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1、手自一体柔性胎架的设计毕业论文目录第1章绪论11.1选题背景11. 2数控柔性胎架的研究现状11.3论文的主要工作21.4本章小结3第二章胎架的结构设计42.1胎架的设计基础42.1.1胎架分类42.1.2胎架的设计原则及方法42.1.3柔性胎架结构技术要求52.2胎架结构设计52.2.1总体结构设计52.2.2丝杠的机构与尺寸设计62.2.3蜗轮、蜗杆具体参数以及尺寸的设计122.2.4带轮传动的设计202.2.5支撑机构设计212.3手自一体柔性胎架结构252.4本章小结27第3章手自一体柔性胎架的结构强度校核283.1常规校核283.2丝杠与蜗轮螺纹强度的校核283.3丝杠强度校核293
2、.4上、下立柱强度校核303.5胎架结构稳定性校核313.5.1计算校核313.5.2 ANSYS分析333.6结构总强度及稳定性393.7本章小结39第4章手自一体柔性胎架控制系统的设计414.1控制系统概述414.1.1控制系统的主体功能414.1.2控制系统的基本功能要求414.1.3控制系统的分类424.1.4控制系统的选择434.2控制系统初步构想434.2.1执行元件434.2.2胎架控制系统的原理444.3胎架控制系统方案464.4本章小结47第5章总结与展望485.1总结485.2展望49参考文献50II第1章绪论1.1选题背景随着数字化技术的应用，我国的船舶行业发展迅猛。20
3、14年，全国造船完工量3905万载重吨，新承接船舶订单量5995万载重吨，手持船舶订单量14890万载重吨，其中出口船舶占总量的95.9%。行业三大指标市场份额：造船完工量、新接订单量、手持订单量以载重吨计分别占世界市场份额的41.7%、50.5%和47.1%，继续保持世界领先，是当之无愧的世界第一造船大国1-2。目前，世界各国都在积极制定可持续性发展规划，来缓解日趋严峻的环境污染和资源紧缺问题。因此，倡导绿色船舶制造技术势在必行，实现船舶制造的数字化、高效化，已经成为造船行业发展的必然趋势，也是国家发展的要求。随着数字化技术的发展，数控技术己经运用到造船生产中。在分段制造装备方面，目前，我国
4、许多中小型船厂在曲面分段建造时，仍然在使用传统的模板胎架3，自动化程度还很低。然而，传统的模板胎架已经不能适应生产环境和制造任务的迅速变化，在建造结束以后只能采取割除建造割除的方法反复循环，并不能重复使用。这种方法不但耗料、耗时、耗力4，而且最重要的是最终会影响交付周期，降低造船精度。此外，由于我国在生产成本方面具有明显的优势，我国的船舶制造行业已经面向全世界，船舶的制造种类正日渐增多，船舶企业经常会出现人员紧张、及场地紧缺等问题。因此，为推动造船舶企业的现代化发展，必须要提高胎架数字化以及通用化水平，使之符合绿色化、数字化造船工装的发展方向5。1. 2数控柔性胎架的研究现状在建造大型船舶过程
5、中，分段制造是船舶建造的基础，将两个或多个分段组合在一起，形成总段，再将总段合拢形成整个船体。在分段建造和合拢过程中，一般都需要胎架。胎架11是船体分段建造及焊接的一种专用工艺装备，其作用是保证分段在装配、焊接时具有良好的作业条件，保证船体曲面分段的准确线型，并具有控制焊接变形的作用。因此，胎架必须要具有足够的结构强度、刚性以及稳定性。传动的模板胎架12是按照船体分段形状设计制造的，各型船各个分段都有专门的胎架制造图。在胎架上建造船体分段，可以保证分段的外板线型，继而保证总段、整个船体的外板的线型，因此制造合格、适用度高的胎架是保证建造优质舰船的关键之一。柔性胎架6的概念基于“多点成形”，20
6、世纪中后期，最早由日本人提出。国内最早关于多点成形的研究是李明哲教授从日本归国后在吉林大学展开的。1990年，李教授7-11筹建无模成形技术中心，主要从事多点成形技术与柔性胎架系统的研究。2008年，江苏科技大学佘建国教授13-17，基于生产中心制造船模式，提出选用柔性胎架来支撑船体反造时的分段，以保证其船体分段的形线。该系统不仅可以按固定的轨道进行整体移动，而且还通过滑块和丝杠对单个胎架进行纵向或者横向的调节，将船舶生产流水化。柔性胎架系统12适用于大中型船厂，为船舶建造提供了一种高效的工装设备与生产方法。目前，柔性胎架18主要一下有三个特点：首先，胎架的高度可以根据需要，自由调节，以满足不
7、同船型的的外板型值；其次，胎架可以滑动，改变的位置，以适应不同的船体型值；第三，当需要移动场地时，只需要将胎架按照固定的轨道进行移动，有利于分段船体的套造。1.3论文的主要工作本文通过分析现有通用胎架的经济性、操作性、数字化程度等特性，根据其不足之处以及其功能需求，提出一种手自一体柔性胎架，以满足船舶企业生产需求。本文的研究内容主要包括以下三个方面：第一，对数控胎架进行结构设计，将胎架分为执行机构和支撑机构。执行机构：根据胎架额定工作承载能力（初定30000N），设计集中主体结构，比较其各项指标，选出最优方案。支撑机构：根据胎架执行机构的各项参数，及胎架支柱所承受的载荷范围，设计支撑机构的结构
8、形式以及几何参数。第二，对胎架的结构进行强度校核：根据涡轮结构支撑形式和蜗杆传动设计计算结果进行轴承静载校核（因胎架使用工况为长时间间歇使用），针对螺杆的压杆进行稳定性分析。第三，初步设计胎架的控制系统：分析胎架控制系统的功能要求，选择合适类型的胎架控制系统，并选取合适的相应硬件驱动设备；在软件程序方面，提出控制系统的程序编写思路。1.4本章小结本章简要的介绍了当前船舶企业对工艺装备（即胎架）的需求及其在船舶制造企业中实际应用的状况，指出现有胎架所存在的不足。分析了柔性胎架的研究现状，指出了柔性胎架的结构特点。提出设计一种手自一体柔性胎架，以满足船舶制造企业的生产需求，对提高造船行业的绿色化、
9、自动化、高效化程度有重要意义。第二章 胎架的结构设计2.1胎架的设计基础2.1.1胎架分类按照不同的分类方法可以将胎架分为不同的类型，其具体分类见表2-1表 2-1 胎架的分类分类类型特点使用范围按使用范围专用胎架专供某类型船舶的某一分段使用用于底部、舷侧分段及首、尾柱等通用胎架供各种船舶的船体不同区域分段使用用于甲板、舷侧、底部分段按胎架工作面内胎架工作表面为船体外板的内表面一般应用甚少外胎架工作表面为船体分段或总段外板的外表面通常使用的均为外胎架按结构形式固定胎架固定在平台上的胎架用于底部、舷侧、甲板分段及首、尾柱等活动胎架可以分段使按照需要改变位置，使焊缝一直保持平焊用于筒形结构及批量生
10、产的同类型分段从表2-1可以看出，当前各个型号的胎架每一种都具体不同的缺陷，一种型号的胎架只适合某一种船型。为了制造不同型号的船段，船舶企业就须要设计不同类型的胎架，这样就使得胎架的通用性大大降低。在分段建造完成之后，为继续制造下一船体分段，须要对胎架进行割除。如此割除、焊接反复循环，造成了大量的浪费，使得造船成本大大增加，并且延长了交付周期，降低造船的准确性。2.1.2胎架的设计原则及方法（1）根据船体分段外板的型值，胎架的模板调节所形成的工作面应与分段的外表面相贴合。（2）胎架应根据其所要承受船体分段的具体情况来确定整体结构的刚性与强度，分段重量包括预舾装的重量。（3）根据生产的批量、分段
11、制造的周期、劳动力的分配、场地的面积等因素，选择适当的胎架结构，确认胎架数量，使生产规划能够满足要求。（4）为便于操作人员施工，胎架支柱的最低点与地基的高度约为600mm。（5）制作胎架时，应考虑节约材料，减少工时，降低成本，又必须保证其具有便于搬移、堆叠、保养等管理特性。（6）胎架上应划出必要标记。2.1.3柔性胎架结构技术要求（1）具有面向各种舰船曲面分度建造适用性（2）可以满足在露天工况下使用，具有防风、防雨、防腐蚀性（3）具有调整精度高、调整便捷、具有手自一体调整等特点（4）胎架具有无级调整特点（5）具有造价便宜、模块化、系列化设计特点（6）针对特定类舰船所设计的胎架模块在类内舰船之间
12、具有可移植性2.2胎架结构设计2.2.1总体结构设计根据2.1.3中所述功能需求，所设计胎架不仅要能够调节支柱的型值，还要能实现无极调节，并且能够实现自动控制。在综合考虑各项要求之后，本设计选择蜗轮、蜗杆、丝杠作为手自一体柔性胎架核心部件。由蜗杆提供动力，带动蜗轮，再通过蜗轮内的螺纹推动丝杠进行上下直线运动，从而实现无级调节，符合功能需求。此类传动方式具有结构简易、操作方便、成本少、污染低等优点。为了给执行机构提供有效的保护，将支持机构分为上中下三个部分：上立柱、箱体和下立柱，同时这样也方便了丝杠、蜗杆以及蜗轮的安装。下面对具体结构形式以及尺寸进行设计。2.2.2丝杠的机构与尺寸设计2.2.2
13、.1丝杠载荷分析分段船体的外板面通常是有曲率的。生产制造时，胎架支柱会受到来自安放在胎架上船体所带来的压力。支撑曲率船体部分的胎架，受到的压力一般是斜向的，这个力可以分解为水平和垂直两个方向的分力。一般情况下，曲率越大，支柱所受的水平分力就较大。计算丝杠的几何参数时，需要对其进行载荷分析。分析时，只考虑竖直方向上的作用力对丝杠的作用效果。在胎架结构设计结束之后，会对胎架进行强度校核并验证船体分段的受力情况。在校验时，会给出一个平衡水平分力影响的安全系数。2.2.2.2丝杠结构形式的设计丝杠是调节胎架型值的核心结构，也是胎架直接与分段船体接触的支撑结构。通过丝杠在竖直方向上的直线运动，可以改变胎
14、架支柱的型值，使其到达所需的工作曲面。而胎架的上下运动由蜗轮蜗杆实现，首先由蜗杆提供动力，带动蜗轮，再通过蜗轮内的螺纹推动丝杠，实现直线运动。蜗轮与丝杠的传动方式是螺纹传动，下面首先对螺纹传动进行具体设计。（1） 螺旋传动类型的选择蜗轮与丝杠之间运动通过螺纹进行传递。按照摩擦属性，可以将螺旋传动分成滚动螺旋和滑动螺旋两类，其详尽特点见表2-2。表2-2螺旋传动的分类、特征以及具体应用分类类型特征具体应用滑动螺旋1 结构简单，加工方便2 容易自锁3 运行平稳，在低速以及进行微调是可能出现爬行4 传动效率低，摩擦阻力大5 定位精度和轴向刚度较差6 磨损较快，工作寿命短1. 金属切削机床的进给2.
15、千斤顶的传力螺旋3. 摩擦压力机滚动螺旋1. 结构复杂，制造难度大2. 传动具有可逆性3. 运行平稳，低速无爬行，启动无颤动，但扛冲击性较差4. 传动效率高，摩擦阻力小5. 定位精度和轴向刚度较高6. 工作寿命长，不易发生故障1. 精密机床2. 数控机床3. 测试机床4. 仪器的传动螺旋和调整螺旋根据两种螺旋传动的特点，综合考虑胎架的设计原则和结构技术要求：丝杠是胎架的核心结构，应能满足支承分段重量，包括预舾装的重量，要求具有自锁功能；胎架应具有造价便宜、模块化、系列化等设计特点。制作胎架时，应考虑节约材料，降低成本，因此选用传动螺旋副应制作简单、结构简易；胎架调节的行程较短，对效率要求不是很高。考虑到以上三各方面，选择滑动螺旋传动作为执行机构的传动方式。（2） 螺旋副螺纹类型的选择首先分析各类螺纹的特点以及应用，见表2-3。表2-3常见传动螺纹的类型、特点及相关应用类型形状描
