一種車床卡盤動平衡配重的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種車床卡盤動平衡配重的方法及裝置，運用有限元軟件中的拓撲優(yōu)化技術(shù)進行配重塊形狀、尺寸和安裝位置的自動計算，并在軟件中擬合出滿足動平衡和可制造要求的實際配重塊幾何尺寸和形狀，其實質(zhì)是通過配重塊的虛擬仿真結(jié)果作為動平衡校正的依據(jù)和參照，以達到減少勞動強度，提高配重動平衡校正方法的效率的目的。
【專利說明】—種車床卡盤動平衡配重的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于車床平衡配重領(lǐng)域，尤其涉及一種車床卡盤動平衡配重的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]良好的加工精度對各類車床的動靜平衡提出了更高的要求。卡盤是車床工作的主要部件。在理想的情況下，旋轉(zhuǎn)時與不旋轉(zhuǎn)時，對主軸軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，這時的卡盤是平衡的回轉(zhuǎn)體。但當(dāng)卡盤材質(zhì)不均勻、磨損、裝配誤差或裝夾偏心零件加工時，就會出現(xiàn)重心(質(zhì)心)和主軸的回轉(zhuǎn)中心不重合的情況，在旋轉(zhuǎn)時就會產(chǎn)生離心慣性力，離心慣性力不僅使得工件在加工中產(chǎn)生振動，影響加工精度，而且還會通過軸承作用到車床床身上，引起振動，產(chǎn)生噪音，加速軸承磨損，縮短了車床壽命，嚴重時能造成破壞性事故。為此，必須在卡盤重心與回轉(zhuǎn)中心不重合的時候，對卡盤進行平衡，使其達到允許的平衡精度等級，或使因此產(chǎn)生的機械振動幅度降在允許的范圍內(nèi)。
[0003]對于車床卡盤動平衡長期以來一直沿用動平衡加重和去重相分離的手工動平衡校正策略，即首先采用一些動平衡稱重設(shè)備完成動平衡的測量，并把測量結(jié)果以一定的方式顯示出來，然后，操作工人根據(jù)顯示結(jié)果的讀數(shù)，憑借自身的操作經(jīng)驗和相應(yīng)的加工設(shè)備，對卡盤進行試湊平衡。手工校正生產(chǎn)效率低下，但資本投入少，目前仍被國內(nèi)中小企業(yè)廣泛采納。
[0004]加重校正動平衡的方法又叫做配重動平衡校正方法，即在卡盤適當(dāng)部位加配重塊。加配重塊進行動平衡校正的關(guān)鍵就在于平衡塊安放位置的確定和平衡塊重量的選取。目前加配重塊進行動平衡校正主要有周移配重法、標線法、綜合法、一點法、三點法配重法、四點法配重法等，存在的主要共性問題為:
[0005]1、計算量大，如現(xiàn)有的方法基本都要計算配重塊重量、配重塊安裝位置和布局等。
[0006]2、現(xiàn)場操作人工作業(yè)量大，調(diào)整繁瑣。操作人員須借助相關(guān)儀器反復(fù)進行數(shù)據(jù)測量、找出不平衡方向、位置調(diào)整、配重塊修配等環(huán)節(jié)，勞動強度大，耗時長。
[0007]3、啟停機次數(shù)頻繁。由于要不斷進行振動數(shù)據(jù)的測量，車床啟停機次數(shù)頻繁，不利于機床的保養(yǎng)和節(jié)能。
[0008]目前，國內(nèi)外也有通過虛擬仿真進行機床平衡配重設(shè)計的研究，如專利號為“201110059892.9”、名稱為“非對稱復(fù)雜零件的動平衡配重仿真的設(shè)計方法”涉及一種非對稱復(fù)雜零件的動平衡配重仿真的設(shè)計方法，用于零件在繞固定軸線旋轉(zhuǎn)加工過程中零件與夾具組合后，動平衡所需配重塊的仿真設(shè)計方法。
[0009]這種方法包括如下步驟:1)建立加工零件數(shù)據(jù)模型；2)根據(jù)工序零件設(shè)計夾具；3)將工序中零件與夾具裝配到一起；4)通過CATIA軟件建立工序零件加工旋轉(zhuǎn)軸線I，同時根據(jù)磨床的主軸轉(zhuǎn)速，確定模擬軸線允許區(qū)域的范圍大??；5)配重塊的設(shè)計模擬過程:在裝配圖中插入新的配重塊，以磨床的軸線為中心為對稱軸對稱放置在裝配模型中；調(diào)整配重塊使裝配后的慣量測量軸線II在允許區(qū)域范圍內(nèi)；6)將配重塊零件輸出，并加工出來；7)在磨削該工序零件時，將待用配重塊的夾具與零件裝配到一起進行加工。
[0010]該仿真方法雖然可在一定程度上提高生產(chǎn)效率，但具有以下缺點:1)在軟件中調(diào)整配重塊的過程過于復(fù)雜，試湊較頻繁；2)配重塊的尺寸形狀和位置取決于夾具結(jié)構(gòu)以及安裝位置，方法的適用范圍有限；3)仿真模擬與現(xiàn)場調(diào)試過程結(jié)合不夠，容易造成誤差。
[0011]此外，還有研究者(參見文獻:馬永紅.利用Solidedge軟件為數(shù)控重型車床卡盤添加配重做平衡試驗[JL金屬加工，2011，(9):74-75.)利用Solidedge軟件為數(shù)控重型車床卡盤添加配重做平衡試驗，主要步驟包括:卡盤及相應(yīng)工裝的實體建模，模擬卡盤的配重裝配，卡盤重心計算，創(chuàng)建位置模型及位置計算草圖，添加配重方程式等。這種方法利用Solidedge的計算功能，可以方便的計算出卡盤的重心，從而根據(jù)重心位置進行配重，有一定的便捷性。但是整個方法和過程只局限于卡盤的配重平衡，沒有考慮到工件裝配后的變化，屬于簡單的靜平衡范疇，當(dāng)工件出現(xiàn)偏心，與卡盤安裝后，單純通過計算卡盤重心進行配重的方法則無法解決復(fù)雜的雙面動平衡問題，缺乏一定的實用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種車床卡盤動平衡配重的方法及裝置，旨在解決上述【背景技術(shù)】中的不足。
[0013]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種車床卡盤動平衡配重的方法，包括以下步驟:
[0014]S1、對多個零部件的裝配模型進行整體重心約束；
[0015]S2、依托Abaqus有限元軟件，通過拓撲優(yōu)化技術(shù)對待拓撲優(yōu)化模型的材料進行刪減，得到動平衡校正中配重塊的形狀和安裝位置。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟SI包括以下具體步驟:
[0017]根據(jù)卡盤和工件幾何形狀在三維幾何建?；蛴邢拊浖蟹謩e畫出二者的三維模型，并按照卡盤和工件的實際安裝位置進行裝配，卡盤三維模型近似反映出主要磨損部位磨損情況；
[0018]根據(jù)卡盤和工件的重心坐標，初步計算平衡基面的位置，按照平衡基面所在區(qū)域，建立待拓撲優(yōu)化模型，并將其與卡盤和工件的裝配模型安放在一起，其中平衡基面垂直于回轉(zhuǎn)軸線且為待拓撲優(yōu)化模型的中分面；
[0019]定義三個實體模型的材料屬性，施加虛擬載荷，并劃分三個實體模型的網(wǎng)格，設(shè)置分析步，建立應(yīng)變能優(yōu)化函數(shù)；
[0020]設(shè)置拓撲優(yōu)化區(qū)域、任務(wù)、目標函數(shù)、約束等參數(shù),其中重心約束保證整體重心的位置，體積約束則控制配置塊的重量；提交進程，輸出拓撲優(yōu)化結(jié)果。
[0021]優(yōu)選地，所述步驟S2包括以下具體步驟:
[0022]根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，確定并記錄配重塊相對于卡盤的位置，并在三維建?；蛴邢拊浖习凑湛芍圃煨栽瓌t進行配重塊形狀的擬合，將擬合后的配重塊與卡盤和工件形成新的裝配體，按照拓撲優(yōu)化的設(shè)置和計算步驟，檢驗整體重心的滿足情況，如果不滿足，繼續(xù)對配重塊形狀進行修正，直至滿足要求；
[0023]輸出配重塊，按照擬合后配重塊的形狀和尺寸進行加工，并根據(jù)記錄的位置來安裝，檢驗并實現(xiàn)現(xiàn)場動平衡的校正。
[0024]本發(fā)明進一步提供了一種車床卡盤動平衡配重的裝置，包括:[0025]重心約束模塊，用于對多個零部件的裝配模型進行整體重心約束；
[0026]以及動平衡校正模塊，用于依托Abaqus有限元軟件，通過拓撲優(yōu)化技術(shù)對待拓撲優(yōu)化模型的材料進行刪減，得到動平衡校正中配重塊的形狀和安裝位置；其中，所述重心約束模塊和動平衡校正模塊連接。
[0027]優(yōu)選地，所述重心約束模塊包括:
[0028]模擬磨損模塊，用于根據(jù)卡盤和工件幾何形狀在三維幾何建?；蛴邢拊浖蟹謩e畫出二者的三維模型，并按照卡盤和工件的實際安裝位置進行裝配，卡盤三維模型近似反映出主要磨損部位磨損情況；
[0029]待拓撲優(yōu)化模塊，用于根據(jù)卡盤和工件的重心坐標，初步計算平衡基面的位置，按照平衡基面所在區(qū)域，建立待拓撲優(yōu)化模型，并將其與卡盤和工件的裝配模型安放在一起，其中平衡基面垂直于回轉(zhuǎn)軸線且為待拓撲優(yōu)化模型的中分面；
[0030]應(yīng)變能優(yōu)化模塊，用于定義三個實體模型的材料屬性，施加虛擬載荷，并劃分三個實體模型的網(wǎng)格，設(shè)置分析步，建立應(yīng)變能優(yōu)化函數(shù)；
[0031]拓撲優(yōu)化模塊，用于設(shè)置拓撲優(yōu)化區(qū)域、任務(wù)、目標函數(shù)、約束等參數(shù)，其中重心約束保證整體重心的位置，體積約束則控制配置塊的重量，提交進程，輸出拓撲優(yōu)化結(jié)果；其中，
[0032]所述模擬磨損模塊、待拓撲優(yōu)化模塊、應(yīng)變能優(yōu)化模塊、拓撲優(yōu)化模塊以及動平衡校正模塊依次連接。
[0033]優(yōu)選地，所述動平衡校正模塊包括:
[0034]配重塊形狀修正模塊，用于根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，確定并記錄配重塊相對于卡盤的位置，并在三維建?；蛴邢拊浖习凑湛芍圃煨栽瓌t進行配重塊形狀的擬合，將擬合后的配重塊與卡盤和工件形成新的裝配體，按照拓撲優(yōu)化的設(shè)置和計算步驟，檢驗整體重心的滿足情況，如果不滿足，繼續(xù)對配重塊形狀進行修正，直至滿足要求；
[0035]動平衡檢驗校正模塊，用于輸出配重塊，按照擬合后配重塊的形狀和尺寸進行加工，并根據(jù)記錄的位置來安裝，檢驗并實現(xiàn)現(xiàn)場動平衡的校正；其中，
[0036]所述拓撲優(yōu)化模塊、配重塊形狀修正模塊以及動平衡檢驗校正模塊依次連接。
[0037]本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種車床卡盤動平衡配重的方法及裝置，運用有限元軟件中的拓撲優(yōu)化技術(shù)進行配重塊形狀、尺寸和安裝位置的自動計算，并在軟件中擬合出滿足動平衡和可制造要求的實際配重塊幾何尺寸和形狀，其實質(zhì)是通過配重塊的虛擬仿真結(jié)果作為動平衡校正的依據(jù)和參照，以減少勞動強度，提高配重動平衡校正方法的效率。具體技術(shù)路線如下:
[0038]1、在完成卡盤對偏心工件的安裝后，首先加工現(xiàn)場通過常規(guī)儀器(如千分表等)測出卡盤和工件的偏心位置，對于卡盤只需測出重心偏移的方向，在卡盤外圓面標記。并通過調(diào)整，盡可能使卡盤和工件的重心相位重合，可允許一定的誤差(二者重心與回轉(zhuǎn)軸線的垂線夾角15度以內(nèi))。
[0039]2、根據(jù)卡盤和工件幾何形狀在三維幾何建?；蛴邢拊浖蟹謩e畫出二者的三維模型，并按照卡盤和工件的實際安裝位置進行裝配，其中卡盤三維模型要近似反映出主要磨損部位(如夾爪滑動面等)磨損情況，以便能較真實地體現(xiàn)出其重心位置。
[0040]3、根據(jù)卡盤和工件的重心坐標，初步計算平衡基面的位置，按照平衡基面所在區(qū)域，建立待拓撲優(yōu)化模型，并將其與卡盤和工件的裝配模型安放在一起，其中平衡基面垂直于回轉(zhuǎn)軸線且為待拓撲優(yōu)化模型的中分面。
[0041]如圖1所示，設(shè)主軸回轉(zhuǎn)速度為卡盤質(zhì)量Hi1，重心到回轉(zhuǎn)中心的距離(矢徑)為F1，產(chǎn)生的離心慣性力為/"P2Z1 ;偏心軸工件質(zhì)量叫，重心到回轉(zhuǎn)中心的距離(矢徑)為
r3，產(chǎn)生的離心慣性力為由于兩慣性力相位不超過15度，將慣性力投影到二者夾角
的中間面及其垂直面上，兩者的比值相差很大，因此投影到二者夾角中間面垂直方向的離心力分量對平衡量影響較小，于是就可以把雙面校正的動平衡轉(zhuǎn)化為單面的靜平衡問題。設(shè)平衡基面的平衡質(zhì)量m2，其重心到回轉(zhuǎn)中心的距離(矢徑)為1"2，產(chǎn)生的離心慣性力為
，設(shè)卡盤重心矢徑與偏心軸重心矢徑成15度，偏心軸離心慣性力與投影的中間面夾
角為α，則卡盤離心慣性力與投影的中間面夾角為15° -α，α在O到15度之間,平衡慣
性力與其投影面夾角為β，可近似認為存在如下關(guān)系:
[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種車床卡盤動平衡配重的方法，其特征在于包括以下步驟: S1、對多個零部件的裝配模型進行整體重心約束； S2、依托Abaqus有限元軟件，通過拓撲優(yōu)化技術(shù)對待拓撲優(yōu)化模型的材料進行刪減，得到動平衡校正中配重塊的形狀和安裝位置。
2.如權(quán)利要求1所述的車床卡盤動平衡配重的方法，其特征在于，所述步驟SI包括以下具體步驟: 根據(jù)卡盤和工件幾何形狀在三維幾何建?；蛴邢拊浖蟹謩e畫出二者的三維模型，并按照卡盤和工件的實際安裝位置進行裝配，卡盤三維模型近似反映出主要磨損部位磨損情況； 根據(jù)卡盤和工件的重心坐標，初步計算平衡基面的位置，按照平衡基面所在區(qū)域，建立待拓撲優(yōu)化模型，并將其與卡盤和工件的裝配模型安放在一起，其中平衡基面垂直于回轉(zhuǎn)軸線且為待拓撲優(yōu)化模型的中分面； 定義三個實體模型的材料屬性，施加虛擬載荷，并劃分三個實體模型的網(wǎng)格，設(shè)置分析步，建立應(yīng)變能優(yōu)化函數(shù)； 設(shè)置拓撲優(yōu)化區(qū)域、任務(wù)、目標函數(shù)、約束等參數(shù)，其中重心約束保證整體重心的位置，體積約束則控制配置塊的重量；提交進程，輸出拓撲優(yōu)化結(jié)果。
3.如權(quán)利要求2所述的車床卡盤動平衡配重方法，其特征在于，所述步驟S2包括以下具體步驟: 根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，確定并記錄配重塊相對于卡盤的位置，并在三維建?；蛴邢拊浖习凑湛芍圃煨栽瓌t進行配重塊形狀的擬合，將擬合后的配重塊與卡盤和工件形成新的裝配體，按照拓撲優(yōu)化的設(shè)置和計算步驟，檢驗整體重心的滿足情況，如果不滿足，繼續(xù)對配重塊形狀進行修正，直至滿足要求； 輸出配重塊，按照擬合后配重塊的形狀和尺寸進行加工，并根據(jù)記錄的位置來安裝，檢驗并實現(xiàn)現(xiàn)場動平衡的校正。
4.一種車床卡盤動平衡配重的裝置，其特征在于，包括: 重心約束模塊，用于對多個零部件的裝配模型進行整體重心約束； 以及動平衡校正模塊，用于依托Abaqus有限元軟件，通過拓撲優(yōu)化技術(shù)對待拓撲優(yōu)化模型的材料進行刪減，得到動平衡校正中配重塊的形狀和安裝位置；其中，所述重心約束模塊和動平衡校正模塊連接。
5.如權(quán)利要求4所述的車床卡盤動平衡配重的裝置，其特征在于，所述重心約束模塊包括: 模擬磨損模塊，用于根據(jù)卡盤和工件幾何形狀在三維幾何建?；蛴邢拊浖蟹謩e畫出二者的三維模型，并按照卡盤和工件的實際安裝位置進行裝配，卡盤三維模型近似反映出主要磨損部位磨損情況； 待拓撲優(yōu)化模塊，用于根據(jù)卡盤和工件的重心坐標，初步計算平衡基面的位置，按照平衡基面所在區(qū)域，建立待拓撲優(yōu)化模型，并將其與卡盤和工件的裝配模型安放在一起，其中平衡基面垂直于回轉(zhuǎn)軸線且為待拓撲優(yōu)化模型的中分面； 應(yīng)變能優(yōu)化模塊，用于定義三個實體模型的材料屬性，施加虛擬載荷，并劃分三個實體模型的網(wǎng)格，設(shè)置分析步，建立應(yīng)變能優(yōu)化函數(shù)；拓撲優(yōu)化模塊，用于設(shè)置拓撲優(yōu)化區(qū)域、任務(wù)、目標函數(shù)、約束等參數(shù)，其中重心約束保證整體重心的位置，體積約束則控制配置塊的重量，提交進程，輸出拓撲優(yōu)化結(jié)果；其中，所述模擬磨損模塊、待拓撲優(yōu)化模塊、應(yīng)變能優(yōu)化模塊、拓撲優(yōu)化模塊以及動平衡校正模塊依次連接。
6.如權(quán)利要求5所述的車床卡盤動平衡配重的裝置，其特征在于，所述動平衡校正模塊包括: 配重塊形狀修正模塊，用于根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，確定并記錄配重塊相對于卡盤的位置，并在三維建?；蛴邢拊浖习凑湛芍圃煨栽瓌t進行配重塊形狀的擬合，將擬合后的配重塊與卡盤和工件形成新的裝配體，按照拓撲優(yōu)化的設(shè)置和計算步驟，檢驗整體重心的滿足情況，如果不滿足，繼續(xù)對配重塊形狀進行修正，直至滿足要求； 動平衡檢驗校正模塊，用于輸出配重塊，按照擬合后配重塊的形狀和尺寸進行加工，并根據(jù)記錄的位置來安裝，檢驗并實現(xiàn)現(xiàn)場動平衡的校正；其中， 所述拓撲優(yōu)化模塊、配 重塊形狀修正模塊以及動平衡檢驗校正模塊依次連接。
【文檔編號】B23B25/00GK103955576SQ201410168235
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】何彬, 尹念東, 陳勉舟 申請人:湖北理工學(xué)院