承受的，这使得参加工程设计的所有人员都能在他们桌面上的计算机进行三维 设计。 1 4 2a u t o c a d 和p c c a d 1 ) a u t o c a d 简介 a u t o c a d 是由美国a u t o d e s k 欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上应用 c a d 技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行 的绘图工具。 a u t o c a d 具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。 它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的 过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。 a u t o c a d 具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上 运行，并支持分辨率由3 2 02 0 0 到2 0 4 81 0 2 4 的各种图形显示设备4 0 多种，以 及数字仪器和鼠标3 0 多种，绘图仪和打印机数十种，这就为a u t o c a d 的普及创造 了条件。 a u t o c a d 软件具有如下特点乜0 1 ： ( 1 ) 具有完善的图形绘制功能。 ( 2 ) 有强大的图形编辑功能。 ( 3 ) 可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。 ( 4 ) 可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。 ( 5 ) 支持多种硬件设备。 ( 6 ) 支持多种操作平台。 ( 7 ) 具有通用性、易用性，适用于各类用户。此外，从a u t o c a d 2 0 0 0 开始，该系 统又增加了许多强大的功能，如a u t o c a d 设计中心( a d c ) 、多文档设计环境( m d e ) 、 i n t e r n e t 驱动、新的对象扑捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的 功能，从而使a u t o c a d 系统更加完善。 2 ) p c c a d 介绍 p c c a d 采用先进的开发技术以中文环境w i n d o w s 2 0 0 0 w i n x p a u t o 一 9 数控龙门钻人型基础件焊接结构的研究设计 c a d 2 0 0 0 为开发平台，保留了a u t o c a d 功能，不需转化，是国内唯一真正基于 a u t o c a d 2 0 0 * 平台的智能化、特征化、参数化、专业化、用户化、标准化、集成 化软件。 p c c a d 的主要特点： ( 1 ) 绘图效率高 利用p c c a d ，可以绘制工程图的速度较直接使用a u t o c a d 加快5 8 倍，远高于同类 软件的绘图速度。 ( 2 ) 功能细致实用 p c c a d 以功能细致、实用见长，可以满足用户绘图、设计和管理等各方面的需 要。国内独创的天河智能扑捉工具，彻底改革c a d 扑捉方式，自动抓取图形关