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基于CAD的汽車半軸模鍛生產線三維數字建模和運動仿真畢業設計說明.doc

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?基于CAD的汽車半軸模鍛生產線三維數字建模和運動仿真1 緒論1.1 選題背景目前汽車半軸模鍛生產線存在的問題是:工人勞動強度大;生產過程不連續,生產流程無序;工作環境存在著安全隱患;產量不能穩定;故需要對汽車半軸模鍛生產線進行設計和改造。目前,國外很多科研單位和企業都已經開始著手從事小型自動生產線的研究,并已經取得了一些研究成果,如物流運輸類小型自動生產線、裝箱類小型自動生產線等。但是,這些所謂的小型自動生產線基本上只能完成一個工序的動作,無法完整地實現機械加工過程這樣復雜的連續性動作,與工程實訓的實際需要有很大的差距[1,2]。因此,研究并開發出一套針對汽車半軸模鍛加工過程、融合各種工種和工序的自動生產線是非常重要的。1.2 汽車半軸模鍛自動生產線技術綜述1.2.1 汽車半軸模鍛自動化生產技術現狀我國對汽車半軸制造的研究開展的較晚,還有許多問題需要探討。國半軸自動制造生產線技術比較落后,生產加工環境惡劣,生產效率比較低,環境污染情況比較嚴重。大多數生產廠家還沒有實現生產的自動化,如圖1.1~1.2所示是某汽車半軸制造工廠車間的實際作業情況,從圖中可以看出該廠待加工零件和已加工零件隨意擺放,嚴重影響生產環境和效率,在非自動化的生產車間里,工件的運輸完全依靠工人,勞動強度大,生產效率地下。(a) 零件擺放情況 (b) 工人工作環境圖1.1 生產車間現狀圖 在汽車半軸生產車間生產環境惡劣,設備破舊,通風系統不完善,工作過程完全出于人工操作,如圖1.2所示。(a) 擺(b) 壓圖1.2 半軸加工設備1.2.2 汽車半軸模鍛自動化生產技術發展趨勢隨著工業生產和科學技術的發展變化,自動化生產技術也發生著階段性變化。早期的自動化生產是指用輸送機和加工設備等機器代替人的體力勞動即機械化。后來,由于生產的發展,機械設備的增多,人們控制機器設備的任務日益加重[3]。為了減輕控制機器設備的負擔,人們研制出用自動調節器去控制機器和生產過程,這時把利用反饋技術對機器設備進行自動控制稱為自動化[4]。在自動化生產線的發展過程中,各種技術的不斷更新推動了它的迅速發展。我國汽車半軸生產在上世紀70年代以前,一直采用兩種工藝:一是汽錘上胎模預鍛,然后錘上終鍛成形;二是汽錘上胎模預鍛后,平鍛機上終鍛成形。中小型企業多采用前一種工藝,大型企業則多采用后一種工藝。自國引進擺輾機以來,汽車半軸的生產發生了巨大變化。擺輾汽車半軸工藝,以其投資少、成本低、質量好、無噪聲等顯著優點被各汽車廠所青睞。而后,經過二三十年的生產實踐,我們發現,盡管采用了先進設備----擺輾機,但由于采用二火工藝鍛造,鍛造中氧化皮脫落嚴重,一是造成環境污染,另一方面影響表面質量,掌握不好還會造成材料過燒,因此要研究一種汽車半軸的自動生產線,以節省設備投資費用和能源消耗,降低人工費用,提高班產和降低生產線運行費用為目的[5]。機器人技術由于微機的出現,裝的控制器被計算機代替而產生了工業機器人,以工業機械手最為普遍。各具特色的機器人和機械手在自動化生產中的裝卸工件、定位夾緊、工件傳輸、包裝等部分得到廣泛使用[6]。液壓技術在自動化生產中也得到了迅速發展和廣泛應用。液壓技術具有傳動反應快、動作迅速、液壓元件系列化、成本小和便于集中供應和長距離輸送等優點,而引起人們的普遍重視[7]。進入二十一世紀,自動化的功能在計算機技術、網絡通信技術和人工智能技術的推動下,將生產出智能控制的設備,使工業生產過程有一定的自適應能力[8]。所有這些支持自動化生產的相關技術的進一步發展,使得自動化生產技術功能更加齊全、完善、先進,從而能完成技術性更復雜的操作和生產或裝配工藝更高的產品。1.2.3 汽車半軸模鍛自動生產線特點目前已經廣泛應用于工業生產的自動化生產線為汽車半軸模鍛自動生產線的研究提供了一些經驗。但是汽車半軸模鍛自動生產線也有其特殊性,由于它處理的對象主要是小型胚料,其結構尺寸與大型設備有所不同,而且它的生產過程是斷續的,不太容易控制。所以就需要考慮它的特點,采用一些針對它的機電液一體化應用技術,以實現汽車半軸模鍛自動生產線加工連續化[9]。自動生產線要盡可能地模擬六個機械零件的全部加工過程,包括上下料、平行傳輸、轉位傳輸以及各種機械加工。在整套生產線系統工作的過程中,要保證各個工序和工種按預定的順序進行各自的動作,并相互配合,以最短的時間完成胚件的機械加工,從而實現自動生產線的高效率運行。在各種生產過程中,許多生產參數的變化難以直接由人工檢測,如被加工工件的形狀和尺寸、傳輸裝置運送的工件加工位置以及各種驅動機構的運動和停止時間。因此必須應用各種檢測方法進行自動化測量,以便了解和分析生產的運行狀況。同時,由于各種干擾的影響使工藝參數偏離正常工藝規定值,如不及時調節就會影響生產線的正常運行。1.3 研究容及意義1.3.1 研究容汽車半軸模鍛自動生產線是建立在機械技術、驅動技術、控制技術等基礎上的一套綜合系統,并從系統工程觀點出發,應用這些綜合技術,根據生產的不同需要,對他們進行有機的組合與綜合,從而實現整體設備的最佳化。汽車半軸模鍛自動生產線最主要的特點是具有嚴格的生產節奏,胚件只能以固定的生產節拍經過各個工位完成預定的加工。從功能上來看,汽車半軸模鍛自動生產線應具備最基本功能:運轉功能、控制功能和驅動功能。其中運轉功能的實現主要是依靠系統提供的動力源,在生產線中完成各種預定動作??刂乒δ苡煽删幊炭刂破骱推渌恍╇娮友b置來承擔,對系統各個單元發出指令來控制自動生產線的運行[10]。驅動功能主要由液壓缸、電磁閥等執行機構來完成。根據汽車半軸模鍛自動生產線的功能特性,對其研究應該從幾個方面入手:結構設計,包括了機械本體的機構裝置的設計和動力傳動系統的設計,這兩部分構成了自動生產線的主體框架。在具體的研究過程中,采用的研究思路和方法如下:1.分析汽車模鍛自動生產線的工藝方案和系統組成,確定系統的設計方案,研究并設計系統的機械結構、輸送方式、加工步驟和各工種的加工位置,完成整體布局。2.根據機械結構的要求參數,計算執行元件的外負載,以此選用符合要求的液壓元件和液壓輔助裝置,設計汽車模鍛自動生產線的液壓系統原理圖,分析并驗算液壓傳動系統的性能。3.采用計算機仿真軟件對送料裝置等執行機構進行運動性能仿真,分析仿真結果,找出影響性能參數的因素,并通過增加或調節控制環節使系統的性能達到要求。4.通過對汽車半軸自動生產線運行過程的分析,合理安排各種輔助裝置的安裝位置。1.3.2 研究意義在自動化生產線中,液壓系統作為主要的的動力裝置和執行裝置,己廣泛地應用在各行各業。比例電磁閥以其良好的控制特性,高度的準確性受到廣大使用者的青睞??删幊炭刂破饕惨蚱渚哂泄δ茇S富、使用方便、工作可靠及經濟實用的特點,有無限的發展生命力和非常廣泛的應用前景。比例控制技術、液壓技術的飛速發展促進了機械技術的變化。自動生產線在結構設計上改變了傳統的設計方法,向著縮小體積、減輕重量、提高剛性、實現標準化、系列化和提高系統整體可靠。省略部分。減少機械手的自由度,將上下料架合并為一個料架,機械手焊前的抓料位置和焊后的放料位置合并為一個工作點,設計了拔輪拔桿式送料裝置。該機構滿足了機械手逐一抓取工件的動作。同時和上下料架組成的送料裝置隨著油缸推動拔輪軸做的每一次運動同時完成工件的上料和下料兩個動作,工作效率提高了一倍。翻轉裝置的設計是該汽車半軸模鍛生產線的又一個創新點。其工作原理如圖3.8所示。由工作條件可知,工件的加工是逐根進行的,因此送料動作為間歇運動??紤]到棘輪棘爪機構能夠實現間歇運動,因此在采用先前的棘輪棘爪機構和翻轉機構配合實現工件的單向間歇式送料動作。翻轉裝置主要由拔輪、拔桿、軸、和機架等所組成。2個拔輪分別通過鍵固聯在拔輪軸上實現它們的同步運動。當拔桿在油缸的推動下順時針擺動80°時,與拔桿相連的拔輪軸于此同時轉動,使拔輪隨著順時針轉過80°,拔輪帶動工件翻轉,使工件順利落入翻轉裝置后的機械手。當拔桿順時針擺動80°時,拔輪復位。由于拔輪是開口圓形,故拔輪轉動時可以阻止從料倉下落的另一工件滾動,從而實現拔輪運作一次,翻轉一根工件。拔輪每順時針旋轉80°便帶動一根工件到達機械手。當拔桿在油缸的推動下往復地擺動時,拔輪軸便帶動拔輪作單向的往復運動,從而實現不斷的送料運動。圖3.8 翻轉裝置工作原理圖翻轉裝置作為該設計中的一個創新點,機構選擇合理,結構設計緊湊,能夠結合實際工況,用最簡便的方法解決了較為復雜的運動問題,極大提高了送料的效率。b. 拔輪軸材料的選擇軸的材料是根據載荷特點、耐磨性要求、熱處理方法和熱處理后變形情況選擇。軸的剛度與材料的彈性模量E值有關,鋼的E值較大,所以主軸材料首先考慮鋼料。值得注意的是,鋼的彈性模量E的數值和鋼的種類及熱處理方法無關,即不論是普通鋼或合金鋼,其彈性模量E基本相同。因此在選擇鋼料時應首先選用價格便宜的中碳鋼,經調質處理后,在軸端部、錐孔、定心軸頸或定心錐面等部位進行局部高頻淬硬,以提高其耐磨性。只有在載荷大和有沖擊,或精密機床需要減小熱處理后的變形,或有其他特殊要求時,才考慮用合金鋼。當支撐為滑動軸承,其軸頸也需要淬硬,以提高其耐磨性。本課題設計的翻轉機構沒有特殊的要求,在考慮價格的同時,選擇中碳鋼——45#鋼。其結構示意圖如圖3.9所示。圖3.9 拔輪軸c. 拔輪軸直徑D1、D2、d的選擇計算 軸直徑直接影響軸部件的剛度。直徑越粗,剛度越高,但同時與它配套的軸承等件的尺寸也越大。故設計之初,只能根據統計資料選擇軸直徑。軸的前軸頸直徑Dl=40mm,前軸頸直徑Dl大于后軸頸直徑D2。一般D2=(0.7~0.9)D1,所以D2=30mm。主軸孔直徑的選擇要適當,在一定圍對主軸剛度影響很小,若超出此圍則能使主軸剛度急劇下降。有材料力學可知,剛度K正比于截面慣性矩I,它與直徑之間為下列關系: (3-1)式中:K0 ——空心軸的剛度 I0——空心軸的截面慣性矩K——軸的剛度I——軸的截面慣性矩D——軸的平均直徑一般,對剛度影響不大,若將使剛度急劇下降。把各數值帶入公式(3-1)計算得:所以取d=24mm。彎矩M=6678 N,扭矩T=26712 N。d. 拔輪軸懸伸量a軸懸伸量對軸剛度影響很大,根據分析和試驗,縮短懸伸量可以顯著提高軸組件的剛度和抗震性。在設計時滿足結構要求的前提下,盡量縮短懸伸量a。根據統計資料選擇懸伸量a。軸懸伸量與前軸頸直徑比a/D1=0.6~1.5,比值取1.2。所以a=48。e.拔輪軸疲勞強度校核抗彎截面模量:抗扭截面模量:截面的彎曲應力:截面的扭轉切應力:軸的材料為45鋼,調質。查表得。截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數及查機械手冊表選取,得=2.0,=1.31。查機械手冊[14,15]圖可得軸的材料的敏感系數:所以有效應力集中系數按公式為:查機械手冊圖得尺寸系數:軸按磨削加工,由機械手冊可得表面質量系數為:軸未經表面強化處理,,則綜合系數值為:由機械手冊得材料特性系數: 取 取計算安全系數:由機械手冊可知,材料均勻,載荷與應力計算精確的軸的許用安全系數S的圍為1.3~1.5。此拔輪軸。所以此軸設計是安全的。f. 拔輪軸支承件的選擇軸支承是軸組件的重要組成部分,主軸支承包括主軸軸承、支承座及其相關零件的組合體,其中核 心元件是軸承。采用滾動軸承的支承為主軸滾動支承,采用滑動軸承的支承稱為主軸滑動軸承。滾動軸承的主要優點是適應轉速和載荷變動的圍大;能在零間隙或負間隙條件下穩定運轉,具有較高的旋轉精度和剛度;軸承潤滑容易,維修、供應方便,摩擦因數小等?;瑒虞S承具有抗振性好,旋轉平穩、旋轉精度高等優點,但制造、維修比較困難,并受到使用場合的限制。綜合考慮,本設計采用滾動軸承。在眾多滾動軸承類型中選擇帶座外球面軸承,優點有:具有可調心;密封性;容易安裝和拆卸;便于使用,可靠性高。支承形式:采用兩端支承。帶座軸承型號選用UCP203。g. 油缸的選擇及計算(1) 理論驅動力:(2) 實際驅動力:(3) 上、下料油缸的工作壓力:(4) 流量:上、下料時,油缸推動拔桿順時針旋轉80°,油缸行程為200mm,動作時間為2s,則拔輪順時針旋轉80°所需流量Q為:(5) 油泵選擇 由于油路中由調速閥,故其壓力損失為5kg/cm2因為 3.3 運用Pro/E進行簡單的三維建模因大學期間學的三維知識有限,只能建立簡單的零件圖,通過查閱相關資料學習,本畢業設計建立了一些三維圖,但是三維建模不完善。生產線機架示意圖如圖3.10所示。圖3.10 機架三維示意圖圖3.11 鏈輪軸軸承機架中鏈輪軸所選用的軸承如圖3.11所示。在翻轉機構中,選用了帶座軸承UCP203,翻轉機構中的拔輪軸采用的兩端支承,安裝固定在支架上。所以采用圖3.12所示的結構。圖3.12 拔輪軸帶座軸承則拔輪軸在機架上的安裝示意圖如圖3.13所示。圖3.13 拔輪軸安裝示意圖液壓缸安裝固定在機架上需要底座,如圖3.14所示。圖3.14 液壓缸底座 則液壓缸在機架上的安裝示意圖如圖3.15所示。圖3.15 液壓缸安裝示意圖 在棘輪機構中,棘輪機構是對輸送鏈進行的改造,棘輪與輸送鏈的軸通過鍵連接,使輸送鏈能夠間歇傳送,則液壓缸驅動棘輪機構運作,棘輪帶動軸運作,如圖3.16所示。圖3.16 工件傳送三維示意圖目 次1 緒論 11.1 選題背景 11.2 汽車半軸模鍛自動生產線技術綜述 11.3 研究容及意義 42 系統方案設計 62.1 系統組成 62.2 生產工藝及生產流程 73 結構設計及計算 123.1 輸送裝置設計及計算 123.2 送料裝置設計及計算 173.3 運用Pro/E進行簡單的三維建模 25結論致參考文獻附錄
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