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1、提供完整版的各專業(yè)畢業(yè)設計， 目錄 第一章 概述-------------------------------- 1.1 課題研究內(nèi)容---------------------- 1.2 國內(nèi)外相關技術現(xiàn)狀---------------- 1.3 課題分工及簡介--------------------- 第二章 技術支持及其發(fā)展趨勢---------------- 2.1 虛擬制造的應用及發(fā)展------------- 2.2 相關軟件介紹--------------

2、------- 第三章 具體設計方案 3.1 設計參數(shù)計算--------------------- 3.2 造型設計------------------------- 第四章 裝配及其仿真 4.1 零件的裝配----------------------- 4.2 裝配仿真------------------------- 第五章 設計結論及參考文獻------------------- 第一章 概述 1.1 課題研究內(nèi)容： 本次設計的主要任務是立式銑削五軸五聯(lián)動加工中心，它具有較強的數(shù)控功能，可以加工各種復雜輪廓表面

3、的工件?？勺縻?、鏜、鉆孔等加工，廣泛應用于機械制造業(yè)。它可以實現(xiàn)五軸控制、五軸聯(lián)動。主軸電機采用交流伺服驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)主軸的自動無級變速。它采用了自動液壓拉松刀結構，使刀具交換方便快捷。 這一部分主要是主軸頭的設計，主軸頭可沿X、Y、Z三個方向移動，并可繞A（B）、C軸作旋轉運動，具有很大的靈活性，且加工性能好。安裝專用刀桿及附件，可以加工平面，斜面、螺旋面、溝槽、花鍵、弧形槽等等。通過轉動的主軸頭，機床可實現(xiàn)銑削空間前半球任意角度的加工它采用精密同步帶傳遞主傳動，采用伺服電機實現(xiàn)擺動，該主軸頭具有較高剛度，主軸轉速變換范圍寬。主軸電機為28KW，采用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具可進行高速度的強力

4、切削，主軸頭與滑枕作成分離式，便于用戶安裝拆卸。主傳動采用變六變頻的無級調(diào)速，便于用戶選用適合的切削轉速和參數(shù)。 這次設計的數(shù)據(jù)參數(shù)來源于桂林機床廠，主要參數(shù)見下： 主軸錐孔 40 GB3838.1-83 主軸轉速級數(shù) 無級 主軸轉速范圍 0~10000 rpm 主軸轉數(shù)級數(shù) 無級 主電機功率 28KW 加工中心其它部分參數(shù)如下 工作臺面積 16004000 mm 工作臺T型槽 槽數(shù) 9 槽寬 22 mm

5、 槽距 160 mm 工作臺行程 縱向X 4000 mm 滑枕行程 橫向Y 2500 mm 垂向Z 1000 mm 滑枕進給量范圍 縱向X 4000 mm 橫向Y 4000 mm 垂向Z 4000 mm A及C軸擺角 A 軸 100

6、 C 軸 180 A及C軸轉速 0~5 rpm 進給電機扭矩 縱向X 39 Nm 橫向Y 26 Nm 垂向Z 26 Nm 機床體積（長寬高） 940043003900 mm 機床凈重 38000 Kg 1.2 國內(nèi)外相關技術現(xiàn)狀： 五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心是功能強，結構復雜，技術含量高的機床，它廣泛應用于航天、航海、汽車等領域，在現(xiàn)代工業(yè)中有非常重要的應用

7、價值。 在五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的開發(fā)過程中，自動萬能銑頭是關鍵技術，目前國內(nèi)只有很少數(shù)幾個廠家正在開發(fā)和生產(chǎn)自動萬能銑頭，主要還處于搜集技術資料和研究階段。而國外一些發(fā)達國家中，自動萬能銑頭已經(jīng)普遍應用于立式和龍門式數(shù)控銑床以及數(shù)控加工中心。使銑床達到五軸聯(lián)動，實現(xiàn)四面體和五面體加工，可以大大提高銑床的自動化水平和工藝范圍以及工作效率。研究開發(fā)五軸加工中心要求具有較高的性能技術指標，不僅要具有多坐標復雜曲面的加工功能，而且還要滿足高速度、高剛度和高精度的要求。而發(fā)達國家在進出口技術含量高的五軸聯(lián)動加工中心方面，對我國進行限制，因此，五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的研究開發(fā)是一個難度比較大的項目。

8、 在我國現(xiàn)在比較先進的相關機床主要有： 沈陽機床集團的HS-60臥式加工中心。主軸最高轉速達18 0O0r／min，快移速度高達60m／min，加速度達1g。 北京機床研究所的KT1300VB型立式加工中心，主軸最高轉速達12000r／min,換刀時間為1.5s，快移速度為40m／min。 北京機電研究院的VMC750 II/VMC1000 II立式加工中心。它具有以下特點： 1） 先進的設計，用CAD/CAM系統(tǒng)完成最優(yōu)的結構設計。 2） 高剛性結構，基礎大件為鑄件，主要零部件經(jīng)有限元分析，確保高剛性。 3）主軸軸承采用進口的油氣潤滑裝置進行油氣潤滑。

9、 4）采用凸輪機械手換刀，換刀時間僅2s。 5） 刀庫容量24把。 6） 采用A2100或FANUC數(shù)控系統(tǒng)，也可按用戶需求選裝。 北京機電研究院的VMC750F/VMC750F II五軸聯(lián)動立式加工中心。它具有以下特點： 1）這種五軸聯(lián)動立式加工中心是在立式加工中心上配置可傾回轉工作臺，可對各種空間立體型面進行五軸聯(lián)動加工，特別適用于加工葉輪類零件，用于機械制造、航空航天、汽車、摩托車、模具等高技術行業(yè)。 2） 加工范圍大，工件安裝空間可達420x370x300。轉臺臺面在傾斜軸下40mm，工件安裝偏離擺動中心距離小，加工誤差小，加工時Y軸附加

10、行程減小。 3）具有10個通道，50個伺服軸，8軸聯(lián)動。 此外，北京第一機床,桂林機床廠、北京第三機床廠等的數(shù)控高速銑床，主軸轉速均達10 000r／min以上。常州機床總廠的五軸聯(lián)動的數(shù)控龍門式加工中心采用電主軸最高轉速10O00r／min，功率18kW／15k。漢江機床廠和華中數(shù)控公司的5軸聯(lián)動的臥式加工中心。北京機床研究所的世界先進水平的高精度高速數(shù)控車削中心，主軸回轉精度小于0.2μm，主軸最高轉速8 0O0r／min。 本課題利用以設計為中心的虛擬制造技術開發(fā)研制五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心。虛擬制造技術是剛提出的面向21世紀的先進制造技術，它是以信息技術、仿真技術和虛擬現(xiàn)實技術為支

11、持，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡中，采用群組協(xié)同工作，通過虛擬模型來模擬和預估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題，在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)產(chǎn)品制造的全過程，包括產(chǎn)品的設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，并進行過程管理與控制。既在產(chǎn)品設計或制造系統(tǒng)的物理實現(xiàn)之前，就能使人體會或感受到未來產(chǎn)品的性能或者制造系統(tǒng)的狀態(tài)，從而可以做出前瞻性的決策與優(yōu)化實施方案。 1.3 課題分工及簡介： 本課題的具體內(nèi)容分兩部分： 1）五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的設計方案進行虛擬建模，并在建模的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，進一步優(yōu)化設計方案。本課題采用Pro/Engineer軟件對設計方案進行虛擬建

12、模，完成整個加工中心的虛擬裝配，獲得虛擬模型的可裝配性、可制造性和干涉檢驗等特性。 2）加工中心虛擬模型進行運動學和動力學仿真，來模擬和評估加工中心的功能、性能等各方面可能存在的問題，包括動力學、運動學、有限元、精度、加工和裝配性等虛擬仿真分析，得到接近實際加工中心的設計參數(shù)、方案評價和制造成本等分析結果。本課題將采用MDI公司的ADAMS軟件和SDRC公司的I-DEAS軟件對虛擬建模的部分重要模塊進行裝配級產(chǎn)品的運動學及動力學仿真及有限元分析，并使用Pro/Engineer2001及InventorR2軟件對整機的裝配模型進行裝配及運動學仿真。 考慮到每個人的具體情況及工作量，我們同組的

13、六個人對整機工作進行了分工：我主要負責主軸系統(tǒng)及C軸進給既滑枕的設計造型極其裝配仿真。 第二章 技術支持及其發(fā)展趨勢 本課題利用以設計為中心的虛擬制造技術開發(fā)研制五坐標聯(lián)動數(shù)控加工中心。在設計中還主要用到的相關軟件有Pro/Engineer2000i, Pro/Engineer2001及InventorR2等。下面就相關技術支持給予介紹。 2.1 虛擬制造VM（Virtual Manufacturing）的應用及發(fā)展

14、 虛擬制造是一種新的制造技術，它以信息技術、仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術為支持，在產(chǎn)品設計或制造系統(tǒng)的物理實現(xiàn)之前，就能使人體會或感受到未來產(chǎn)品的性能或者制造系統(tǒng)的狀態(tài)，從而可以作出前瞻性的決策與優(yōu)化實施方案。 虛擬制造是一個集成的、綜合的可運行制造的環(huán)境，用來改善各個層次的決策和控制。這里的“綜合”，指的是既有真實的，又有仿真的對象、活動和過程，是一種混合的狀態(tài)?！碍h(huán)境”，是指提供的各種分析工具、設備以及組織方法，并以協(xié)同工作的方式，支持用戶構造特定用途的制造仿真?！斑\行”，指的是利用上述環(huán)境進行構造和操作特定的制造仿真?！案纳啤?，指的是增加其

15、精度和可靠性?！皩哟巍保傅氖菑漠a(chǎn)品概念設計到回收利用的各個階段、從車間級到執(zhí)行位置的各個等級、從物質(zhì)的轉換到信息的傳遞等各個方面?！皼Q策”和“控制”，指的是進行改變而掌握其影響，預測效果的真實性。 虛擬制造技術的應用將從根本上改變現(xiàn)行的制造模式，對未來制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響，它的重大作用主要表現(xiàn)為： (1)運用軟件對制造系統(tǒng)中的五大要素(人、組織管理、物流、信息流、能量流)進行全面仿真，使之達到了前所未有的高度集成，為先進制造技術的進一步發(fā)展提供了更廣大的空間，同時也推動了相關技術的不斷發(fā)展和進步。 (2)可加深人們對生產(chǎn)過程和制造系統(tǒng)的認識和理解，有利于對其

16、進行理論升華，更好地指導實際生產(chǎn)，即對生產(chǎn)過程、制造系統(tǒng)整體進行優(yōu)化配置，推動生產(chǎn)力的巨大躍升。 (3)在虛擬制造與現(xiàn)實制造的相互影響和作用過程中，可以全面改進企業(yè)的組織管理工作，而且對正確做出決策有不可估量的作用。 (4)虛擬制造技術的應用將加快企業(yè)人才的培養(yǎng)速度。 VM可以分為以下幾個類別： (1)以設計為中心的VM。這類研究是將制造信息加入到產(chǎn)品設計與工藝設計過程中，并在計算機中進行數(shù)字化“制造”，仿真多種制造方案，檢驗其可制造性或可裝配性，預測產(chǎn)品性能和報價、成本。其主要目的是通過“制造仿真”來優(yōu)化產(chǎn)品設計及工藝過程， 盡早發(fā)現(xiàn)設計中的問題。

17、 (2)以生產(chǎn)為中心的VM。這類研究是將仿真能力加入到生產(chǎn)計劃模型中，其目的是方便和快捷地評價多種生產(chǎn)計劃，檢驗新工藝流程的可信度，產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，資源的需求狀況(包括購置新設備、征詢盟友等)，從而優(yōu)化制造環(huán)境的配置和生產(chǎn)的供給計劃。 (3)以控制為中心的VM。這類研究是將仿真能力增加到控制模型中，提供對實際生產(chǎn)過程仿真的環(huán)境。其目的是在考慮車間控制行為的基礎上，評估新的或改進的產(chǎn)品設計與車間生產(chǎn)相關的活動，從而優(yōu)化制造過程，改進制造系統(tǒng)。 VM的技術特征 虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)技術是在人類為改善人與計算機的交互方式，提高計算機可操作性

18、所進行的努力中產(chǎn)生的。它是指綜合利用計算機圖形系統(tǒng)、各種顯示和控制等接口設備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境(稱為虛擬環(huán)境——Virtual Environment)中提供沉浸感覺的技術。這里的“沉浸”，是指用戶感覺其視點或身體的某一部分處于計算機生成的空間之中。由圖形系統(tǒng)及各種接口設備組成的，用來產(chǎn)生虛擬環(huán)境并提供沉浸感覺，以及交互性操作的計算機系統(tǒng)，稱為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括操作者、機器和人一機接口三個基本要素，其中“機器”是指安裝了適當?shù)能浖绦?，用來生成用戶能與之交互的虛擬環(huán)境的計算機， “人一機接口”則是指將虛擬環(huán)境與操作者連接起來的傳感與控制裝置。與其他計算機系統(tǒng)

19、相比，VR系統(tǒng)可提供實時交互性操作、三維視覺空間和多通道(如視覺、聽覺、觸覺、味覺等)的人一機界面。VR系統(tǒng)不僅提高了人與計算機之間的和諧程度，也成為一種有力的仿真工具。 利用VR系統(tǒng)可以對真實世界進行動態(tài)模擬，計算機能夠跟蹤用戶的交互輸入，并及時按輸入修改虛擬環(huán)境，使用戶產(chǎn)生身臨其境的沉浸感覺，并充分發(fā)揮他們的想像力，來提高所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境的性能。因此，并互性(Interaction)、沉浸性(1mmersion)和想像力(Imagination)成為VR系統(tǒng)在人一機關系上的基本特征。這三個基本特征充分反映了人的主導作用：從過去只能由外部觀看計算機處理的結果，到能沉浸到計算機系統(tǒng)創(chuàng)

20、建的環(huán)境中去；從只能通過鍵盤、鼠標同計算機環(huán)境中的單維數(shù)字化信息發(fā)生交互作用，到能用多種傳感器同多維化信息發(fā)生交互作用；從只能從以定量計算為主的結果得到啟發(fā)，到有可能從定性和定量綜合的環(huán)境中得到感性和理性的認識，讓用戶沉浸其中，以獲取知識和形成新的概念。 VR的關鍵技術包括： 1．計算機及VR技術 (1)人一機接口。該接口覆蓋了人類感知世界的多重信息通道。主要包括視覺、聽覺、觸覺、位置跟蹤、運動接口、語言交流以及生理反應等多種接口系統(tǒng)。 (2)軟件技術。軟件技術必須考慮虛擬環(huán)境的建模以及所建環(huán)境的可交互性、可漫游性等。 (3)虛擬現(xiàn)實計算平臺。計算平臺

21、是指在VR系統(tǒng)中綜合處理各種輸入信息并產(chǎn)生作用于用戶的交互性輸出結果的計算機系統(tǒng)，由于VR系統(tǒng)的信息加工是實時的，虛擬環(huán)境的建模、I／O工具的快速存取以及真實的視覺動態(tài)效果等需要大量的計算開銷。 2．制造應用技術 (1)建模。虛擬制造系統(tǒng)應當建立一個包容生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型、工藝模型的健壯的體系結構。 (2)仿真。仿真包括產(chǎn)品開發(fā)設計過程仿真和產(chǎn)品制造過程的仿真。虛擬制造系統(tǒng)中的產(chǎn)品開發(fā)涉及到產(chǎn)品建模仿真、設計過程規(guī)劃仿真、設計思維過程和設計交互行為等仿真。產(chǎn)品制造過程仿真包括制造系統(tǒng)仿真和具體加工過程仿真。 (3)可制造性評價?？芍圃煨栽u價方法可分為兩類：

22、第一類直接根據(jù)評判規(guī)劃，通過對設計屬性的評價來給可制造性定級；第二類是對一個或多個制造方案，借助于成本和時間等標準來檢測是否可行或尋求最佳方案。 2.2 相關軟件介紹 1. Pro/Engineer 2000i： Pro／Engineer是美國PTC(Parametric Technology Corporation——參數(shù)技術公司)出品；是當今非常流行也非常適用、非常成熟的使用參數(shù)化的三維特征造型技術的大型CAD／CAM／CAE集成軟件。 一． 概述 Pro／Engineer功能

23、強大，它目前已廣泛應用于工業(yè)設計、機械設計、輔助制造、數(shù)據(jù)管理等領域，特別是在模具設計和制造行業(yè)有著廣泛應用，是從事模具設計和制造的廣大技術人員應該掌握的有效工具。該軟件近年來在我國的各企業(yè)正逐步得到廣泛地應用，也深受廣大設計人員的推崇和喜愛。 Pro／Engineer是建立在單一數(shù)據(jù)庫上的CAD/CAM系統(tǒng)。工程中的資料全部來自一個庫，使得多個用戶可以同時為一件產(chǎn)品造型而工作，即在整個設計過程中，不管任何一個地方因為某種需要而發(fā)生改變，則在整個設計的相關環(huán)節(jié)也會隨著改變。由Pro／Engineer系統(tǒng)能夠生成實實在在的三維實體模型，能夠真實地反映零件的形狀。同時，Pro／Engin

24、eer系統(tǒng)能將三維模型轉化為工程圖，并能完成機器的裝配。 Pro/Engineer自1988年問世以來，10年間已成為全世界及中國地區(qū)最普及的3D CAD/CAM系統(tǒng)。Pro/Engineer在今日儼然成為世界3D CAD/CAM系統(tǒng)的標準軟件。 二． 參數(shù)式設計特點 所謂參數(shù)式設計就是將零件尺寸的設計用參數(shù)來描述，并在設計修改時通過修改參數(shù)的數(shù)值來更改零件的外形。參數(shù)式設計的思想在工業(yè)界中傳播了許多年，1988年，Pro／Engineer以參數(shù)式設計的思想問世以后，業(yè)界人土即對參數(shù)式設計的CAD/CAM系統(tǒng)翹首以待。Pro／Engineer對于傳統(tǒng)機械設計工作來說，有相當大的幫助作用，

25、因為Pro／Engineer中的參數(shù)不只代表設計對象的外觀相關尺寸，并具有實質(zhì)上的物理意義。例如我們可以運用系統(tǒng)參數(shù)(System parameters，如體積、表面積、重心、三維坐標等)，或用戶自行依設計流程需求所定義的用戶定義參數(shù)(User defined parameters，如密度、厚度等具有設計意義的物理量或字符串)加入設計構思中，來表達設計思想。這項參數(shù)式設計的功能不但改變了設計的概念，并且將設計的便捷性推進了一大步。 三． Pro／Engineer系統(tǒng)的特點 1）單一數(shù)據(jù)庫 單一數(shù)據(jù)庫是指工程中的資料全部來自一個庫，使得多個用戶可以同時為一件產(chǎn)品造型而工作，即在整個設計過

26、程中，不管任何一個地方因為某種需要而發(fā)生改變，則在整個設計的相關環(huán)節(jié)也會隨著改變。Pro／Engineer系統(tǒng)就是建立在單一數(shù)據(jù)庫上的CAD/CAM系統(tǒng)，它的優(yōu)點是顯而易見的。如在零件圖和裝配圖都已完成的情況下，又發(fā)現(xiàn)某一處需要改動，我們只需改動零件圖或裝配圖上的相應部分，那么在其他部分與之相 應部分也會隨之改變廣包括數(shù)控加工程序也會自動更新。 2）3-D實體模型 在使用Pro／Engineer系統(tǒng)進行工作的過程中，也許“實體造型”是我們最常用的詞、匯，這也說明Pro／Engineer的圖形設計是基于三維的，它與傳統(tǒng)的二維繪圖有著本質(zhì)的區(qū)別。在Pro／Engineer中，我們生成的零件是

27、實實在在的三維實體，不再是傳統(tǒng)的線托架模型。這樣，生成的模型直觀，立體感強，并可以在任何角度進行觀察。另外，系統(tǒng)還能容易的計算出實體的表面積、體積、重量、慣性距、重心等，使設計者很容易、很清楚地知道零件的特性。同時，由立體圖來生成工程圖(即常說的三視圖)，只要我們造型的立體圖沒有錯誤，那么生成的工程圖就沒有錯誤，從而免去了設計者還要考慮各個視圖之間的投影是否正確的問題，這是相當方便的，也能大大提高工作的效率和準確性。 3）參數(shù)式設計 Pro／Engineer系統(tǒng)配合其獨特的單一數(shù)據(jù)庫設計，將每一個尺寸視為一可變的參數(shù)。例如，在草繪圖形時，先只管圖形的形狀而不管它的尺寸，然后通過修改它的尺寸

28、來重新生成(Regenerate)圖形，從而使繪制的圖形達到設計者的要求。充分利用參數(shù)式設計的優(yōu)點，設計者能夠減少人工修改圖或計算的時間，從而大大提高工作效率。 4）全相關 Pro／Engineer一個很重要的特點是有一個全相關的環(huán)境：在一個階段所作的修改所有的其他階段都有效。比如，當一個零件設計好，并裝配在裝配圖中，而且生成了工程圖。這時，你只要在任何一個階段對該零件作任何一個地方的修改，則該修改在其他地方都有效，相應尺寸都會更改，這也正是Pro／Engineer單一數(shù)據(jù)庫的體現(xiàn)。 5）參數(shù)式關系 在Pro／Engineer中，設計者可利用不同尺寸之間的相互關系來限定相關尺寸

29、，特別是在機械設計中有需要配合的地方，利用參數(shù)式關系有很大的方便。比如在冷沖模具設計中要求凸模和凹模有一定的配合關系，在此以圓形凸、凹模為例，假設凸模的直徑是d0,而凹模的刃口尺寸山為凸模的尺寸加上適當?shù)拈g隙，設單邊間隙為a，則dl=d0+2a。這樣，當凸模的尺寸發(fā)生改變時，總能得到正確的凹模尺寸，兩者之間總有符合設計要求間隙，從而保證了設計的準確性。 2. Autodesk InventorR2: Autodesk Inventor是現(xiàn)今使用的和用來學習三維模型系統(tǒng)最為快捷、容易的軟件。Autodesk Inventor軟件，基于機械設計中的分開的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它可以在Microsoft

30、Windows 操作平臺中較為容易的進行非常的大的組合件的處理工作。具有適應性很強的平面設計方案的功能，首先，在進行詳細地三維實體造型之前使用簡單的平面布置方案，有助于草圖的設計。也可以使用軟件的應用程序設計接口結合Inventor 用于當前的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)，工程資源規(guī)劃(ERP)和生產(chǎn)資源規(guī)劃（MRP）。三維數(shù)據(jù)資料通過STEP轉換器與Inventor可以互相兼容。 第三節(jié) 具體設計方案 3.1 設計參數(shù)計算 一．主軸組件設計計算： 軸和其上零件組成的系統(tǒng)稱為軸系，軸是核心，直接與軸的功能配合的元件稱為軸系元件，包括滾動軸承與滑動軸承，聯(lián)軸器與制動

31、器等。在機械設備中，由于位置或性質(zhì)的重要性，或工作環(huán)境的特殊性，軸系成為其中的關鍵，無論在設計中或制造成本中都占有很大的比重。 軸按其工作特點分為三大類，它決定著軸系的總體結構： 1）心軸 2）傳動軸 3）轉軸 其中轉軸既用于支承轉動零件，承受彎矩，又用于傳遞扭矩，是應用最廣的類型。 1． 主軸組件的總體結構設計： 主軸的總體結構設計必須考慮如下幾個方面： 1）軸承形式的選擇 軸承的形式直接影響主軸的結構，它分為滾動和滑動兩大類，各類之中又包括眾多形式，各有其適用場合。在設計之初進行原則性選擇時，可參考各種軸承的常見結構，對其性能加以綜合考慮，加以選擇。 2）自身的定位

32、 軸必須在軸向有定位措施，這主要靠軸承的組合結構來實現(xiàn)，有時也可靠相關零件的幾何約束來保證。 3） 軸的熱伸長補償 軸受熱膨脹時，應根據(jù)軸的長度及工件與非工件狀態(tài)時的溫差，設計合適的伸長自由度，過小將在軸和軸承內(nèi)產(chǎn)生附加壓力，過大有時會產(chǎn)生軸向竄動。 4） 潤滑與密封 軸承的潤滑方式，所選用的密封形式都涉及到軸系結構，采用稀油潤滑時，軸體內(nèi)通常需要開設滑油通道，采用接觸式密封則要求相配的軸頸淬硬并磨削，采用迷宮式潤滑，螺旋式密封時，軸的表面應設計有與之匹配的形狀。 5） 軸上零件的合理布置 軸上零件的合理布置對載荷分布有重要影響，并由此影響軸的強度或拉力在軸上分布不均，最終影響軸

33、的總體結構。布置時應考慮以下方面： A. 載荷流的合理分布 應將載荷的輸入布置在中部，扭矩雙向分流，軸上最大扭矩降低，避免在一端輸入載荷。 B. 減載機構 避免使扭矩直接傳動到軸上，應采取卸荷機構，使軸不受軸扭矩作用，提高軸的強度與剛度。 從本設計的實際要求出發(fā)，由于主軸轉速高，要求精度好，剛度好。采用主軸的三支承結構時，可使主軸跨矩大大縮短，從、而提高主軸剛度和抗振性，機床在輕載荷下運轉時，輔助支承不承受載荷，只起阻尼作用，載荷加大時，輔助支承處的撓度較大，超過了游隙，輔助支承才起作用，承受一定的載荷。但三支承主軸結構，工藝難度大，對主軸上3個軸頸和箱體上底座孔的同軸度要求很嚴，還

34、由于主支承間跨距很短，所以軸承精度、主軸軸頸和箱體孔同軸度誤差對主軸旋轉精度的要求更加顯著。 由以上原因，主軸采用二支承結構。 在二支承結構中，主軸軸承的選型，組合及布置十分重要，承受軸向載荷時，主軸軸承的配置主要根據(jù)主軸的加工精度、剛度、溫升和支承的復雜程度。起止推作用的軸承由三種方式，即前端定位、后端定位、兩端定位。 前端定位時，主軸受熱變形向后伸長，不影響加工精度，但前支承結構復雜，軸承間隙調(diào)整不便，前支承處發(fā)熱量大，但能保證較好的剛度。 由此，選擇前端固定的固定方式，主軸軸承根據(jù)設計要求，選擇可以實現(xiàn)較高轉速的角接觸球軸承，前端軸向載荷較大，前軸承采用三聯(lián)組配，前兩個都面朝前，

35、共同承擔軸向載荷，后軸承背靠背，以實現(xiàn)預緊。軸承配置如下示意圖： （ 圖3-01） 這種結構的特點及適用范圍是高速度、高剛度主軸。 2. 主軸設計 (1) 初選主軸直徑 主軸直徑直接影響主軸部件的剛度，直徑越粗，剛度越高，但同時與它相配的軸承零件的尺寸也越大，故設計之出，只能根據(jù)統(tǒng)計資料選擇主軸直徑。 加工中心因裝配需要，主軸直徑常是自前往后逐步減小的。 由[2]表4.3-8初選主軸前軸直徑: D=90mm (2) 主軸懸臂伸量的確定 主軸懸臂伸量a是主軸前支承徑向力的作用點到主軸前端面之間的距離。它對主軸組件剛度影響較大。根據(jù)分析和實驗，縮

36、短懸伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此設計時在滿足結構要求的前提下，盡量縮短懸伸量a。 (3) 主軸跨距的選擇 主軸的跨距對主軸組件的性能有很大的影響，合理選擇跨距是主軸組件設計中的一個相當重要的問題。 由[10]銑削的主切削力和切削功率的經(jīng)驗公式13.22得: Fc=6*10E4*Pc/Vc 式中 Pc——銑削功率 KW Vc——銑削速度 m/min Fc=6*10E4*22/251=5258N 參考銑刀逆銑情況由式[13]13-20得: Fh=1.2Fc=6310N Fv=0.3Fc=1577N F=√Fh^+Fv^=6504N 暫取L/a=4，由結構確

37、定a=54mm 故前后支承反力分別為： Ra=F（1+a/l）=6504（1+1/4）=8130N Rb=F*a/l=6504*1/4=1626N 由[2]式4.3-6可求出前后軸承剛度: Ka=1.18*3次√（Frdb（iz）^Cosα5次方） 式中 Fr——作用于軸承上的徑向載荷 查軸承樣本，額定的載荷 C=79.6KN 取Fr=C/10=7960N db——球徑 由[2]表4.3-5 取db=14.288mm z——球數(shù) 由[2]表4.3-5 取 z=20 α——接觸角 α=26 故Ka=1.18*3次√（7960*14.288*20^*Cos26的5次方

38、）=493 N/μm Kb=3.44*3√(Fa*dbz^*Sin26的5次方)= 296 N/μm 2)求最佳跨距： Ka/Kb=1.67 主軸的當量外徑為前后軸徑的平均值： D=（D1+D2）/2=（90+90*0.75）/2=78.75mm 故慣性矩： I=0.08*（0.7875f4-0.048f4）=59.1E-8mf4 則η=EI/（Ka*af3）=2.1E11*59.1E-8/（493*0.054f3*E6）=1.6 由[2]線圖4.3-30查得l。/a=4.2與假設值相差不大，可以認為跨矩是合理的。 (4) 軸內(nèi)孔直徑的確定 本設計中主軸內(nèi)孔要通過拉桿，

39、確定孔徑的原則是在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，盡量取大值。 銑床內(nèi)孔直徑d=拉桿直徑+（5-10）mm 根據(jù)選定的拉桿和彈簧確定其內(nèi)孔直徑d=55mm (5) 主軸軸承 根據(jù)上面主軸結構的設計選擇軸承如下： 前端軸承采用三聯(lián)組配，由[12]表13-78，查得角接觸球軸承為特輕（1）系列46118軸承，參數(shù)如下： d=90mm D=140mm B=24mm C=52000N C。=50500N 極限轉速為7000r/min 后端軸承采用二對角接觸球軸承，由[12]表13-78查得軸承為特輕（1）系列46116軸承，參數(shù)如下：

40、 d=80mm D=125mm B=22mm C=42500N C。=40500N 極限轉速為8000r/min 3. 檢驗及校核 (2) 主軸軸承的校核 1) 求兩軸承受到的徑向載荷 載荷分布簡圖如下： 由所選定軸承可知 C=52000N C。=50500N 由前計算可知 R1=8130N R2=1626N 2） 計算軸向力 S1=0.68R1=0.68*8130=5528.4N S2=0.68R2=0.68*1626=1105.68N A1=Fa+S2=1605.68N A2=S2=1105.68N A1/C。=1605.68

41、/50500=0.0318 A2/C。=1105.68/50500=0.0219 3) 求兩軸承當量載荷 A1/R1=1605.68/8130=0.1975〈0.68 A2/R2=1105.68/1626=0.68=0.68 對前端軸承 X1=1 Y1=0 對后端軸承 X2=1 Y2=0 因軸承運轉中有中等沖擊載荷，由表13-6 fp=1.2-1.8 取fp=1.25 則 P1=fp（X1R1+Y1A1）=10162.5N P2=fp（X2R2+Y2A2）=2032.5N 4) 驗算軸承壽命 因為P1〉P2 所以按軸承1的受力大小進行驗算 L

42、h=E6*（C/P1）f3/（60*n）=E6*（52000/10162.5）f3/（60*80） =27910.46h〉Lh’ 故所選軸承可滿足壽命要求。 4. 主軸組件的密封與潤滑 1） 潤滑的作用是減小摩擦，降低溫升，并與密封裝置一起保護軸承不受外物的損傷與腐蝕，潤滑劑和潤滑方式?jīng)Q定于軸承的類型、速度和工作負荷。如果選擇合適，可以降低軸承的工作溫度和延長使用壽命。 脂潤滑使用方便，不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有泄露問題，滾動軸承應盡量選用脂潤滑。且脂潤滑使用期限長，如轉速不超極限值，一次填充可使用2000h以上。但脂潤滑時填充量不宜過多，尤其不能填滿軸承空間，否則將引起過多的發(fā)熱，

43、并有可能使脂熔化流出。 基于以上原因，本設計中主軸軸承潤滑采用脂潤滑，采用2號精密機床脂（SY1417-80） 2） 密封方式選擇： 主軸組件的密封主要是防止油外漏和塵埃屑末進入。由于選用脂潤滑，主軸組件采用不接觸的迷宮密封。 5. 彈簧的設計計算 彈簧是一種彈性元件，可以在載荷作用下產(chǎn)生較大的彈性變形，彈簧在各類機械中應用廣泛。 蝶形彈簧是一種用鋼板沖壓的截錐形的圓環(huán)狀板彈簧，與其它彈簧相比具有以下特點： 1) 具有以小變形承受大負荷的特性，適用于軸向空間要求較小的地方。 2) 具有變剛度特性，根據(jù)設計選用的極限變形h。與彈簧 鋼板厚度的比值ξ，可以得到各種不同的彈

44、簧特性曲線。 由于具有以上特點，本設計中拉刀拉桿的力采用蝶形彈簧實現(xiàn)。 設計條件：碟簧承受軸向變載荷，其最大工作變形量為f=15mm，要求其外徑D=56mm。在F1=1000N F2=15000N之間的循環(huán)工作。 設計計算：選用B56碟簧復合組合。 由其承載能力，每一疊合組用4個碟片，即n=4。 1) 確定系數(shù) 根據(jù)表列B56尺寸可知直徑比C=56/28.5=2 由[4]表3.4-22表查得 K1=0.694 K2=1.219 K3=1.378 2) 單片碟簧的載荷計算 對復合組合彈簧應考慮疊合面間摩擦力對載荷的影響。由表15-9取摩擦系數(shù) fr=0.01 碟片所受

45、載荷: F1=Fz1（（1-fr（n-1））/n）=10000*（（1-0.01*（4-1））/4）=2425N F2=Fz（（1-fr（n-1））/n）=15000*（（1-0.01*（4-1））/4）=3637.5N 彈簧被壓時的載荷 Fc=4τ/（1-μ^）*tf3hy/(K1*D^)=4*206E3/(1-0.3^)*2f3*1.6/(0.694*56^) =5325N 3) 碟簧變形量計算 由以上可知 F1/Fc=0.45 F2/Fc=0.68 故由表15-6查得 f1/h=0.38 得 f1=0.38h。=0.38*1.6=0.608mm f2/h

46、。=0.68 得 f1=0.68h。=0.68*1.6=1.008mm 4） 組數(shù)和結構尺寸 由于 fez=15mm 故 i=fez/fz=15/1.008=14.88≈15 由結構需要取30個疊合組。 自由度Hz=i（H。+（n-1）t）=30*（3.6+（4-1）*2）=288mm 在載荷F1作用下高度： H1=Hz-if1=288-30*0.45=275.5mm 在載荷F2作用下高度： H2=Hz-if2=288-30*1.008=257.76mm 還未寫完!!!

47、 3.2 造型設計 本次三維造型設計用的軟件主要是Pro/Engineer2000i。前面的第二章已經(jīng)對此軟件的特點及功能進行了詳細的介紹，在此也就不在贅述。主要對造型的過程以及應注意的問題給予較為詳細的介紹。 在使用Pro/Engineer2000i進行三維造型設計時，它的設計思想與制造一個零件的思路是一致的，即基本截形，基本的三維實體模型，在基本實體上加上附加特征（孔倒角螺紋退刀槽等），然后將一個個零件裝配起來，并生成工程圖。這一過程很符合實際思路和實際工作情況，從而是我們的設計過程變的相當清晰。圖3-01是一個設計思路的示意圖：

48、 基本截形 生成基本特征 生成附加特征 （圖3-01） 一、三維造型的具體步驟： 1． 基準的建立 不管是一個機器還是一個零件，它們都是由若干個表面組成的，這些表面之間都有相對的位置要求，比如面與面之間的尺寸、平行、或垂直的關系等，這些要求必須用零件上的點、線、面作為依據(jù)。因此，所謂的基準是指確定點、線、面所依據(jù)的點、線、面。在Pro/Engineer系統(tǒng)中，我們要設計出尺

49、寸位置都符合設計要求的模型，也必須在操作過程中依據(jù)一定的點、線、面，這些點、線、面就是我們在Pro/Engineer系統(tǒng)中的基準。在建模的過程中，基準的建立是必要的也是必須的。我們要想快速、準確地繪制出圖形，在制圖的過程中總是不斷地作輔助線、點，總是在依據(jù)已存在的點和線來確定其他的點和線。所以說基準的使用是不可或缺的，是必須的?？梢哉f，基準的正確合理的建立是快速準確建模的關鍵。 在Pro/Engineer系統(tǒng)中，基準大致可分為以下五類：基準面(Datum Place)；基準曲線(Datum Curves)；基準點(Datum point)；基準軸(Datum Axis)；坐標系統(tǒng)(Coord

50、inate System)。 2． 草圖的繪制 任何一個三維模型都是由二維剖面按一定方式如延伸(Extrude)、旋轉(Revolve)、掃描(Sweep)、混成(Blend)等生成的。在 PRO/E中，二維剖面的繪制是個基礎模塊(Sketch),特征的繪制、工程的建立、二維裝配圖的建立以及需要進行平面草圖繪制的地方，都回用Sketch模塊。 進行草圖模式有兩種方法，一種是在PRO/E環(huán)境中，用文件菜單命令或工具欄的新建文件，選擇Sketch模塊，輸入文件名，進入PRO/E的Sketch模塊。另外一種是在繪制三維特征時選定繪圖平面及視角平面后，系統(tǒng)直接進入草圖模式，用戶進行二維截面圖形

51、繪制。 二維截面圖形的一般繪制步驟如下：草繪；修改尺寸；修改限制條件；重新生成；完成。由于二維截面圖形具有參數(shù)化特性，在剛開始進行草繪時不需要將各圖元畫的很準確，利用智能意向管理器所得到的尺寸及限制條件，修改尺寸及限制條件，完成幾何二維圖形的參數(shù)化定義，從而將草圖變?yōu)闇蚀_的截面圖形。使用智能意向管理器繪圖時，PRO/E系統(tǒng)會自動做些假設來猜測設計者的繪圖意向。 3．實體零件建模 在草圖繪制即基本截形完成后，就要進一步實現(xiàn)三維實體模型。這樣的模型直觀，立體感強，并可以在任何角度進行觀察。另外，系統(tǒng)還能容易計算出實體的表面積、體積、重量、慣性距、重心等

52、，使設計者很容易、很清楚地知道零件的特性。 任何的一個三維立體模型都是由一個個特征組合而成。特征又可分為基礎特征，附加特征及特征操作?；A特征的生成包括在基本截形的基礎上產(chǎn)生擠塑、薄體、旋轉、掃描、混成等特征。 基礎特征生成之后，所生成的只是一些很簡單的模型，而在我們的生活和工業(yè)生產(chǎn)領域中所見到的實體模型的外形大多都是很復雜的，比如一個零件上很多形狀，大小各異的孔，孔是盲孔還是通孔，是直孔還是階梯孔，又比如有很多凸臺，形狀更是千奇百怪。我們把這些特征稱作附加特征的。在PRO/E系統(tǒng)中，在基礎特征的基礎上通過增材或減材的過程來建立它的附加特征，從而形成我們所要的實體。

53、主要的附加特征的命令有切除特征、圓孔特征、倒角特征、圓角特征、抽殼特征、加強筋特征和紐拉特征等。 此外，。在PRO/E系統(tǒng)中還提供了特征操作，主要有特征的陣列、復制、修改、隱藏和恢復，這些大大提高了建模的速度和效率。 第四章 裝配及其仿真 4.1 零件的裝配 用PRO/E系統(tǒng)進行工程設計時，創(chuàng)建完實體模型后，都需要將各個零件按一定的要求裝配起來。通過裝配的過程，我們可以檢查各個零件之間是否發(fā)生干涉，各個零件是否不合理的地方，然后再進行適當?shù)男薷囊赃_到完善設計的目的。裝配最后得到的滑枕的模型的剖視圖，見下圖： （圖4-01） 具體裝配過程

54、 在進行整體裝配過程中，考慮各個零件的裝配順序非常重要。因為在實際裝配中各個零件之間是否干涉，是否裝配可行都會在此虛擬裝配過程當中得到體現(xiàn)。這一步驟可以提前豫知這些可能發(fā)生的問題，然后及時的修改，這樣就避免了大量的經(jīng)濟和人力的損失。 根據(jù)多次的裝配方案的擬定及虛擬裝配實驗，得到了以下的裝配最終順序，方案較為的合理、可行。 (1) 首先，進行前箱體的裝配：主要包括主軸系統(tǒng)極其附件（并把它作為一個整體的部件進行裝配），前端拉釘以及軸承擋圈等元件，裝配的順序大體上是由前端向后端，由里部向外部進行。其結果見下圖：

55、 （ 圖4-02） (2) 再將后箱體中的零件裝入到裝好的前箱體中，這里的零件較少一些，所以采用這種裝配方式，最后把后箱體裝入，加螺釘與前箱體緊固，完成所有的裝配。（見圖4-03） 以上只是裝配過程的大致思路，具體的裝配過程見下面的裝配仿真以及動畫演示。 4.2 裝配仿真 完成了所有零件的裝配，為了檢驗各個零件之間是否發(fā)生干涉，以及各個零件的結構是否符合裝配原則，是否裝配可行。若通過裝配仿真檢驗確實存在類似的問題，那么，就要對零件的結構進行重新修改，直到滿足要求為止。所以說，裝配仿真也是

56、此次設計任務中很重要的一部分。同時，也是在進行虛擬制造過程中必不可少的部分。 裝配仿真可以在Pro/Engineer2001中實現(xiàn)，當然，也可以使用InventorR2來進行仿真。InventorR2軟件使用起來較為直觀，但中間需要文件的轉換。下面就對具體過程加以介紹： 1.使用Pro/Engineer2001打開最終裝配好的組合件的模型Asm0020。打開file → save a copy,在彈出的對話框中選擇路徑，在文件類型中選擇格式為STEP格式，單擊OK。這樣保存了STEP格式的新文件。（見圖4-01及圖4-02）

57、 （圖4-01） （圖4-02） 2 .打開InventorR2，在選擇新建類型New → Default → Standard.ipn。然后點擊“確定”。建立了Presentation1。（見圖4-03）。 （圖4-03） 3.打開file → open。選擇第一步中保存的文件的路徑，選擇STEP格式，打開。（見圖4-04） （圖4-04） 4.在File → Save copy as，選擇保

58、存路徑，此處選擇同上的相同路徑，保存文件格式為Assembly格式，點擊“確定”。（見圖4-05） （圖4-05） 5.在Presentation1的界面中的“Presentation View Manage”菜單中的“Creat View” → 彈出“Select Assembly”，在“Assembly”的“File”選項中選擇剛才保存的文件，單擊“OK”。（見圖4-06） （圖4-06） 6.單擊“Presentation View Manage”菜單中的“Tweak Co

59、mponents”,將鼠標移到圖中，選擇坐標軸：這里以軸向為Z軸，視圖的上方為X軸正向，Y軸方向默認即可。（見圖4-07） （圖4-07） 這里就要對裝配組合件進行分離，即把各個零件打開（Explosion）。這是非常關鍵的一步，也異常的繁瑣，為了便于視覺觀察以及適當?shù)臏p少工作量，在Explosion過程當中并沒有把所有的零件都分開，而是將某一個小的組合件作為一個整體進行Explosion工作。這樣也比較的合理，同時也很符合實際的裝配原則。由于過程很繁瑣，這里就不對每一步進行敘述了。分離（Explosion）的原則只要符合視覺美感，裝配

60、過程沒有干涉，各個零件（或小組合件）的擺放與事先確定的裝配順序相符合就可以了。最后分離的結果見下圖：（見圖4-08） （圖4-08） 7.完成了組裝圖的Explosion，為了安全起見，先對它進行保存處理：點擊屏幕左上角的“保存”，保存此時的Explosion狀態(tài)，文件名可以是默認的Presentation1。 8.保存完畢后，點擊“Presentation View Manage”菜單中的“Precise View Rotatioin”。這里可以選擇默認值，單擊“OK”即可。（見圖4-09）

61、 （圖4-09） 9.接著就要動畫演示了：點擊“Presentation View Manage”菜單中的“Animate”選項。彈出“Animation”菜單，進行參數(shù)選擇，這里在“Parameters”的“Interval”中選擇間隔為“4”；“Repetitions”中為1即可。這樣所有的參數(shù)就已經(jīng)設置完畢。點擊“Motion”中的播放即可看到整個裝配過程的動畫了。至此，所有的在Inventor中的工作已經(jīng)結束，最后，還要對動畫進行處理，是它更易于播放。（見圖4-10）。 10.等待上一步播放完畢后，再點擊“Animation”菜單中的“Reset” → “Motion”中的“⊙”，在此選擇保存路徑并輸入文件名及保存格式為“AVI”格式，點擊“保存”。（見圖4-11） （圖4-11） 11.此時系統(tǒng)回到“Animation”菜單，再點擊“ Play Forword”。系統(tǒng)就回保存動畫，待完畢后，可關閉Inventor。在保存的路徑下可通過媒體播放器來播放此裝配動畫了。 至此，所有的裝配仿真就已經(jīng)完成了。