切点跟踪磨削法核心技术的研究

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1、湖南大学博士学位论文切点跟踪磨削法核心技术的研究姓名：许第洪申请学位级别：博士专业：机械制造及其自动化指导教师：孙宗禹;周志雄20050501湖南大学机械制造及其自动化博士学位论文摘要曲轴和凸轮轴是汽车发动机和其它内燃机的关键零件，需求量大，种类众多，加工精度要求高。因曲轴和凸轮轴的加工精度对发动机的性能起决定性的作用，所以其加工质量和加工效率将直接影响到汽车产品的质量和汽车工业的发展。为了实现曲轴和凸轮轴磨削加工的高效率、高精度和高柔性，提出了切点跟踪磨削法。本文系统地研究了根据切点跟踪磨削法原理设计曲轴磨床和凸轮轴磨床将涉及到的主要核心技术问题。根据零件的特点分别建

2、立了非圆零件切点跟踪磨削的运动模型。对曲轴连杆颈的切点跟踪磨削建立了两个运动模型，一个是按磨削点在连杆颈上匀速运动的原则建立的，提出了通过坐标转换把曲轴的切点跟踪磨削转换成典型的外圆磨削来进行分析的新思路，并从运动学的角度分析了切点跟踪磨削法对加工误差的影响，探讨了切点跟踪运动对当量磨削厚度和磨削力的影响及变化规律，给出了修正后的运动模型；另一个是按砂轮架动力学特性最优的原则建立的，该模型能有效地减小砂轮架跟踪滞后导致的加工误差。基于磨削点恒线速运动的原则建立了凸轮切点跟踪磨削的运动方程，若满足恒线速磨削的条件，则砂轮架的加速度会比较大，一般会超过伺服电机的额定值，为了

3、提高磨削效率，提出了分段恒线速磨削的修正算法。以曲轴磨床为例分析了切点跟踪磨削法的磨削机理，探讨了磨床的结构设计、控制系统设计和其它相关的核心技术，分析了影响曲轴切点跟踪磨削法加工精度的因素以及提高加工精度的措施。采用数值仿真技术分析了采用切点跟踪磨削法磨削曲轴连杆颈时，影响磨削精度的主要误差源对尺寸精度和形状精度的影响程度和变化规律，分析了各误差源对曲轴连杆颈圆度形貌的影响，并提出了相应的误差补偿模型。针对切点跟踪磨削法开发了一套专用的CAM系统，探讨了CAM系统的框架结构和各功能模块的基本功能，研究了各功能模块之间的信息传输并绘制了CAM系统的数据流图。讨论了CAM

4、系统和磨床CNC系统之间的区别及二者的相互关系，使切点跟踪磨削法的工业解决方案（CAM系统+CNC系统）更加清晰和完整。探讨了砂轮架伺服系统和机械传动系统之间的关系，建立了砂轮架机械传动系统的逆动力学方程。基于MATLAB/Simulink/SimMechanics开发了砂轮架逆动力学仿真软件，通过磨削曲轴连杆颈的典型算例，分析了砂轮架的运动规律与伺服电机的驱动力矩之间的关系，探讨了磨削力、摩擦力、头架转速、砂轮架质量和丝杆导程等因素对驱动力矩和速度的影响。利用通用多刚体动力学软件的仿真结果验证了砂轮架逆动力学仿真软件的正确性。在分析砂轮架设计准则的基础上建立了砂轮架的

5、动力学模型。在通用有限元软件ANSYS的基础上，利用APDL语言开发了专用的、参数化的砂轮架动态优化设计软I湖南大学机械制造及其自动化博士学位论文件。分别以凸轮轴磨床和曲轴磨床的砂轮架为例，进行了模态分析、谐响应分析以及动态优化设计，探讨了设计变量的局部灵敏度和全局灵敏度。根据分析结果提出了砂轮架的改进设计方案，使砂轮中心沿水平方向的位移响应减小了一个数量级。对凸轮轴和曲轴分别进行了切点跟踪磨削法的原理性磨削试验、运动模型及其修正模型的验证试验。考察了磨削曲轴连杆颈时，砂轮架跟踪滞后误差和砂轮中心高与曲轴的回转中心高误差对曲轴连杆颈圆度的影响。对曲轴的刚度进行测量并提出

6、了刚度误差补偿模型。关键词：非圆磨削；切点跟踪磨削；运动模型；误差补偿；CAM系统；逆动力学；动态优化设计；磨削试验II湖南大学机械制造及其自动化博士学位论文AbstractThecamshaftsandcrankshaftsarethekeycomponentsforautomobileenginesandotherinternal-combustionengines,theyareingreatdemand,varionsinkindsandstrictdemandsforprecision.Theirmachiningqualitydeterminesthequa

7、lityofengines,whichdirectlyinfluencesthequalityofcarproducts;theirmachiningefficiencydeterminesthecompetitivepowerofautomobileindustry.Toensurethehighefficiency,highcontourprecisionandhighflexibilityinthemachiningofcamshaftsandcrankshafts,anewmethod,knownbythedenomination