重载变位机的设计与制造对于我国的装备制造业尤其是对石油、核电、风电等能源设备及其重要,全面提高重载变位机的设计、制造能力和技术水平具有重大的社会意义和经济价值。本文密切结合国家重大产业对切削用变位机的迫切需求及其技术现状,在国家重大科技专项(2009ZX04002-061)资助下,对该课题的新型变位机进行了比较全面的探索研究工作,以期为提高国内的重载变位机设计与研究做贡献。本文的设计研究工作涉及以下几个方面:(1)改进传统变位机的翻转系统,设计新的传动构型。通过计算和仿真表明如果利用曲柄摇杆机构实现变位机的翻转,在相近的条件下相比于比传统的齿轮传动系统,新型变位机所需主驱动电机功率更小,其翻转到极限位置时机构具有自锁功能,结构更紧凑,占用空间小。在本变位机的设计要求下,基于机构运动过程中的最小传动角能达到最大值这个优化目标,对机构进行优化,优化结果表明对心型曲柄摇杆机构能达到最佳的传动效果,并给出了曲柄摇杆机构的各杆件尺寸值。(2)建立了配合切削用变位机的落地式镗铣床的机床运动学模型,并且运用杆组法建立了变位机本身的运动学、动力学模型。基于虚拟样机技术,综合运用Pro/e、ADAMS、ANSYS联合对新型变位机进行刚体运动学、动力学仿真,同时对变位机机构学性能进行了验证,为变位机的强度校核、铰链选择等提供依据。另外,将变位机中的变形量相对最大的连杆视为柔性体,其余部分视为刚性体,对变位机进行刚柔耦合仿真,分析柔性连杆对变位机的翻转角度、驱动力的影响;将变位机刚体运动学、动力学仿真结果和刚柔耦合仿真结果进行比较,这对变位机的运动、动力理论分析、杆件疲劳预测、误差分析和控制算法建模都有重要的借鉴意义。(3)介绍了模态分析的理论基础以及应用,运用ANSYS对新型变位机的两个关键部件:底座和协调杆连接座进行模态分析,得到了固有频率和各阶振型,分析了零件的脆弱位置,并且提出改进意见。(4)变位机作为落地式镗铣床的重要部件,其可靠性直接影响机床的加工精度。故运用模糊理论建立了新型变位机的翻转轴刚度模糊可靠性数学模型和机构运动可靠性数学模型,分析变位机的翻转轴刚度可靠性和机构运动可靠性。相比于常规可靠性分析的“一刀切”现象,这种可靠性分析方法更接近实际情况。不管是刚度可靠性分析还是机构运动可靠度分析,关键是合理的确定隶属度函数,这个需要一定的工程经验,最后给出分析实例。本文的前期设计与研究工作为重载变位机的生产实际和改进奠定了一定的基础。