手自一体柔性胎架的设计.docx

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手自一体柔性胎架的设计

题目

产品开发案例：

手自一体柔性胎架的设计

学院

江苏科技大学机械工程学院研究生院

学

生

姓

名

**

学

号

1****021

作

业

内

容

手自一体柔性胎架支撑结构设计

***

1*****

手自一体柔性胎架传动结构设计

***

15****

手自一体柔性胎架原动件结构设计

****

1****

手自一体柔性胎架结构强度校核

****

15****

手自一体柔性胎架控制系统的设计

指导老师

***

日期

2***

摘要

随着数字化技术的发展，现代造船技术也向着数字化迈进。

根据舰船分段建造工艺，双向曲面分段一般需要采用胎架建造，用以保证各曲面分段外板线型。

但大多现行胎架尚未实现自动调节和与现有造船集成制造系统数据的无缝链接，胎架个性化很强，不具有通用性，存在制造成本大、可重复利用性低等缺陷，已落后于现代绿色、数字化造船要求，亟待改进。

本文作者分析了目前国内造船行业对同样胎架的功能需求，查阅并追踪了国内外相关研究，总结归纳了现有的各类通用胎架的结构形式及特点，提出了符合现代化造船装备要求的胎架各项功能条件。

在上述研究的基础上，研发设计了一种新型手自一体柔性胎架，对胎架目前存在的问题给出了一种解决方案。

本文基于通用型柔性数控胎架的功能需求分析，提出了几种可行的胎架结构初步设想。

在对各方案进行了比较之后，选择最优方案进行详细设计。

综合考虑船体分段曲形的现状，对胎架单体的机械功能进行了模块化，将胎架分为执行机构和支撑机构分别进行设计，使得本柔性胎架的结构既可以满足数字化要求，又可以手动进行纯机械调整，以确保操作的准确性与连贯性。

本文重点研究了手自一体柔性胎架的结构设计，分析其可承受最大载荷，对胎架结构中的丝杠、立柱进行了强度及稳定性校核。

首先进行了公式验证，然后再通过有限元软件对模型进行分析验证。

本文对胎架手控制系统进行了初步设计，将控制系统分为硬件系统和控制程序两个部分。

选择电气控制系统，初步设计了控制系统的软件部分的程序编写思路

关键词：

手自一体，柔性胎架，结构设计，控制系统

Abstract

Withthedevelopmentofthedigitaltechnology,modernshipbuildingtechnologyisalsotowardsthedigitalforward.Accordingtotheshipsegmentconstructiontechnology,thesubsurfaceofthetwowaysurfaceisbuiltbythetireframe,whichisusedtoguaranteethecamberofthecamber..Butmostlycurrenttyreframehasnotyetbeenachievedautomaticadjustmentandtheseamlesslinkoftheexistingshipbuildingintegratedmanufacturingsystemdataandpersonalizationoffalseworkstrong,doesnothavetheversatility,manufacturingcost,reuseofdefectssuchaslow,hasbeenlaggingbehindingreen,moderndigitalshipbuildingrequirementsandneedstobeimproved.

Inthispaper,theauthoranalysisthecurrentdomesticshipbuildingindustryforjigautomationneeds,accessandtracktherelatedresearchathomeandabroad,summarizethestructureformandcharacteristicsoftheexistingallkindsofgeneraltirerack,putforwardinlinewiththerequirementsofModernShipbuildingEquipmenttirerackthefunctionalcondition.Onthebasisoftheaboveresearch,anewtypeofhandintegratedflexibletireisdesigned,andtheproblemofthepresentproblemofthetirerackispresented..

Theflexiblejigdesign,basedongeneralNCflexiblejigoffunctionalrequirementsanalysis,putforwardseveralfeasiblejigstructuretentativeplan,afterthecomparisonofvariousschemes,selecttheoptimalschemearedesignedindetail.Comprehensiveconsiderationofthehullsectionstatusofcurved,segmentedfieldassemblyoperationsofproductionconditions,tireracktoadjusttheoperatingsafety,convenience,reliability,technicalleveloftechnicalworkers,jigmanufacturingandoperatingcostsandotherfactors,onfalseworkmonomermechanicalfunctionweremodular,thejigisdividedintoexecutiveandsupportingagencies,respectively,aredesigned,whichmakesthetheflexiblejigstructurenotonlycanmeettherequirementsofdigital,andmanualpuremechanicaladjustment,toensurethattheoperationaccuracyandconsistency.

Thispaperfocusesonthestructuredesignoftheflexibletire,whichcanbearthemaximumload,andthestrengthandstabilityofthescrewandcolumninthestructureofthetirestructure..Firstly,theformulaisverified,andthenthemodelisverifiedbythefiniteelementsoftware..

Inthispaper,thecontrolsystemofthetireholderhandisdesigned,andthecontrolsystemisdividedintotwoparts,thehardwaresystemandthecontrolprogram..Selecttheelectricalcontrolsystem,anddesigntheprogramofthesoftwareofthecontrolsystem.

Keywords:

handselfintegrated,flexibletirestructure,structuredesign,controlsystem.

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。

2014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、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

2.2.2.1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

2.千斤顶的传力螺旋

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

形状描述

特点

应用

梯形螺纹

1.牙型角α为30度

2.螺纹副的大径和小径处有相等的径向间隙

1.牙根强度高，螺纹的工艺性好

2.内外螺纹以锥面贴合，对中性良好，不易松动

1.用于传力螺旋

2.用于传动螺旋

锯齿形螺纹

1.工作面的牙形角为3度，非工作面的牙形斜角为30度

2.外螺纹的牙根处有相当大的圆角

1.外螺纹牙根齿的圆角可以有效的减小应力集中，提高动载强度

1.用于单向受力的传力螺旋

矩形螺纹

1.牙型为正方形

2.牙形角α为30度

1.传动效率高，但精度制造困难

2.螺纹强度比梯形螺纹以及锯齿形螺纹低

3.对中性较差

1.用于传动螺旋

2.用于传力螺旋

三角形螺纹

1.公制三角螺纹

2.传动效率低

3.自锁性好

1.用于小螺距的高强度调整螺旋

圆螺纹

1.牙型为圆弧

2.螺纹强度高，应力集中小

3.于其他螺纹相比较，对污染物和腐蚀的敏感度小，但效率低

1.用于受冲击和变载荷的传力螺旋

丝杠在整个系统中起到的作用就是传递运动，因此，需要选择传动螺纹，根据表2-3可知，选择梯形螺纹和矩形螺纹都符合条件，再根据2.1.3胎架的设计要求，选择制造相对简单，应用也是最广泛的梯形螺纹作为滑动螺旋副的传动螺纹。

2.2.2.3丝杠尺寸以及具体参数的确定

（1）丝杠的直径计算

因为是初步计算，可以对胎架支柱的受力情况进行简化。

根据胎架额定工作承载能力计算，初定每个胎架承受的平均负载为。

根据这个平均负载，依据杆件的强度计算公式，可计算得出丝杠的截面直径。

（2-1）

式中，[σ]是材料的许用应力。

由公式（2-1）得出，

其中d为丝杠的直径，加载在每个支柱上的压力，丝杠的材料选用45号钢，取安全系数为2.5，根据45号钢的屈服极限

，得到丝杠的许用应力为[σ]=142。

经过计算，得。

然后，由于胎架上还和受到船体分段施加的水平方向的分力，取安全系数为4，得到丝杠的直径。

螺纹是标准件，可查阅机械设计简明手册，根据手册选取丝杠的公称直径为70mm。

（2）梯形螺纹参数设计

梯形螺纹基本参数

查阅机械设计简明手册上（GB/T5796.3-2005），梯形螺纹的基本尺寸，根据机械设计理论，由已经确定的丝杠直径d=70mm,选择所需梯形螺纹的各项参数，详见下表。

表2-4梯形螺纹的各项参数

公称直径d

螺距

外螺纹小径

外、内螺纹中径

内螺纹

大径

小径

70mm

10mm

59mm

65mm

71mm

60mm

梯形螺旋配合等级

为了方面机械零件的加工，需要选择梯形螺纹的公差带等级，见表2-5。

表2-5梯形螺纹配合等级及旋合长度

项目

中等旋合长度N

长旋合长度L

螺纹长度范围

25≤N≤75

L>75

内外螺纹配合等级

内螺纹7H，外螺纹7e

内螺纹8H，外螺纹8e

验证螺纹自锁

胎架需要承受分段船体的重量，所有，在胎架型值调节完成之后，需要能够自锁。

梯形螺纹螺杆作为胎架的主体，必须验算其自锁能力，以便使其能承受来自分段的压力。

根据机械设计理论，梯形螺纹螺纹副的自锁条件为

（2-2）

式中为当量摩擦角，为螺纹的升角。

根据螺纹升角的计算公式

（2-3）

式中m为螺纹的螺旋线数目，s为螺纹的导程，为螺纹中径，p为螺距。

再根据当量摩擦角的计算公式

（2-4）

式中f为摩擦系数，α为牙型角。

下面开始校核螺纹自锁

由前文可得该梯形螺纹的相关参数：

n=1，p=10mm，=65mm。

根据公式（2-3）可以得到，梯形螺纹的升角。

梯形螺纹为标准件，其α牙形角为30度，通过查表，得到梯形螺纹的摩擦系数f=0.15。

使用公式2-4计算，得到选取螺纹的当量摩擦角。

通过将当量摩擦角与螺纹的升角进行比较，可以得到，因此，该梯形螺纹副满足自锁条件。

（3）丝杠的截面设计

丝杠在胎架中的运动只是竖直方向上的直线运动，所以，丝杠不能在圆周方向上有自由度。

在本设计当中，设计丝杠的截面为圆形，并在丝杠上开一条键槽，同时在支撑盖上也开一个键槽，两者之间安装键，通过螺钉连接，以达到限制丝杠在圆周方向上运动的目的。

键槽的长度为800mm，宽为12mm，键上开有M10的螺纹孔。

丝杠的截面形状见图2-1

图2-1丝杠的截面形状

（4）丝杠结构设计

根据上文，丝杠的基本结构形式已经确定，下面进行结构尺寸的设计。

在本设计中，结合螺纹的螺旋长度，选取丝杠的长度为1000mm，设计螺纹长度为800mm。

具体结构见图2-2。

图2-2丝杠工程图

2.2.2.4支承头