弧焊机器人针对V形坡口的焊接路径规划设计与仿真分析

为解决弧焊机器人面向中厚板V形坡口的焊接变形难题,通过分析传统逐层逐道堆积焊接容易引起热量聚集而导致焊接变形的特性,采用V形截面投影轨迹、空间平行往复轨迹及空间轮廓偏置轨迹相结合的方法建立V形焊层,实现焊接过程热量的快速散发。同时,在建立各轨迹方程解析式的基础上,应用Simufact Welding和MATLAB仿真软件对比分析了空间平行往复轨迹和空间轮廓偏置轨迹与传统逐层逐道焊的优缺点。为了进一步验证可行性,采用FANUC工业机器人进行试验。仿真和试验结果表明:以零件y、z轴方向的变形量为依据,空间平行往复轨迹和空间轮廓偏置轨迹都优于传统的逐层逐道焊接方法,且后者更优于前者。但空间平行往复轨迹在轨道变换过程中机器人末端执行器的空间位姿调整相对简单、引入误差少、控制精度高,更适合于坡口较窄、长度较短的情况;而空间轮廓偏置轨迹更适用于坡口较宽,长度较长的情况。

磁悬浮铣削电主轴时变质量系统动力学模型与切削稳定性分析

磁悬浮电主轴铣削加工时,由时变切屑质量高速旋转产生的时变不平衡离心力,会导致加工表面形成再生颤振。针对这一问题,采用构建稳定性叶瓣图的方法,对铣削系统进行了稳定性预测。首先,分析并建立了动态铣削力、时变不平衡离心力以及主动磁轴承电磁力的数学模型,构建了磁悬浮电主轴铣削加工系统动力学模型;然后,采用全离散化方法得到了铣削加工系统的稳定性叶瓣图;最后,利用MATLAB数值计算平台对系统的切削稳定性进行了分析,得到了时变质量特性以及磁悬浮轴承电磁力对系统切削稳定性的影响规律。研究结果表明:在叶瓣1、叶瓣2、叶瓣3、叶瓣4处,时变系统的极限轴向切深对比定常系统分别下降了0.005 mm、0.010 mm、0.022 mm、0.033 mm,证明时变不平衡离心力会导致系统的切削稳定性降低,并且主轴转速越高,其影响越大;磁轴承力-位移刚度分别为k_(q)=-2×10^(5) N/m、k_(q)=-2×10^(6) N/m、k_(q)=-2×10^(7) N/m时,系统的极限轴向切深分别为0.37 mm、0.55 mm、1.45 mm,证明通过增大磁轴承的力-位移刚度可使系统的切削稳定性得到增强。

考虑系统振动的电主轴回转误差检测方法研究

针对目前机床主轴的回转精度检测不能反映主轴在切削工况下的实际回转精度、现有三点法检测的主轴回误差信号包含了系统振动信号的问题,在传统三点法的基础上加入振动加速度传感器,实时测量系统的振动加速度,进而提出一种包含系统振动信号分离的新型三点法。首先,通过建立考虑系统振动的回转误差检测数学模型,得到系统的振动位移和传感器相对主轴的绝对位移;其次,采用误差分离技术,得到主轴在切削工况下的实际回转误差;最后,研制出一套主轴在切削工况下的回转误差检测装置并进行了实验验证。研究结果表明,所提出方法能有效提高主轴在切削工况下回转误差的检测精度。

变黏度液体静压轴承的温升特性研究

采用广泛使用的有限元法难以探究温升的影响对液体静压轴承动态特性的影响,为此,提出了一种基于有限差分法的变黏度液体静压轴承动态润滑仿真算法,对变黏度液体静压轴承的温升特性进行了研究。首先,改进了油腔的热力学边界条件,以拓宽其适用范围,使其适用于油腔尺寸较大的液体静压轴承;然后,基于有限差分法处理了Reynolds方程、流量连续方程、能量方程以及黏温方程,从而建立了基于MATLAB的液体静压轴承变黏度热流动态润滑模型;最后,采用仿真计算的方法,分析了偏心率ε为0.1~0.4、主轴转速n为3000 r/min~10000 r/min(线速度为14.1 m/s~47.1 m/s)时,油膜压力与温升的变化机理。研究结果表明:当主轴转速从3000 r/min增大到10000 r/min时,转速的增大会使得液体静压轴承的承载力因动压效应的增大而增大,但其油膜的平均压力却因温度的升高、油膜黏度的降低而下降了约24%;主轴偏心率的增大会导致油膜温度聚集,而主轴转速的增大则导致油膜温升增大,故当偏心率ε=0.4而转速n=10000 r/min时,油膜的温升较大,且热量发生聚集,其最高温升可达39.5℃;主轴转速越高,液体静压轴承内热油携带对温升的影响越显著。该研究结论可以为温升影响下高速液体静压轴承的轴心轨迹与动态特性的研究提供理论基础。

基于图和体分解的异型零件加工特征识别方法

针对异型零件具有众多复杂的相交特征,加工特征难以自动识别,进而影响其高效、高质量自动编程设计的问题,提出了一种基于图和体分解的加工特征识别方法。首先,以STEP中性文件作为输入,获取异型零件的几何、拓扑信息,以构造其毛坯特征和体积特征;同时,采用布尔减运算得到异型零件的加工体积特征,并将其分解为只含凸边关系的单一特征。然后,设计了一种基于特征面关系的几何特征矩阵(geometric feature matrix, GFM)和拓扑特征矩阵(topological feature matrix, TFM)构建方法,其中GFM侧重描述零件模型中面与面之间的位置关系,TFM侧重描述零件模型中面与面之间相邻的凹凸性,该方法较好地解决了传统属性邻接矩阵(attribute adjacency matrix, AAM)易出现无法准确表达零件加工特征的问题。最后,将异型零件的GFM和TFM与加工特征库进行匹配,以实现其加工特征的识别。在Visual Studio 2019平台中开发基于图和体分解的异型零件加工特征识别系统并开展验证实验。结果表明,所提出的方法能准确识别异型零件的所有加工特征,这可为异型零件加工工艺的自动编制和智能制造提供理论依据。

高速电主轴轴承热分析与实验研究

根据高速电主轴角接触球轴承中滚动体的运动情况,分析其受力状态,并考虑轴承预加载荷对滚动体在高速旋转状态下陀螺力矩的平衡效果,应用Palmgren经验公式计算轴承整体的摩擦热,然后依据传热学理论建立轴承的温升热模型,并用热网络法建立其热阻抗网络图,最后用120MD60Y6油雾润滑型电主轴的轴承进行试验验证。结果表明,轴承温升主要受转速、润滑油量、供气压力及载荷的影响,在主轴启动的初始阶段温升变化最快,且润滑油量和供气压力对轴承温升有一个最佳的适用范围。

U/f控制下高速电主轴的低频电压补偿与负载特性分析

主轴磁通作为高速电主轴机电能量转换的唯一媒介,在高速电主轴的运行过程中,磁通的大小和稳定性将决定主轴的转矩输出能力和转速差的大小,是高速电主轴设计与控制的重要参数。因此为了保证高速电主轴运行时主轴的磁通恒定不变,从高速电主轴的稳态性能出发,根据高速电主轴电路等效的基本思想和变频调速原理,论述主轴在U/f控制下低频运行时磁通减弱的原因,并推导出确保磁通恒定的电压补偿公式。在此基础上,通过转差频率将电磁转矩与主轴的转速差联系起来,导出转速差与电磁转矩、定子电流之间的关系式,作为主轴频率变化时磁通是否恒定的依据。结果表明,在U/f控制下,按电压补偿公式进行电压补偿后,主轴的转矩输出能力不受频率变化的影响;通过空载电流对磁通的稳定性判断与理论分析相符;主轴转速对径向圆跳动量的影响直接反映了主轴运行过程中磁通的脉动程度、转矩的控制精度以及主轴的动平衡特性。

耦合电压对高速电主轴动态性能的影响

针对高速电主轴动态模型中耦合电压的非线性变化对主轴动态性能所产生的影响,通过对比前馈控制和内模控制(Internal model control,IMC)的电压解耦机理,指出IMC能够避免前馈控制时电压解耦效果依赖主轴模型参数与实际参数相匹配的不足,并利用170MD15Y20油雾润滑型电主轴和Matlab/Simulink软件分别对两种控制方法进行试验和仿真分析。结果表明,主轴的耦合电压主要受频率和转矩电流变化的影响,改变磁链子系统和转矩子系统的给定电压、以及耦合回路中无功功率在输入功率中的比例,不仅可以对主轴的功率因素、输出转矩、抗扰动能力和动态速度跟随精度等特性参数产生影响,而且使主轴的转矩脉动程度、带负载能力和转差率等随耦合电压的大小成反比例变化。因此可以根据包含上述特征信息的机械特性曲线、功率因素曲线和恒转矩曲线的变化趋势,准确判断高速电主轴的解耦效果,并预测主轴在该控制方式下的动态性能。

高速电主轴的电压解耦与负载特性

为了研究高速电主轴动态数学模型中耦合回路对高速电主轴负载特性的影响,根据控制理论的不变性原理,在高速电主轴给定电流和反馈电流的偏差处引入外部解耦支路来消除耦合电压的影响,研究解耦后高速电主轴的励磁电流和转矩电流在负载变化时对主轴磁通、电磁转矩以及负载特性的影响方式,并利用高速电主轴性能测试试验平台进行负载特性测试。理论分析和试验结果表明:高速电主轴的解耦效果会直接影响主轴磁通的稳定性和转矩电流对负载的线性跟踪能力,并通过不同频率下机械特性曲线的平行度、电磁转矩脉动程度、主轴的载荷能力、功率因素和效率等特性参数直接体现。因此,可以根据包含上述特征信息的机械特性曲线、功率因素曲线和效率曲线的变化趋势,判断高速电主轴的实际解耦效果,并预测高速电主轴在该控制方式下的动态性能。

高速电主轴谐波转矩产生机理及对主轴振动的影响

高速电主轴的动态特性受轴承和高频谐波电磁力矩的共同影响,为了将两者的特征频率分离以便采取相应的控制方法,从气隙磁场的波形出发,利用傅里叶变换求出各次谐波磁动势,进而导出稳态谐波电磁转矩和脉动谐波电磁转矩的计算公式,得出稳态谐波转矩只影响主轴的转矩输出能力,脉动谐波转矩会导致系统产生周期性振动,且脉动频率为6的整数倍基波频率的结论。据此不仅可轻易分辨出由轴承运动和谐波电磁转矩所产生的振动频率及各自对系统动态性能的影响程度,而且可以根据系统的动态需求,采取有选择性的控制方法。最后以170MD15Y20型高速电主轴为例,对此结论进行了验证。

高速电主轴热形成机理与影响因素分析

为了研究高速电主轴的热形成机理,分别从运动学和电磁学两个角度,对主轴的轴承热和电磁热进行分析,同时考虑润滑和冷却条件对主轴整体热的影响,得出轴承滚动体在高速下所产生的离心力及陀螺力矩等惯性载荷,是造成滚动体与轴承内外沟道产生相对滑动,进而产生大量摩擦热的原因;而轴承的润滑油量需要满足点接触下弹流润滑的最小油膜厚度条件,供气压力需要满足对流换热条件,且润滑油量对轴承热的影响要大于供气压力对轴承热的影响;主轴转速对电磁热铜耗部分的影响不明显,但对铁耗的影响最大;在建立主轴整体热网络模型的基础上,通过实验检测120MD60Y6型高速电主轴关键节点的温升数据,并结合理论分析,得出润滑、冷却流体带走了主轴大量的热,在主轴壳体上不存在局部热量聚集点的结论。

谐波电流对高速电主轴动态性能的影响

为分析各次谐波对高速电主轴动态性能的影响,根据谐波电流产生的机理,得出谐波电流的等效电路,然后应用迭加原理推导出振荡谐波转矩的计算公式和转速脉动公式,作为分析各阶谐波次数和电源角频率影响高速电主轴转矩和转速脉动幅值的理论依据,由此确定需要抑制的、能对高速电主轴动态性能产生较大影响的谐波阶次;最后应用高速电主轴动态性能测试平台,对高速电主轴在不同转速下的谐波干扰进行试验测试。试验结果表明,主轴转速越低,谐波对转矩和转速脉动幅值的影响越大,需要抑制的谐波次数也相应升高,使得主轴不能在过低的转速下运行,由此限制了主轴的应用范围。

地方高校机械类专业“三纲”修订探索与实践

机械类专业教学大纲、考试大纲、实验大纲是高校教学和管理工作重要依据,直接影响人才培养质量。本文分析了地方高校机械类专业"三纲"的特点和现状,探讨了形成这些问题的原因,提出修订过程中需要注意的事项,为完善地方高校"三纲"提供参考意见。

无速度传感器矢量控制下高速电主轴动态性能分析

为了研究高速电主轴的控制精度与主轴机械参数之间的动态关系,根据法拉第电磁感应定律建立高速电主轴的动态数学模型,并利用无速度传感器矢量控制逆变调速原理,将该模型的定子电流分解为励磁电流和转矩电流两个分量,组成两个独立的一阶线性子系统——磁链子系统和转矩子系统,实现励磁磁链和电磁转矩对各自参考值的全局渐进跟踪。试验结果表明,在无速度传感器矢量控制下,高速电主轴的励磁磁链受励磁电流的控制,且不受主轴负载和转速高低的影响,始终保持恒定;转矩电流控制高速电主轴的电磁转矩,与负载呈线性关系。有效控制励磁电流和转矩电流两个独立变量,不仅可以保证高速电主轴在负载状态下转差率小、转矩输出稳定性高的特点,而且当高速电主轴受到瞬间外力冲击时,其快速的转矩响应能力、动态速度跟随精度和抗挠动性等动态特性参数都可以通过控制励磁电流和转矩电流的精度实现。

基于有限单元法的多间隙耦合齿轮传动系统非线性动态特性分析

针对齿轮传动系统的动态传递误差、单双边冲击状态、脱齿、拍击及混沌现象等复杂非线性动力学问题,在同时考虑齿侧间隙、轴承间隙、时变啮合刚度及齿面摩擦等非线性特性的基础上,首次提出一种基于有限单元法的多间隙耦合齿轮传动系统的非线性动态特性分析方法。以某单级斜齿轮传动系统为例,利用大型通用有限元分析软件AN-SYS/LS-DYNA建立耦合系统动力学模型,分析支撑状态下耦合系统的非线性动态特性,研究了不同转速及负载力矩对耦合系统非线性动态特性的影响规律。结果表明有限单元法能在满足高精度分析的条件下求解各种复杂工况的齿轮系统非线性动力学问题,为进一步研究齿轮传动系统非线性动力学问题提供有力工具。

高速电主轴加载试验的研究

针对电主轴转速高进行加载试验难以实现的情况,提出应用对拖式方法对其进行加载。详细描述对拖式加载方法的系统构成和加载原理,该系统不但可以完成对电主轴的加载,还可以测出加载过程中电主轴的基本参数,并绘制相应的特性曲线,使电主轴在不同工作点的状态一目了然。应用该系统对15000r/min的电主轴进行加载试验,通过对测得数据的处理和分析,验证对拖式加载系统的正确性和可行性,为高速电主轴动态性能的研究提供一种新的方法。

偏心电主轴动力学分析

为了揭示偏心状态下高速电主轴的动力学行为,从高速电主轴的结构特征出发,应用有限元法对其进行动力学分析,建立了高速电主轴动力学分析模型;基于电磁学和机械系统动力学基本理论,建立了各种偏心状态下高速电主轴的广义不平衡力表达式,根据所建动力学模型可以获得高速电主轴在不同预加载荷、轴承配置下的固有频率和不平衡响应等动态特性。将120MD60Y6型电主轴的机电结构参数代入模型,并利用Matlab/Simulink软件进行仿真分析,计算所得的数据与实验所测数据相符,从而证明所建模型是正确的。

脂润滑球轴承热态性能分析

针对球轴承高速运转时的热生成及热边界条件问题,建立轴承拟静力学模型分析其受力状态,根据Palmgren经验公式计算轴承摩擦产热,并应用传热学理论,建立考虑热阻抗影响的脂润滑轴承热传递网络模型;研制轴承-转子系统,测量不同工况条件下的轴承外圈温度,试验结果表明:理论模型能准确预测脂润滑球轴承运转时的温升状况,误差在10%以内;轴承启动时其温度上升速度最快,轴承转速和预紧力对其最终稳态温度影响较大,需要加以合理控制。

基于新型金刚石砂轮的Al_2O_3陶瓷磨削性能

利用粉末注射成形和真空钎焊技术制备了一种新型金刚石砂轮，制备的新型金刚石砂轮具有金刚石把持力大、金刚石微刃有序排布等特点。进行了基于新型金刚石砂轮的Al2O3陶瓷磨削性能研究。实验结果表明：相对于普通树脂结合剂金刚石砂轮，新型金刚石砂轮磨削Al2O3陶瓷的加工表面形貌完整性较好，宏观裂纹和表面损伤相对较少；表面粗糙度较小，当进给速度为40mm／s、磨削深度为40μm时，加工表面粗糙度Ra在0．68μm左右；在相同实验条件下，新型金刚石砂轮的磨削力减小了12％～17％，磨削温度降低了80～120℃。

机械设计制造及自动化本科专业人才培养方案总体目标探讨

机械设计制造及自动化本科专业培养方案是人才培养的核心,培养方案总体设计的科学性和实施方案的合理性与人才培养质量紧密相关。制定一个基本的专业人才培养方案的指导性专业规范,以适应于不同类型、不同层次的本科院校的需要,是一个急需解决的科学的关键问题。地方高等院校机械设计制造及其自动化本科专业人才培养担负着为地方及周边省份输送社会需要的应用型人才的重任,因而既要保证机械设计制造及其自动化专业人才培养方案的规划统一性,又要走竞争性差别化发展道路。从湖南省机械装备制造业作为支柱产业的发展重点领域的实际出发,我校提出了根据各高等院校优势传统行业,构建机械设计制造及其自动化本科专业的特色发展之路。