多轴器结构设计及其动力座三维模拟分析

1、多轴器结构设计及其动力座三维模拟分析目录摘 要1abstract2第1 章 绪 论31.1 引言31.2 研究背景31.3 多轴器的概述41.3.1 多轴器简介41.3.2 多轴器的种类514 本章小结6第二章 多轴器的结构设计方案论证721 各种方案简述7211方案一7212 方案二7213 方案三822各种方案的比较923本章小结10第三章 改进的万向式多轴器的结构设计及建模113.1改进的万向式多轴器的结构113.2改进的万向式多轴器的工作原理113.3 改进的万向式多轴器的工效计算113.4多轴器齿轮传动系统的排布及计算143.5 改进的万向式多轴器的可弯曲组件设计163.6 本章小结

2、17第四章 动力座的三维有限元分析及改进184.1有限单元法的计算思路184.1.1 物体离散化184.1.2单元特性分析184.1.3 单元组集184.1.4 求未知节点位移解有限元方程式得出节点位移184.2 abaqus 介绍194.3有限元分析的实现194.4 动力座的静力有限元模拟分析194.4.1有限元模型建立194.4.2材料参数204.4.3施加约束和载荷204.4.4 划分网格和计算求解214.4.5查看云图224.5 结构改进分析234.6 本章小结24结论25参 考 文 献26致谢27普通钻床改造为多轴钻床(译文)28摘 要多轴器是广泛应用于机械行业多孔零件的钻孔以及攻丝

3、加工的普通钻床的特殊附件。装配有多轴器的普通钻床可以对多孔零件进行一次性加工，大大提高了零件的加工效率。因其加工能力强、价格低廉，越来越受到企业的欢迎。同时客户对于多轴器的个性化需求也越来越高，能够快速设计出客户需要的多轴器成为企业在竞争激烈的市场中占有一席之地的重要砝码。一台普通的钻床可以安装不同的多轴器来满足不同的加工需要，装上多轴器后就能一次性把几个乃至十几、二十几个孔或螺纹一次性加工出来，这样就大大提高了零件的加工精度与效率，为企业带来了很大的经济效益。在这次设计中，查阅了关于多轴器的一些书刊资料，对多轴器有了基本的认识。在这种情况下，结合所查阅到的资料，设计出了三种方案，并对这三种方

4、案进行了相互比较，最后选定了第三种方案。方案选定后，随之对多轴器的传动系统做了设计和计算。齿轮传动机构布局无干涉计算算法解决了设计人员在平面内齿轮系快速挂接问题，从而可以使在齿轮传动机构重新设计的速度大幅度提高，同时为今后空间齿轮机构布局问题的研究奠定了理论基础。并且用强大的三维软件solidwork对改进的万向式多轴器进行三建模。为实现有限元分析，本文对多轴器的动力座通过abaqus进行了有限元静力分析，使三维设计软件solidwork和有限元分析abaqus软件无缝连接环境下进行导入计算分析受力分析，并得出应力分布云图等。通过结果云图对其动力座进行改进分析，最后通过加大加强筋的厚度使其强度

5、得到提高。在文章的最后简明的介绍了做本次毕业设计的一些心得体会。关键词：多轴器 结构设计 有限元分析 abaqus solidworkabstractthe multiaxial regulator is widely used in mechanical industry porous parts drilling and tapping processing ordinary drilling special accessories. the multiaxial device equipped with ordinary drilling machine can on porous pa

6、rts one-time processing, greatly improving the parts processing efficiency. because of its strong processing capability, cheap, more and more 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

7、 multiaxial device to become the enterprise in the fierce competition in the market the important farmar occupies a place. a common drilling 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

8、more than 20 holes or threaded one-time machined out, thus greatly improved parts processing accuracy and efficiency, for enterprise brought great economic benefits. in this design, consult the multiaxial device about some books material, of multiaxial implement have a basic understanding. in this c

9、ase, together with reference to the material, design out three schemes of the three schemes are compared each other, and finally picked the third way. plan selected, then multiaxial device for the transmission system made design and calculation. the cog-wheel gearing layout without interference comp

10、uting algorithm can solve the design personnel in the in-plane gear trains, thus rapid articulated can make in the cog-wheel gearing redesigned speed greatly raised, also for future space layout problems gear mechanism which lay a theoretical foundation for the research. and with powerful 3d softwar

11、e improvements to the universal type solidwork multiaxial implement three modeling. the finite element analysis, this paper for the realization of multiaxial device power seat with finite element method by abaqus static analysis, make 3d design software solidwork and finite element analysis abaqus s

12、oftware seamless connection environment into force analysis, calculation and analysis concluded and the stress distribution of convective etc. 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 arti

13、cle simply introduces do this design graduate some attainment experience.keywords:mutil-axis device structure designing finite element analysis abaqus solidwork33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

14、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

15、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

16、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36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

17、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-spindle tool）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

18、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

19、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

20、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

21、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。一台普通的钻床可以安装不同的多轴器来满足不同的加工需要，装上多轴器后就能一次性把

22、几个乃至十几、二十几个孔或螺纹一次性加工出来，这样就大大提高了零件的加工精度与效率，为企业带来了很大的经济效益。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

23、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（square multi-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（adjustable multi-spindle）与固定式多轴器（fi

24、xed multi-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。14 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

25、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21 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：211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

26、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212 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2

27、3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213 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

28、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

29、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

30、调式多轴器结构图22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

31、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

32、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。23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

33、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

34、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

35、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）式中： 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。理想生产率q ： （3-3）式中： a 为被加工零件的年生产纲领，件/年。 为年工时总数。实际生产率： （3-4）+ （ 3-5）式中：多轴器加工单个零件所用时间。为多轴器工作进给速度。为多轴器快速进给与后退速度。为工件装夹的时间。生产效率判断: （3-6）根据以上关系式可以推出多轴器工作进给速度vf ，结合加工孔径的大小可以确定出多轴器的切削用量，并通过经验公式计算出多轴

36、器的动力参数。多轴器单轴动力参数计算经验公式如下： （3-7） （3-8） = （3-9）式中： f 为多轴器进给力。hb 工件材料的硬度。d 为加工孔的直径。f 为进给量。v 为切削速度。m 为单轴切削转矩。p 为单轴切削功率。多轴器主轴功率： （3-10）式中： n 为加工轴数量。h 为加工效率。3.4多轴器齿轮传动系统的排布及计算多轴器齿轮传动系统的排布问题简单地说就是寻求给定几何体在给定空间中的无干涉布置，并满足各种约束条件，多轴器齿轮传动布局设计直接关系到多轴器传动系统的具体实现，是多轴器齿轮传动系统设计中重要的核心问题之一。设计人员在设计多轴器齿轮传动机构时，先进行一级齿轮传动的挂

37、接布局，当发现存在齿轮干涉现象时（如下图3-3 所示），再重新设计计算齿轮，增加过轮，重新调整齿轮位置进行齿轮的挂接，如下图3-4 所示。在重新布置齿轮的过程中，设计人员对齿轮的计算并装配的过程复杂且知识无继承性，因此在设计开发过程中浪费了很长的时间。当客户要求开发加工能力不同的多轴器时（如一次性能加工5 个孔），设计人员需要重新对齿轮进行设计并进行从一级齿轮开始的挂接不干涉判断。这样做了很多重复设计工作，浪费了大量的时间。因此，如果能有一套方法能自动对齿轮传动机构的布局进行无干涉计算的话，将使设计效率大大提高。在多轴器齿轮传动系统中，主动齿轮带动动力齿轮运转，随着加工孔的增多，动力齿轮的分布

38、会发生干涉现象，我们通过增加过轮来避免干涉的产生，当加工孔的个数进一步增加后过轮也随之增加，当使用过轮无法解决干涉问题时，我们把平面问题的齿轮布局转换到齿轮的空间三维布局中去解决。三维布局问题还有待进一步研究。通过两幅图来对问题进行分析，如图3-3 所示是不加过轮齿轮传动机构动力齿轮发生干涉时的临界图。如图3-4 是加过轮后的二次齿轮传动简图。 图3-3不加过轮发生干涉时的临界图 图3-4加过轮后的二次齿轮传动算法描述如下： 1计算两动力齿轮临界干涉时的角。 （3-11） 式中：n为一级齿轮最多加工孔数。 （3-12） （3-13） （3-14） 式中：为临界状态的传动比，r 为主动齿轮的半径

39、，r为动力齿轮的半径。 2通过关系式计算出一级传动齿轮系在客户给定传动比的情况下最多可以加工孔的数量，其中为客户给定传动比。 3对客户需求进行判断，当被加孔件孔数小于n时，则无需过轮既可以对齿轮系进行布局。4通过客户给定传动比即加工孔数匹配各齿轮参数； （3-15） （3-16） 式中：为两孔之间的夹角，为主动齿轮齿数，为动力齿轮齿数。 5判断是否使用过轮： 当被加工孔数大于 n时，使用过轮。 6进行传动比划分： （3-17） （3-18） 式中：为主动齿轮与过轮之间的传动比。 为过轮与动力齿轮之间的传动比。 7判断干涉：当动力齿轮与过轮有其一发生干涉时，匹配失败，重新配传动比，如此循环。 8

40、齿轮参数配凑计算； （3-19） （3-20） （3-21） 式中：为主动轮齿数，为动力齿轮齿数，为过轮齿数， 为两孔之间的夹角。 设计者可以根据不同的需求和加孔数及传动比对其进行分析计算，本文设计应用了六个加工孔，根据以上算法本设计取=42，=42，=28，m=2,如图3-5所示二级齿轮无干涉传动。图3-5 改进的万向式多轴器二级齿轮无干涉传动3.5 改进的万向式多轴器的可弯曲组件设计改进的万向式多轴器的可弯曲组件如图3-6所示，动力齿轮传动配合轴承81组设有数个具有转轴的动力齿轮21，其并连设有由万向接头6、夹头8、连动杆27所构成的可弯曲驱动组件20，夹头8可组装工具头及配合调整座而调整

41、定位于加工位置。其特征在于：该动力齿轮21的转轴设成中空状、具有非圆形孔22（例如：六角孔）的筒转轴23，筒转轴23设有环槽24，设予c型扣25而与多轴器本体组固成一体，且筒转轴23只稍露出动力座的内底面，呈现几乎全埋入动力座中，该可弯由组个20，上端的万向接头6设成具有对应于筒转轴23非圆形孔22的非圆形伸缩连杆26，而呈长纵深插合于筒转轴23中，使得非圆形伸缩连动杆26可在筒转轴23中被一体运动、及伸缩因应可弯曲驱动组件调节器位的长度需要。如图3-7所示改进的万向式多轴器的可弯曲组三维模型。 图3-6 改进的万向式多轴器的可弯曲组件 图3-7可弯曲组件三维模型3.6 本章小结 本章对改进的

42、万向式多轴器结构和工作原理进行了阐述，并对多轴器的工效计算进行了推理，为多轴器设计的传动系统排布计算奠定了基础。文章设计了一套能进行齿轮传动系统布局无干涉计算算法，使设计人员的设计效率大大提高。最后对其基于三维软件solidwork对改进的万向式多轴器建立模型，为下一步动力座有限元分析奠定基础。第四章 动力座的三维有限元分析及改进多轴器动力座是多轴器组成当中非常重要的部件，它的性能的好坏直接关系到整个多轴器的使用寿命跟加工精度。本文以多轴器动力座为对象，本文以abaqus 有限元分析软件为平台，对多轴器动力座进行了静态分析。为多轴器动力座的结构设计和优化及多轴器的整机设计提供了设计依据，同时为

43、进一步的动力学分析奠定了基础。4.1有限单元法的计算思路有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是五十年代首先在连续体力学领域飞机结构静、动态特性分析中应用起来的一种有效的数值计算方法。有限元法分析计算的思路和作法可归结如下：4.1.1 物体离散化将某个工程结构离散为由各单元组成的计算模型。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定。一般情况，单元划分越细，则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大。4.1.2单元特性分析1）选择位移模式在有限单元法中，选择节点位移作为基本未

44、知量时称为位移法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法；选择节点力作为基本未知量时称为力法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中应用最广。当采用位移法时，物体或结构离散化之后，就可以把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。2）分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立

45、节点力和节点位移的关系式，从而导出单元刚度矩阵。3）计算等效节点力物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效节点力来代替所有作用在单元上的力。4.1.3 单元组集利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起来，形成整体有限元方程：k q = f 式中,k 是整体结构的刚度矩阵；q 是节点位移列阵；f 是载荷列阵。4.1.4 求未知节点位移解有限元方程式得出节点位移可以看出，有限元法的基本思想是“一分一和”，

46、分是为了进行单元分析，和则是为了对整体结构进行综合分析。4.2 abaqus 介绍abaqus 是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度线性问题。abaqus 具有十分丰富的单元库，可以模拟任意实际形状。abaqus 也具有相当丰富的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、聚合物、复合材料、钢筋混凝土、可压缩的弹性泡沫以及地质材料（例如土壤和岩石）等。作为一种通用的模拟工具，应用abaqus 不仅能够解决结构分析（应力/位移）问题，而且能够模拟和研究热传导、质量扩散、电子元器件的热控制的热控制（热-电耦合分析）、声学、

47、土壤力学（渗流-应力耦合分析）和压电分析等广阔领域中的问题。abaqus 使用起来十分简便，可以很容易地为复杂问题建立模型。例如，对于多部件问题，可以首先为每个部件定义材料参数，划分网格，然后将他们组装成完整模型。对于大多数模拟（包括高度非线性的问题），用户仅需提供结构的几何形状、材料特性、边界条件和载荷工矿等工程数据。在非线性分析中，abaqus 能自动选择合适的载荷增量和收敛准则，并在分析过程中不断地调整这些参数值，确保获得精确地解答，用户几乎不必去控制任何参数就能控制问题的数值求解过程。abaqus 包含一个全面支持求解器的前后处理模块abaqus/cae,以及两个主求解器模块abaqu

48、s/standard 和abaqus/explicit。abaqus 还提供了专用模块，包括abaqus/design、abaqus/aqua、abaqus/foundation、moloflow 接口、adams接口等。4.3有限元分析的实现有限元分析软件分为三个阶段：前处理阶段、求解阶段和后处理阶段。在这三个处理阶段中，第一个阶段用时最长，第三个阶段次之，第二个阶段相对较少。也就是说，利用有限单元法分析工程结构问题时，主要的时间是用于工程结构的离散和结果的后处理。前处理阶段即分析对象的有限元网格剖分与数据生成。首先，对工程结构进行坐标系和单元类型的确定，生成实体模型，进而建立有限元分析模型

49、，并且进行划分网格，控制节点和单元，载荷与材料参数直接输入与公式参数化导入，有限元分析载荷数据的生成等等。这里需要说明的是生成模型两种不同的方法：直接实体建模和参数化建模。求解阶段针对有限元模型进行单元分析，在此阶段，要进行有限单元库的建立、材料库及相关算法、约束处理算法等的选择。在准备工作结束后，就可进行求解，我们命令程序针对所选择的分析类型求解控制方程并计算出结果。后处理阶段根据工程结构模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工和检查，并以图形方式将结果提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。具体包括有限元分析结果的数据平滑性；结构并行图和应力分布图等的显示；根据计算

50、结果进行设计优化与模型修改等。4.4 动力座的静力有限元模拟分析4.4.1有限元模型建立有限元模型建立的好坏关系到以后分析计算准确性和计算成本。建立有限元模型可以采用有限元分析软件直接建立模型，也可以采用采用其它三维实体造型软件建立部件的三维实体模型，然后通过数据转换调入到有限元分析软件中，进而建立模型。由于动力座在abaqus软件中的建模比较麻烦，故先运用solidworks软件建立动力座的三维模型，将模型的parasolid文件导出后，导人到abaqus中在本文中。在建立模型过程中，为了便于有限元分析，对模型进行了简化，主要包括螺纹连接孔、忽略空刀槽、倒角等局部特征。经过这样的简化可以提高

51、计算效率，并且对计算结果精度影响很小。如图4-1为动力座的三维外观图。图4-2导入abaqus后的外观图。 图4-1 动力座的三维外观图 图4-2导入abaqus后的外观图4.4.2材料参数 因为动力座主要采用40cr钢, 40cr钢是机制造业使用最广的钢种之一,经调质后具有良好的综合力学性能,它的切削加工性和淬透性尚好,经碳氮共渗和高频淬火后,可作受载荷较大及要求耐磨又不受很大冲击的零件。材料参数如表4-1。表4-1 材料参数参数量弹性模量(n/m）泊松比密度（kg/m3）输入量2.06e110.2878004.4.3施加约束和载荷根据多轴器的工作状况分析可知，动力座上表面为全约束，底面承受

52、面压力载荷。根据加工时的工况，令该压力为100n/m2。施加约束和载荷后的模型如图4-3所示。图4-3施加约束和载荷后的模型4.4.4 划分网格和计算求解网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网格甚至会中止计算。直观上看,网格各边或各个内角相差不大、网格面不过分扭曲、边节点位于边界等份点附近的网格质量较好。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量。在此我们可以将整个动力座一起做网格划分，化出整个动力座的网格图，单元类型选3d stress,如图4-4所示网格化的模型。之后即可计算分析了，如图4-5所示为计算对话框。 a 划分网格种

53、子 b 划分网格4-4 网格化的模型图4-5 计算对话框。4.4.5查看云图经过abaqus模拟分析后，我们可以通过查看应力云图了解到整个动力座的应力分布情况，如图4-6所示，应力分布云图，如图4-7所示，位移分布云图，如图4-8所示，反作用力分布云图。图4-6 应力分布云图图4-7 位移分布云图图4-8 反作用力分布云图4.5 结构改进分析 通过abaqus的有限元静力分析可得到应力分布云图和位移分布云图及反作用分布云布，从云图中可得出：筋板与底圆柱相交接处出现应力集中分布，并且使受压力面上的位移较大。由此可以将筋板厚度加大并且适当地加密筋板的数目，可以得有很好的结构改善。当加强筋厚度加大一

54、倍时，应力分布云图如图4-9所示。显然可见，加大加强筋厚度的应力更小了，使其强度更大，更可靠。图4-9 改进后的动力座应力分布云图4.6 本章小结本章介绍了有限元理论和有限元方法的实现，采用abaqus有限元分析技术,模拟多轴器动力座在某一工况下工作时的受力状况,并进行结构强度分析,得到了应力分布云图和位移分布云图及反作用分布云布，确定了各部位的应力分布和局部应力集中点,结合实际情况对其进行结构改进,加强了强度,受力情况得到很好的改善。结论在这次设计中，查阅了关于多轴器的一些书刊资料，对多轴器有了基本的认识。在这种情况下，结合所查阅到的资料，设计出了三种方案，并对这三种方案进行了相互比较，最后选定了第三种方案。方案选定后，随之对多轴器的传动系统做了设计和计算。齿轮传动机构布局无干涉计算算法解决了设计人员在平面内齿轮系快速挂接问题，从而可以使在齿轮传动机构重新设计的速度大幅度提高，同时为今后空间齿轮机构布局问题的研究奠定了理论基础。并且用强大的三维软件solidwork对改进的万向式多轴器进行三建模。为实现有限元分析，本文对多轴器的动力座通过abaqus进行了有限元静力分析，使三维设计软件solidwork和有限元分析abaqus软件无缝连接环境下进行导入计算分析受力分析，并得出应力分布云图等。通过结果云图对其动力座进行改进分析，最后通过加大加