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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 軸瓦定位唇專用銑床夾具設(shè)計(jì)
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào) 109511104
學(xué) 生 王彤
指 導(dǎo) 教 師 段鐵群
答 辯 日 期 2013年12月
哈工大華德學(xué)院
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
隨著制造業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。在現(xiàn)有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦定位唇加工中，所用的設(shè)備大多為普通銑床，。我國汽車軸瓦制造技術(shù)水平仍較低。其制造工藝發(fā)展緩慢，加工裝備落后，加工自動(dòng)化水平低，提高軸瓦壽命和可靠性等技術(shù)攻關(guān)未能取得突破。
本文在充分調(diào)研了國內(nèi)外軸瓦定位唇專用銑床實(shí)際應(yīng)用的前提下，深入了解和分析了國內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。隨著當(dāng)今工業(yè)設(shè)備對(duì)精密程度的要求越來越高，機(jī)械加工設(shè)備的專項(xiàng)專用要求越來越高，且對(duì)批量生產(chǎn)和高速生產(chǎn)的需要，這已經(jīng)越來越制約著當(dāng)今機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。越來越多的專用機(jī)械加工設(shè)備相繼出現(xiàn)。而在中國的機(jī)械加工設(shè)備的銑床中普通車床沒有對(duì)各種型號(hào)軸瓦銑削用的專業(yè)銑床。所以對(duì)銑床機(jī)型專業(yè)方面專用機(jī)床的設(shè)計(jì)和國產(chǎn)化是非常必要的。
關(guān)鍵詞 軸瓦定位唇；銑床；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
- I -
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
Abstract
With surging demand of numerical control machine, and the rapid advance so as satisfy the needs of the production and processing. In the processing of the existing is still relatively low level. The slow development of manufacturing technology, processing equipment is backward, processing the low level of automation, improve bearing life and reliability technology research has failed to make a breakthrough.
Investigation of the subject in bearing bush positioning lip milling in home and abroad under the premise of understanding, analysis of the characteristics and the development tend of the technology, in this article. we present the overall design of the bearing efficiency. We are also based on finite element theory, the use of ANSYS, the dynamic analysis of the main shaft of bearing bush positioning lip milling was analyzed to verify the structural design is reasonalble and reliable.
Bearing bush positioning lip milling in this article is one of the few types of bearing bush positioning lip milling both domestic and overseas at present, it belongs to there are no special lathes which are used to produce bearing bush in China. Moreover, it is expensive to import the same type lathes and the maintenance charge is very high. It is vitally necessary to design and produce special purpose machines by ourselves.
Keywords positioning bearing bush lip, milling, structural design。
- II -
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題研究的背景 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 5
1.3 主要工作內(nèi)容 6
第2章 軸瓦定位唇銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
2.1 工藝流程 8
2.2 總體設(shè)計(jì)的基本要求 9
2.3 總體結(jié)構(gòu)布局 10
2.3.1 總體結(jié)構(gòu)布局原則 10
2.3.2 方案的擬定 10
2.3.3 基本構(gòu)成 11
2.4 總體結(jié)構(gòu)及工作原理 12
2.4.1 總體結(jié)構(gòu) 12
2.4.2 工作原理 13
2.5 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析 15
2.5.1 運(yùn)動(dòng)分析 15
2.5.2 動(dòng)力分析 16
2.3.2電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算 17
第3章 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.1.1 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)方案 18
3.1.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 18
3.1.3 動(dòng)力箱的設(shè)計(jì)方案 19
3.1.4 本章小結(jié) 20
第4章 三維軟件分析 21
4.1 Solidworks軟件介紹 21
4.2銑削狀態(tài)研究 24
4.3 適應(yīng)軸瓦的加工范圍 24
4.4銑床綜合分析 25
致 謝 26
結(jié) 論 27
參考文獻(xiàn) 29
附 錄1 31
附 錄2 34
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- IV -
第1章 緒論
1.1 課題研究的背景
進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國經(jīng)濟(jì)與國際的接軌，迎來了一個(gè)快速發(fā)展的新時(shí)期。機(jī)床制造業(yè)既遭遇到加入WTO后帶來的國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力同時(shí)也是一個(gè)發(fā)展的良機(jī)，加快推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)度是當(dāng)今機(jī)床制造業(yè)的重中之重。隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展以及現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床也得到了較快的發(fā)展。如圖1-1所示，為了防止軸瓦在軸承座內(nèi)移動(dòng)，把軸瓦一端或兩端做成凸緣進(jìn)行軸向定位，即軸瓦定位唇。
在現(xiàn)有軸瓦定位唇加工中，由于國內(nèi)的專用加工設(shè)備發(fā)展緩慢，迄今所用的設(shè)備大多為普通銑床。在定位唇銑削加工時(shí)，由手工將軸瓦放入模具中，通過調(diào)整銑刀位置和下模來完成軸瓦定位唇加工工序。其存在的主要問題：一是精度難以保障，用手將軸瓦放入模具時(shí)是否到位全憑手感和經(jīng)驗(yàn)，公差一致性和穩(wěn)定性很難保證；二是安全性差，從放料到取料均手工操作，易造成工傷事故；三是效率低，全靠手工操作，無法提高工作效率。
圖1-1 軸瓦定位唇
面對(duì)越來越高的技術(shù)質(zhì)量要求、招工難、工人工資高、人員不穩(wěn)定、工人跳槽率高等原因，全行業(yè)渴望得到高性價(jià)比、高水平的全自動(dòng)生產(chǎn)線來解決技術(shù)質(zhì)量和成本瓶頸的呼聲越來越強(qiáng)烈。盡快研制高性價(jià)比、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的車用軸瓦全自動(dòng)柔性加工生產(chǎn)線的任務(wù)就擺在了國人面前。
龐大的市場(chǎng)和高技術(shù)含量帶來的高附加值自然會(huì)讓設(shè)備制造業(yè)人士神往，但是國內(nèi)至今尚沒有投入高端自動(dòng)線研制的消息，究其原因是國內(nèi)目前的設(shè)備專業(yè)隊(duì)伍大多缺乏產(chǎn)品制造技術(shù)訣竅的有力支撐；沒有扎實(shí)的機(jī)電一體化理論和實(shí)踐的基本功；最缺乏的還是沒有多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的協(xié)調(diào)能力和實(shí)踐。
本課題軸瓦定位唇專用銑床與現(xiàn)有的普通銑床技術(shù)相比，由于整個(gè)加工都是全自動(dòng)化的，各個(gè)環(huán)節(jié)減少了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度因而減少了因人的失誤而造成的不必要的錯(cuò)誤的發(fā)生，避免一些工傷不安全因素的發(fā)生；其次，由于整個(gè)運(yùn)行過程均是自動(dòng)控制，這樣可以在加工時(shí)使其對(duì)每個(gè)軸瓦的力量均衡，確保了加工每個(gè)軸瓦定位唇的穩(wěn)定和精度，進(jìn)而保證了加工出的定位唇的外形一致性，成品率也得到提高。由于本設(shè)備從送料到取料，均是自動(dòng)控制，加工效率大大的提高了，另外采用立式銑的結(jié)構(gòu)，不但可以避免加工屑的影響，而且減小占地面積[1]。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
由于機(jī)床事業(yè)發(fā)展已久，有較長的發(fā)展歷史。國內(nèi)外對(duì)機(jī)床的研究非常的深入，涉及的內(nèi)容非常的豐富。下面介紹一下國內(nèi)外對(duì)機(jī)床都做了那些研究。
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
國外在機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有限元分析、參數(shù)化設(shè)計(jì)方面都有不少研究[2]。美國Catholi大學(xué)GBianchi等學(xué)者將機(jī)床的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與控制相結(jié)合[3]，Lowa州立大學(xué)的J．M．a(chǎn)nce與ISU研究中心的T．P．Yeh等學(xué)者應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]，Michigan大學(xué)的T．Jiang等在應(yīng)用有限元法和動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，提出了一種數(shù)學(xué)模型來模擬機(jī)床結(jié)構(gòu)的聯(lián)接形式，建立整機(jī)的模型并對(duì)機(jī)床結(jié)合面的連接件(如焊點(diǎn)、螺栓等)的位置和數(shù)量進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[5]。
下面綜合概括有關(guān)國外在對(duì)機(jī)床主要零部件做動(dòng)態(tài)優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)時(shí)的一般步驟：首先依托計(jì)算機(jī)平臺(tái)，利用CAD軟件對(duì)機(jī)床整體及部件進(jìn)行三維實(shí)體建模，并在不丟失其重要數(shù)據(jù)的情況下對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便我們得到一個(gè)合理的有限元模型[6]。根據(jù)仿真結(jié)果的分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下，有效的避免了機(jī)床粗大笨現(xiàn)象的出現(xiàn)；利用一些阻尼裝置對(duì)其進(jìn)行減震設(shè)計(jì)，避免由某些激勵(lì)下引起機(jī)床的振動(dòng)，從而有效的改善了機(jī)床的加工精度；利用CAD軟件對(duì)優(yōu)化過的機(jī)床進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)[7]。
在上述過程中還有許多理論與應(yīng)用問題有待研究和解決。首先，隨著各行業(yè)的迅速發(fā)展低精度的機(jī)床已不能滿足加工要求，對(duì)高精度機(jī)床的呼聲越來越高的情況下，有限元分析設(shè)計(jì)難以滿足。這樣當(dāng)機(jī)床工作時(shí)，其各部件的運(yùn)動(dòng)必然導(dǎo)致部件質(zhì)心的改變、各個(gè)交點(diǎn)力的改變等對(duì)機(jī)床仿真結(jié)果造成的不良影響無法模擬出來，使結(jié)果偏離了實(shí)際情況[8]。
虛擬樣機(jī)技術(shù)的問世使上訴問題迎刃而解，它是以機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)為核心的一項(xiàng)新的應(yīng)用技術(shù)。同時(shí)它還集成了三維建模技術(shù)、機(jī)電液控制技術(shù)等。它可以比較真實(shí)的反映出機(jī)床實(shí)際工作時(shí)整機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能[9]。為物理樣機(jī)前期的設(shè)計(jì)和制造提供理論依據(jù)，有效地避免不必要失誤的出現(xiàn)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率。
與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)方法有如下特別之處：它能在早期設(shè)計(jì)時(shí)確定一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)、簡(jiǎn)化新產(chǎn)品的開發(fā)流程和提高產(chǎn)品性價(jià)比等。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不僅使產(chǎn)品的質(zhì)量難以提高和產(chǎn)品更新?lián)Q代慢，而且時(shí)間和金錢消耗特別大，如圖1-2所示為傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程。而虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)方法，可以在制造樣機(jī)前通過計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，事先發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理的地方，提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，其開發(fā)流程如圖1-3所示。
概念設(shè)計(jì)
詳細(xì)設(shè)計(jì)
制造物理樣機(jī)
物理樣機(jī)測(cè)試
產(chǎn)品定型生產(chǎn)
發(fā)現(xiàn)問題，修改設(shè)計(jì)并從新制造樣機(jī)
圖1-2 傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)流程
概念設(shè)計(jì)
詳細(xì)設(shè)計(jì)
物理樣機(jī)測(cè)試
產(chǎn)品定型生產(chǎn)
圖1-3 虛擬樣機(jī)開發(fā)流程
數(shù)控銑床是一種基高智能化、高精度和高生產(chǎn)率于一身的自動(dòng)化程度非常高的機(jī)床，對(duì)機(jī)床本身有比較高的要求比如：為了保證加工的精度要求，機(jī)床要具備一定的剛度還必須能承受一定的載荷；還得具備高的切削能力和穩(wěn)定性，增加加工零件的成品率；同時(shí)還應(yīng)必備自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)控等智能化的功能。而國外正向柔性化和智能化水平更高的趨勢(shì)發(fā)展。下面就談?wù)剣饨窈笤跈C(jī)床智能化方面的發(fā)展趨勢(shì)。
1．高速化發(fā)展 自動(dòng)換刀裝置（ATC）是高速加工中心的關(guān)鍵裝置，自動(dòng)換刀裝置的智能化和速度化也成為高速加工中心的重要技術(shù)指標(biāo)。
快速化的自動(dòng)換刀技術(shù)的目的是盡可能把輔助加工時(shí)間降到最低，從而提高單件生產(chǎn)率，也就是刀具在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一次自動(dòng)交換。如采用機(jī)械凸輪式裝置要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液壓式換刀裝置和氣動(dòng)式換刀裝置。日本SODIC公司研制的立式加工中心（MC450）所采用的換刀機(jī)構(gòu)，使一次換刀時(shí)間降低到0.6s。同時(shí)為了提高自動(dòng)換刀速度還采用了如奧地利ANGERG公司研制的多主軸加工中心中使用多主軸換刀機(jī)構(gòu)，使一次換刀時(shí)間降低到0.4s；德國CHIRON公司使用的多機(jī)械手換刀機(jī)構(gòu)，使一次換刀時(shí)間降低到1.5s。自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的快速發(fā)展為更好地實(shí)現(xiàn)高速加工起到了推動(dòng)作用[10]。
要實(shí)現(xiàn)高速加工必須配以高效率的CNC控制系統(tǒng)，因?yàn)樗菦Q定機(jī)床本身性能（如：加工速度、精度等）的重要因素。程序段處理時(shí)間快慢標(biāo)志著CNC的工作效率好壞，比如在加工高精度空間曲面時(shí)，復(fù)雜的刀具軌跡需要龐大的加工程序，這時(shí)程序處理的快慢至關(guān)重要。目前海德漢研制iTNC530控制系統(tǒng)，不但可以把程序段處理時(shí)間降低至0.5ms，還能用納米的分辨率進(jìn)行工作的Nurbs和樣條插補(bǔ)功能，這樣就能在高速加工時(shí)得到較高的加工精度和表面質(zhì)量。另外，其必須具備能與不同廠家的CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換功能，尤其對(duì)5軸聯(lián)動(dòng)加工，巨大的數(shù)據(jù)程序可以直接通過CAD/CAM系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以很高的速度傳送到控制系統(tǒng)上，在較大程度上縮短了調(diào)整時(shí)間和編程時(shí)間。
2．向智能化發(fā)展 機(jī)床的智能化：對(duì)切削過程中的機(jī)床性能的各種參數(shù)，通過各種測(cè)量元件對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由CNC控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)不正常的狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)對(duì)其故障加以補(bǔ)償和調(diào)整，使其達(dá)到正常狀態(tài)，以保證加工的順利進(jìn)行、確保加工件的質(zhì)量、減少停機(jī)檢查時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)率。隨著科技的進(jìn)步智能化在80年代初就開始了，隨后各種智能化產(chǎn)品被逐漸應(yīng)用到各種場(chǎng)合，這標(biāo)志著智能化的時(shí)代到來了。下面就國外數(shù)控加工中心所配備的功能做簡(jiǎn)要的說明：
（1）刀具參數(shù)的管理功能 它是指在進(jìn)行零件加工前應(yīng)測(cè)量刀具的參數(shù)（例如：直徑和長度的測(cè)量）。這樣方便我們確定該切削程序中要求的參數(shù)范圍是否與該刀具的尺寸參數(shù)相符合，如果不符合則系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)加以補(bǔ)償或自動(dòng)換新刀；在零件加工過程中系統(tǒng)一旦監(jiān)測(cè)出刀具破損，機(jī)床就會(huì)自動(dòng)停止加工等自動(dòng)換刀結(jié)束后重新進(jìn)行加工[11]。
（2）切削過程監(jiān)控 就是對(duì)主軸功率的監(jiān)控或著是對(duì)主軸扭矩的監(jiān)控，來保證切削過程的正常運(yùn)行。只要把刀具工作時(shí)正確的切削功率和扭矩輸入到控制器中，控制器就能通過切削時(shí)檢測(cè)出的實(shí)際功率或扭矩與正常范圍對(duì)比后，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度值的大小使實(shí)際的功率或扭矩被調(diào)節(jié)到功率或扭矩規(guī)定的正常范圍，這不但改善了生產(chǎn)的速度同時(shí)還避免了工件或刀具因功率超出正常范圍而造成的切削損壞。這一技術(shù)已經(jīng)達(dá)到可直接通過對(duì)刀具磨損前后切削功率對(duì)比，來確定刀具的磨損情況，當(dāng)?shù)毒吣p到一定程度后可起到報(bào)警作用。此功能和刀具管理功能聯(lián)合使用，刀具磨損到一定程度就能自動(dòng)換刀[12]。
3．銑床動(dòng)態(tài)測(cè)試分析技術(shù) 隨著對(duì)機(jī)床本身性能（例如：加工精度，生產(chǎn)率等）的要求不斷提高，國外現(xiàn)已把銑床的動(dòng)態(tài)特性作為一項(xiàng)重要研究內(nèi)容納入日程，特別是隨著銑床運(yùn)動(dòng)的速度越來越快的情況下，動(dòng)態(tài)特性不容忽視。所以，銑床的設(shè)計(jì)開始由原始的靜態(tài)強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)入到了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)[13]。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)在機(jī)床機(jī)構(gòu)優(yōu)化方面也在不斷的研究，而且研究的內(nèi)容非常豐富，包括結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、動(dòng)態(tài)分析等。目前國內(nèi)有限元分析法有以下幾個(gè)方面應(yīng)用在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中[14,15]。
東南大學(xué)和無錫機(jī)床股份有限公司研制內(nèi)圓磨床（M2120A）時(shí)，對(duì)其床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的有限元分析，通過分析和研究得出提高床身結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)性能最簡(jiǎn)便、最直接的方法是改變床身的筋板類型和布局設(shè)計(jì)[16,17]，并且提出了床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)：導(dǎo)軌的振動(dòng)變形量，然后構(gòu)建出床身有限元模型，確定設(shè)計(jì)變量（床身的結(jié)構(gòu)參數(shù)）和目標(biāo)函數(shù)（各設(shè)計(jì)變量對(duì)床身動(dòng)態(tài)性能貢獻(xiàn)加權(quán)）[18]。確定好以上參數(shù)時(shí)開始優(yōu)化，經(jīng)過數(shù)次的嘗試和修改最終得到在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下床身結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)他們也在參數(shù)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了一些研究，為我們?cè)谶@方面填補(bǔ)了些空白，給我們提供了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)和解決此類問題的辦法，使我們少走一些彎路[19,20]。
東南大學(xué)張潤建、倪向陽在研制龍門加工中心時(shí)，對(duì)其做了動(dòng)力學(xué)建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的研究，在對(duì)此進(jìn)行高級(jí)有限元分析時(shí)引用了靈敏度分析，根據(jù)其分析結(jié)果在新機(jī)中引用了調(diào)諧阻尼器，實(shí)際應(yīng)用效果表明整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和加工精度都得到了提高[21]。
大連理工大學(xué)梁延德以有限元的拓?fù)鋬?yōu)化為基礎(chǔ)，建立了車床的有限元模型之后，對(duì)床身的上平面和前后兩個(gè)主平面進(jìn)行了平面拓?fù)鋬?yōu)化，經(jīng)過多次的研究和調(diào)試最終得到優(yōu)化結(jié)果。由優(yōu)化結(jié)果可知，只要適當(dāng)對(duì)床身中筋板布置方式、筋板截面形狀和面積加以改變，即可滿足結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，避免了為達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度而造成結(jié)構(gòu)形式的粗大笨，使我們的結(jié)構(gòu)更加美觀、更加合理[22]。
南京航空航天大學(xué)的羅輝利用ANSYS有限元分析軟件，把臥式（MCH63）加工中心作為研究對(duì)象。建立了有限元模型，并對(duì)機(jī)床的床身、立柱、立滑板等主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了動(dòng)靜力學(xué)分析研究。還在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)床進(jìn)行靈敏度分析，創(chuàng)建和決定了優(yōu)化模型及需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，并借助有限元協(xié)同仿真功能，對(duì)機(jī)床展開了多目標(biāo)優(yōu)化（如：床身、立柱、立滑板等），從而使機(jī)床的動(dòng)力學(xué)性能得到了改善。
1.3 主要工作內(nèi)容
本課題以軸瓦定位唇專用銑床為研究對(duì)象，通過軸瓦定位唇專用銑床設(shè)計(jì)思想的學(xué)習(xí)，初步確定本課題對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究和探討，具體工作內(nèi)容如下：
1．在去寧波凱達(dá)軸瓦有限公司、寧波野龍軸瓦有限公司和上海菲特爾莫古軸瓦有限公司等進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合了國內(nèi)外軸瓦定位唇專用銑床的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，提出了軸瓦定位唇專用銑床設(shè)計(jì)方案。
2．通過軸瓦定位唇專用銑床的研究，了解了設(shè)計(jì)方案的選取和設(shè)計(jì)方案的最終選取，以及設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題從而提高設(shè)計(jì)的成功率。并對(duì)軸瓦定位唇專用銑床的功能進(jìn)行分析，確定參數(shù)范圍和主參數(shù)，（如：運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)和其他參數(shù)）。基于此，初步擬軸瓦定位唇專用銑床的整體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)給出了機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)及工作原理。
3．對(duì)SolidWorks的建模、標(biāo)準(zhǔn)件、裝配過程和運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行了概述，并運(yùn)用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件建立了整機(jī)模型，使我們的設(shè)計(jì)實(shí)體化，并運(yùn)用其自帶的評(píng)估功能進(jìn)行了干涉檢查、間距測(cè)量等。在此基礎(chǔ)上我們利用“時(shí)間軌編輯”來做高級(jí)的設(shè)置，對(duì)軸瓦定位唇專用銑床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
4．基于有限元理論建立了軸瓦定位唇專用銑床的有限元模型，利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)銑床主軸進(jìn)行了模態(tài)分析，得出了主軸前7階固有頻率與相應(yīng)的振型，在此基礎(chǔ)上還對(duì)其做了諧響應(yīng)分析，得出了銑床主軸的頻率位移響應(yīng)曲線。
目前，國外已對(duì)軸瓦定位唇銑床的研究比較多，而國內(nèi)在這方面的研究特別少，和國外的差距特別大。
第2章 軸瓦定位唇銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以節(jié)省成本，提高生產(chǎn)率，是實(shí)現(xiàn)原理方案的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。通過結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，可以選定機(jī)械產(chǎn)品的總體布置和產(chǎn)品的系列化以及各傳動(dòng)部分之間相互聯(lián)系等。
2.1 工藝流程
全線長約五十五米，除了始末端的上下料，全線無人操作，工作節(jié)拍6s，工序間零件傳遞由智能移載物流系統(tǒng)完成，具備故障自我診斷功能，能柔性加工直徑50~150mm的軸瓦，加工精度等級(jí)為0.002mm，產(chǎn)品100%在線測(cè)量。整條線共有12道工序其工序流程圖如圖2-1所示。
端面車削及內(nèi)外倒角
銑定位唇
沖定位唇
銑油槽
磨倒角
沖油孔
油孔倒角
外圓磨光
外圓拋光
拉周長
周長測(cè)量機(jī)分選
內(nèi)圓弧加工
圖2-1 工序流程圖
該線涉及的技術(shù)領(lǐng)域有三維機(jī)械設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析、精密制造及集成、程序總線控制、數(shù)控技術(shù)、觸摸屏人機(jī)對(duì)話、氣動(dòng)、液壓、集中負(fù)壓排屑等。而本文所要完成的是對(duì)軸瓦定位唇專用銑床的研究。
2.2 總體設(shè)計(jì)的基本要求
機(jī)床性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)指標(biāo)是技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，其若干科學(xué)、簡(jiǎn)明、實(shí)用的評(píng)價(jià)指標(biāo)的基本要求，可歸納為如下幾個(gè)方面[24]。
1．工藝范圍 工藝范圍內(nèi)容：能加工的工序種類，機(jī)床的生產(chǎn)率和加工件種類、單件成本和尺寸范圍，生產(chǎn)規(guī)模的適用性等。下面就通用機(jī)床和專用機(jī)床進(jìn)行對(duì)比說明：通用機(jī)床的工藝范圍應(yīng)該寬廣一些它不但可以完成一定尺寸的各種工件的多種工序加工還可以適應(yīng)不同工序的需要。但專用機(jī)床工藝范圍就比較特定它是為某一特定工藝要求服務(wù)的。因此，設(shè)計(jì)該類機(jī)床的基本原則：合理地縮小機(jī)床的工藝范圍以簡(jiǎn)化機(jī)床的結(jié)構(gòu)、提高效率、保證質(zhì)量、降低成本[25]。
2．生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度 機(jī)床的生產(chǎn)率要想提高，就應(yīng)縮短單件加工時(shí)間，比如切削加工時(shí)間、輔助時(shí)間。切削加工時(shí)間縮短可以采用先進(jìn)刀具，這樣我們就可以加大切削深度、提高進(jìn)給速度等方法。另外，輔助時(shí)間的縮短也相當(dāng)重要。隨著當(dāng)今微機(jī)的高速發(fā)展有利于我們提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，這樣不但使工人的勞動(dòng)強(qiáng)度得以大幅度降低，而且使機(jī)床的加工精度也得到了有力的保證。
3．加工精度和表面粗糙度 機(jī)床的靜剛度是影響機(jī)床加工精度的主要因素。為了保證加工精度，除了機(jī)床具有相當(dāng)?shù)膭偠戎?，機(jī)床的熱變形也是個(gè)不可忽視的因素。機(jī)床的加工工件表面的粗糙度與工件和刀具的材料、進(jìn)給量和切削時(shí)的主軸的振動(dòng)有關(guān)。機(jī)床在自重、夾緊力和各種激振力等的作用下其重要零部件的形位精度是動(dòng)態(tài)精度[26]。
4．可靠性 機(jī)床的可靠性：其在額定壽命內(nèi)、特定工作環(huán)境下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障的幾率。這是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。隨著自動(dòng)化水平更高的加工裝置的出現(xiàn)，對(duì)可靠性也會(huì)有更高的要求。
5．機(jī)床的效率和壽命 機(jī)床的效率是指切削消耗的有效功率與電動(dòng)機(jī)輸出功率之比，兩者的差值就是損失，主要是摩擦損失。而且，摩擦損失會(huì)對(duì)機(jī)床的運(yùn)行帶來不良后果，因?yàn)槟Σ凉⒁詿岬男问缴l(fā)，必將引起機(jī)床的熱變形。機(jī)床的壽命是指機(jī)床在保持應(yīng)有加工精度的前提下所工作的時(shí)間。即在壽命期內(nèi)和正常工作條件下，機(jī)床應(yīng)具備設(shè)計(jì)時(shí)所規(guī)定的精度性能。對(duì)于中、小型通用機(jī)床，其壽命在8a左右；對(duì)于隨著所加工產(chǎn)品的更新而廢棄專用機(jī)床要求短些；對(duì)于大型高端機(jī)床則要求更長的壽命[27]。
6．造型與色彩 機(jī)床造型主要有曲線型、方型和梯型三種，它是根據(jù)機(jī)床功能和特點(diǎn)，要簡(jiǎn)潔明快，美觀大方，使用舒適方便。目前趨向以后兩者相結(jié)合的形式。機(jī)床在色彩的設(shè)計(jì)上應(yīng)具備以下要求：有利于產(chǎn)品功能的發(fā)揮、符合時(shí)代特點(diǎn)、滿足使用對(duì)象的審美要求，還應(yīng)充分表達(dá)產(chǎn)品功能特征并與使用環(huán)境相協(xié)調(diào)。
2.3 總體結(jié)構(gòu)布局
2.3.1 總體結(jié)構(gòu)布局原則
機(jī)床的總體布局設(shè)計(jì)是指按工藝要求確定組成部件，決定機(jī)床所需的運(yùn)動(dòng)，以及確定機(jī)床的各個(gè)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和位置關(guān)系。同時(shí)還得定出操縱、控制機(jī)構(gòu)在機(jī)床中的位置關(guān)系。通用機(jī)床的布局主要采用傳統(tǒng)的型式，但是，隨著數(shù)控等新技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的布局也跟著在發(fā)生變化。專用機(jī)床的布局靈活性特別大，沒有什么固定的布局形式，在進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)被加工工件要求，進(jìn)行工藝分析。為了能得到軸瓦定位唇專用銑床合理的總體布局提出以下是幾點(diǎn)基本要求。
（1）保證機(jī)床具有相當(dāng)?shù)膭偠群涂拐裥詠磉_(dá)到所要求的加工精度。
（2）操作、調(diào)整、維修等方便，便于工件的輸送、裝卸。
（3）性價(jià)比好、占地面積少等。
（4）造型美觀。
機(jī)床總體布局的一般步驟：首先在滿足工藝的情況下確定出機(jī)床各部件運(yùn)動(dòng)，并選擇傳動(dòng)支承形式；然后確定操作部位，并擬定措施改善機(jī)床性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
2.3.2 方案的擬定
本文所研究的軸瓦定位唇專用銑床主要包括控制系統(tǒng)、用于定位軸瓦的定位板、上端設(shè)置的絲杠和下端設(shè)置彈簧，在所述絲杠和彈簧之間設(shè)有模具，在下箱體內(nèi)設(shè)有動(dòng)力箱，其中控制系統(tǒng)用于控制所述絲杠和彈簧的動(dòng)作。加工時(shí)，軸瓦位于所述定位板內(nèi)，并且沿所述定位板在絲杠和彈簧動(dòng)作下被推入至所述的模具與所述銑刀之間的加工位置，而后所述絲杠、彈簧在控制系統(tǒng)的作用下帶動(dòng)模具。
它還包括自動(dòng)送料機(jī)械手裝置，該裝置主要包括用于定位軸瓦的定位板和兩個(gè)氣動(dòng)滑臺(tái)：一個(gè)前后端行程可調(diào)另一個(gè)兩端都不可調(diào)的，在氣動(dòng)滑臺(tái)的推桿上設(shè)有推料板；當(dāng)軸瓦被傳送帶送至推料板位置時(shí)，所述氣動(dòng)滑臺(tái)帶動(dòng)推料板將軸瓦推入定位板內(nèi)。
另外，它還包括一個(gè)取料機(jī)械裝置，該裝置主要包括一個(gè)前端行程可調(diào)的氣動(dòng)滑臺(tái)、氣爪以及用于連接氣動(dòng)滑臺(tái)連接板等。
方案初步擬定如圖2-2所示。
1-伺服電機(jī)；2-聯(lián)軸器；3-滾珠絲杠；4-直線導(dǎo)軌；5-工作臺(tái)；
6-滑臺(tái)；7-彈簧；8-電機(jī)；9-銑削頭
圖2-2 軸瓦定位唇專用銑床方案擬定
2.3.3 基本構(gòu)成
本機(jī)床有兩大部分組成，第一加工部分機(jī)構(gòu)，第二進(jìn)出料部分機(jī)構(gòu)。加工部分機(jī)構(gòu)如圖2-2所示。它由伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、滑臺(tái)、工作臺(tái)、氣缸控制軸瓦的壓緊，電機(jī)提供動(dòng)力，銑削頭可通過縱橫向調(diào)解實(shí)現(xiàn)軸瓦定位唇的銑削加工。
進(jìn)出料部分機(jī)構(gòu)如圖2-3所示。由電動(dòng)機(jī)、減速器、氣缸、氣爪、輸送帶、帶輪、氣動(dòng)滑臺(tái)組成。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，使帶輪帶動(dòng)輸送帶，并通過氣缸帶動(dòng)機(jī)械手將軸瓦輸送到工作臺(tái)，進(jìn)行軸瓦定位唇的銑削加工。
1-電機(jī)；2-減速器；3-氣缸；4-氣爪；5-輸送帶；6-帶輪；7-氣動(dòng)滑臺(tái)
圖2-3進(jìn)出料部分機(jī)構(gòu)
2.4 總體結(jié)構(gòu)及工作原理
2.4.1 總體結(jié)構(gòu)
本課題軸瓦定位唇專用銑床與現(xiàn)有的普通銑床技術(shù)相比，由于整個(gè)加工都是全自動(dòng)化的，各個(gè)環(huán)節(jié)減少了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度因而減少了因人的失誤而造成的不必要的錯(cuò)誤的發(fā)生，避免一些工傷等不安全因素的發(fā)生；其次，由于整個(gè)運(yùn)行過程均是自動(dòng)控制，這樣可以在加工時(shí)使其對(duì)每個(gè)軸瓦的力量均衡，確保了加工每個(gè)軸瓦定位唇的穩(wěn)定和精度，進(jìn)而保證了加工出的定位唇的外形一致性，成品率也得到了提高[30]。由于本設(shè)備從送料到取料，均是自動(dòng)控制，加工效率大大的提高了，另外采用立式銑的結(jié)構(gòu)，不但可以避免加工屑的影響，而且減小了機(jī)身。軸瓦定位唇銑削專用銑床總體結(jié)構(gòu)可以分為加工部分和進(jìn)出料部分。由于加工裝置的模具下端的彈簧穩(wěn)定性比較差，且根據(jù)計(jì)算需要三根彈簧，不能保證彈簧精確的同步運(yùn)動(dòng)，因此改用氣壓缸夾緊工件的運(yùn)動(dòng)。
綜合上述設(shè)計(jì)思想，本設(shè)計(jì)的軸瓦定位唇銑床的總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-4所示。
1-機(jī)架；2-伺服電機(jī)；3-滾珠絲杠；4-取料機(jī)械手；5-取料輸送帶；6-滑臺(tái)；7-送料機(jī)械手；8-送料輸送帶；9-下汽缸；10-支架；11-底座；12-調(diào)整機(jī)構(gòu)；13-動(dòng)力箱；
14-脫模機(jī)構(gòu)；15-工作臺(tái)
圖2-4 銑床總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.4.2 工作原理
軸瓦定位唇專用銑床加工軸瓦時(shí)的工作過程可描述如下。
（1）預(yù)先根據(jù)軸瓦的直徑和定位唇尺寸，調(diào)整機(jī)床內(nèi)、外的對(duì)刀機(jī)構(gòu)保證銑刀與被加工軸瓦間的距離。
（2）擋料機(jī)械手退回把輸送帶上等待加工的軸瓦（上一工序加工完的）送給送料機(jī)械手，當(dāng)軸瓦被傳送帶送至推料板位置時(shí)，所屬氣動(dòng)滑臺(tái)帶動(dòng)推料板將軸瓦推入工作臺(tái)。
（3）此時(shí)工作臺(tái)，在伺服電機(jī)與滾珠絲杠和下汽缸的動(dòng)作下對(duì)軸瓦進(jìn)行夾緊定位在夾具內(nèi)，而后所述伺服電機(jī)與滾珠絲杠、下汽缸在控制系統(tǒng)的作用下帶動(dòng)模具進(jìn)行加工。
（4）此時(shí)擋料機(jī)械手開始動(dòng)作讓下一個(gè)軸瓦通過輸送帶再送給送料機(jī)械手，送料機(jī)械手把軸瓦送到工作臺(tái)時(shí)，由已加工好軸瓦由未加工的頂出。
（5）取料機(jī)械手將加工完的軸瓦取出放在輸送帶上，使其進(jìn)行下一工序的加工。
軸瓦定位唇專用銑床的工作循環(huán)見圖2-5。
工步
部件
進(jìn)退
動(dòng)作過程
夾緊
進(jìn)給
伺服電機(jī)滾珠絲杠
快進(jìn)
工進(jìn)
快退
`
送料
氣缸
(上位)
進(jìn)
退
氣缸
(下位)
進(jìn)
退
取料
氣缸
進(jìn)
退
氣爪
夾緊
松開
擋料
氣缸
進(jìn)
退
送料
定位
氣針
進(jìn)
退
運(yùn)行時(shí)間（s） t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
圖2-5工作循環(huán)
2.5 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析
2.5.1 運(yùn)動(dòng)分析
運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要是確定機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，一般是指機(jī)械執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)速度、時(shí)間等，如機(jī)床等加工機(jī)械的主軸轉(zhuǎn)速，工作臺(tái)、刀架的運(yùn)動(dòng)速度，變速器主軸的輸出轉(zhuǎn)速等。
1-伺服電機(jī)；2-聯(lián)軸器；3-角接觸球軸承；4-滾珠絲杠；5-直線導(dǎo)軌；6-工作臺(tái)；
7-圓錐滾子軸承；8-小帶輪；9-大帶輪；10-電動(dòng)機(jī)
圖2-6 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
由圖2-6可知，此傳動(dòng)系統(tǒng)由進(jìn)給系統(tǒng)和主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成，進(jìn)給系統(tǒng)是由伺服電動(dòng)機(jī)、軸承、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌和工作臺(tái)等組成。伺服電動(dòng)機(jī)用于提供所需的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，同時(shí)可以調(diào)節(jié)其輸出的運(yùn)動(dòng)速度；絲杠副主要是把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)；通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)保證工作臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)的位置精度。主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、帶輪、主軸、銑刀等組成。根據(jù)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作特性要求，可確定其各基本參數(shù)。
1．進(jìn)給運(yùn)動(dòng)計(jì)算 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由伺服電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器直接輸出給絲杠的，所以輸出運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速n為0~3000r/min。
2．銑削運(yùn)動(dòng)計(jì)算 主運(yùn)動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)通過帶輪傳動(dòng)，帶動(dòng)刀具銑削的，所以輸出運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速n為1000r/min。
2.5.2 動(dòng)力分析
在設(shè)計(jì)中構(gòu)件的參數(shù)都是由動(dòng)力參數(shù)計(jì)算得到的。如果動(dòng)力參數(shù)選的過大，就會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件粗大笨影響整機(jī)的美觀、耗材、運(yùn)輸和占地面積；如果參數(shù)定的過小，又將導(dǎo)致整機(jī)工作性能不佳達(dá)不到工作要求。
1．銑削力 切削力對(duì)計(jì)算功率消耗，對(duì)制定合理的切削用量，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)，都具有非常重要意義。在自動(dòng)化生產(chǎn)中，還可通過切削力來監(jiān)控加工過程和刀具加工狀態(tài)。銑削力公式如下
（N） （2-1）
式中：Ft為銑削力，N；αε為銑刀的切削接觸弧深度，取6.1mm；αp為銑削的切削深度，取0.35mm；αf為每齒進(jìn)給量，取0.04mm；z為銑刀齒數(shù)，10齒。
由以上公式計(jì)算可得銑削力Ft為148.81N。
2．傳動(dòng)效率 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)效率如下所示
（2-2）
式中：η1為聯(lián)軸器效率，0.99；η2為滾動(dòng)軸承效率（一對(duì)），0.98；η3為螺旋傳動(dòng)效率，0.95；η4為導(dǎo)軌傳動(dòng)效率，0.98。
將以上參數(shù)帶入式（2-2）可得進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)效率為0.833。同樣的道理可以得到主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)效率為0.86。
3．電機(jī)功率 由圖2-6傳動(dòng)系統(tǒng)可知，進(jìn)給系統(tǒng)的伺服電動(dòng)分為快進(jìn)（1000r/min）和工進(jìn)（150 r/min），因此電動(dòng)機(jī)構(gòu)的有效功率為
2.3.2電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算：
（kW）
式中：T為輸出轉(zhuǎn)矩，N/m；n為輸出轉(zhuǎn)速，r/min。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的實(shí)際工作情況，其運(yùn)動(dòng)所需功率為0.804kW和0.120kW。
由圖2-6傳動(dòng)系統(tǒng)可知，主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)構(gòu)的有效功率為
（kW） （2-3）
式中：Pm為銑削功率，kW；ν為銑削速度，m/min；dt為銑刀直徑，取30mm；nt為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，r/min。
由以式2-3計(jì)算可得在nt取1000r/min時(shí)，銑削功率Pm分別為0.06kW。執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的實(shí)際工作情況，其運(yùn)動(dòng)所需功率為0.07kW。
第3章 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1.1 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)方案
隨著當(dāng)今機(jī)床業(yè)的飛速發(fā)展，為了滿足加工要求，提高加工精度，在進(jìn)給系統(tǒng)中多采用絲杠進(jìn)給。在加工精度較高的機(jī)床中進(jìn)給系統(tǒng)采用的是滾珠絲杠，由于它具有以下方面的優(yōu)點(diǎn)：反向間隙小、傳動(dòng)效率高、不需附屬裝置而得到了廣泛的應(yīng)用，是使用極為方便的絲杠。
滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式可分為內(nèi)和外兩種循環(huán)方式。內(nèi)循環(huán)方式常用于各種高精度、高剛度的定位系統(tǒng)。外循環(huán)方式常用于重型載荷、高速運(yùn)動(dòng)及精密定位系統(tǒng)特別是在大導(dǎo)程、多頭螺紋中顯示其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。
綜上所述，確定本銑床進(jìn)給系統(tǒng)的滾動(dòng)絲杠螺母副采用單圓弧、內(nèi)循環(huán)、雙螺母螺紋調(diào)速方式的結(jié)構(gòu)形式，并采用兩端鉸支的支承方式。由于本論文篇幅有限沒有對(duì)滾珠絲杠的剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核計(jì)算，其型號(hào)25TAC62BDF。
3.1.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案
隨著社會(huì)生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對(duì)生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。機(jī)械手能模仿人的一些基本動(dòng)作，它可以通過計(jì)算機(jī)程序的控制代替人類在環(huán)境復(fù)雜的地方完成人無法完成的、對(duì)人類造成傷害的、枯燥乏味的工作，降低我們的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
隨著科技的進(jìn)步社會(huì)的需求，科學(xué)家把目光轉(zhuǎn)向了機(jī)械手的研究，尤其是在航空航天制造業(yè)、醫(yī)學(xué)設(shè)備、精密儀器制造業(yè)等取得了驚人的效果，應(yīng)用較為廣泛?，F(xiàn)在科學(xué)家把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手結(jié)合使用，代替人類做一些危險(xiǎn)、重復(fù)的工作，盡量把危險(xiǎn)降到最低。使其逐漸形成全自動(dòng)柔性加工生產(chǎn)單元。此類全自動(dòng)柔性加工裝置對(duì)中小批量零部件的加工特別適用，不但使傳輸裝置簡(jiǎn)便，而且輸送非常可靠、快速、避免由于人疲勞帶來的錯(cuò)誤，減少了整機(jī)的占地面積。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。
軸瓦定位唇專用銑床的機(jī)械手分為兩部分。送料機(jī)械手主要負(fù)責(zé)把進(jìn)料輸送帶傳輸來的軸瓦送到模具位置；取料機(jī)械手主要負(fù)責(zé)把加工好的軸瓦取出放到取料輸送帶上去進(jìn)行下一工序加工。根據(jù)所給數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所得軸瓦定位唇專用銑床機(jī)械手部裝部分總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-7和圖2-8。
1-推件板；2-連接板；3-連接板；4-氣動(dòng)滑臺(tái)（前后端行程可調(diào)）；5-過渡板；
6-氣動(dòng)滑臺(tái)；7-滑板；8-擋板
圖2-7 送料機(jī)械手
1-氣動(dòng)滑臺(tái)（前端行程可調(diào)）；2-連接板；3-連接板；4-連接板；
5-氣爪（行程4mm）；6-連接板
圖2-8 取料機(jī)械手
3.1.3 動(dòng)力箱的設(shè)計(jì)方案
軸瓦定位唇專用銑床加工部分主要結(jié)構(gòu)是銑削動(dòng)力頭，軸瓦由輸送帶輸送到銑床的指定位置，被進(jìn)出料部分的送料機(jī)械手推到銑床的滑臺(tái)上，通過工作臺(tái)和氣缸的調(diào)解，使軸瓦固定在滑臺(tái)上，以便于軸瓦定位唇的銑削加工（每加工一批工件之前要對(duì)銑削刀進(jìn)行對(duì)刀試驗(yàn)），加工完畢后，被進(jìn)出料部分的取料機(jī)械手取出，放到輸送帶上，進(jìn)行下一工序的加工。圖2-9所示是動(dòng)力箱結(jié)構(gòu)圖。
1-螺母；2-主軸；3-帶輪；4-圓錐滾子軸承；5-軸套；6-螺桿；7-圓錐滾子軸承圖
圖2-9 動(dòng)力箱結(jié)構(gòu)圖
主軸是主軸組件必不可少的組成部分，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料的選擇、加工技術(shù)要求等，對(duì)主軸組件的工作性能影響較大。根據(jù)本銑床的設(shè)計(jì)要求，按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于主軸的設(shè)計(jì)過程。
3.1.4 本章小結(jié)
通過軸瓦定位唇專用銑床的研究，了解了設(shè)計(jì)方案的選取和設(shè)計(jì)方案的最終選取，以及設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題從而提高設(shè)計(jì)的成功率。并對(duì)軸瓦定位唇專用銑床進(jìn)行功能分析，確定參數(shù)范圍和主參數(shù)，如尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)和其他參數(shù)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，確定了滾珠絲杠的選型，同時(shí)對(duì)機(jī)械手和動(dòng)力箱進(jìn)行了分析和說明?；诖?，初步擬定軸瓦定位唇專用銑床的整體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)給出了機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)及工作原理。
第4章 三維軟件分析
4.1 Solidworks軟件介紹
SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸SolidWorks2010啟動(dòng)頁面塞州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內(nèi)，當(dāng)初的目標(biāo)是希望在每一個(gè)工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從1995年推出第一套SolidWorks三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件至今，至2010年已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由300家經(jīng)銷商在全球140個(gè)國家進(jìn)行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997年，被法國達(dá)索公司收購，作為達(dá)索中端主流市場(chǎng)的主打品牌。是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢(shì)，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶支持使得SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項(xiàng)的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽(yù)。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機(jī)平臺(tái)CAD系統(tǒng)評(píng)比第一名；從1995年至今，已經(jīng)累計(jì)獲得十七項(xiàng)國際大獎(jiǎng)，其中僅從1999年起，美國權(quán)威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予最佳編輯獎(jiǎng)，以表彰SolidWorks的創(chuàng)新、活力和簡(jiǎn)明。至此，所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明，使用它，設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場(chǎng)。由于出色的技術(shù)和市場(chǎng)表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對(duì)象。終于在1997年由法國達(dá)索公司以三億一千萬美元的高額市值將全資并購。公司原來的風(fēng)險(xiǎn)投資商和股東，以一千三百萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，獲得了高額的回報(bào)，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的以原來的品牌和管理技術(shù)隊(duì)伍繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司，三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件也成為達(dá)索企業(yè)中最具競(jìng)爭(zhēng)力的CAD產(chǎn)品。由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費(fèi)品、離散制造等分布于全球100多個(gè)國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場(chǎng)上，每年來自全球4，300所教育機(jī)構(gòu)的近145，000名學(xué)生通過SolidWorks的培訓(xùn)課程。據(jù)世界上著名的人才網(wǎng)站檢索，與其它3D CAD系統(tǒng)相比，與SolidWorks相關(guān)的招聘廣告比其它軟件的總合還要多，這比較客觀地說明了越來越多的工程師使用SolidWorks，越來越多的企業(yè)雇傭人才。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界用戶每年使用的時(shí)間已達(dá)5500萬小時(shí)。在美國，包括麻省理工學(xué)院（MIT）、斯坦福大學(xué)等在內(nèi)的著名大學(xué)已經(jīng)把SolidWorks列為制造專業(yè)的必修課，國內(nèi)的一些大學(xué)（教育機(jī)構(gòu)）如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海教育局等也在應(yīng)用SolidWorks進(jìn)行教學(xué)軟件.
該軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是 三大特點(diǎn)，使得成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。對(duì)于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用SolidWorks 來搞設(shè)計(jì)了。獨(dú)有的拖拽功能使用戶在比較短的時(shí)間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計(jì)。資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用戶能在比較短的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場(chǎng)。在目前市場(chǎng)上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設(shè)計(jì)過程比較簡(jiǎn)便而方便的軟件之一。美國著名咨詢公司Daratech所評(píng)論：“在基于Windows平臺(tái)的三維CAD軟件中，是最著名的品牌，是市場(chǎng)快速增長的領(lǐng)導(dǎo)者?！痹趶?qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作（包括Windows風(fēng)格的拖/放、點(diǎn)/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用SolidWorks ，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間的是全相關(guān)的全動(dòng)感用戶界面。
只有SolidWorks 才提供了一整套完整的動(dòng)態(tài)界面和鼠標(biāo)拖動(dòng)控制。“全動(dòng)感的”的用戶界面減少設(shè)計(jì)步驟，減少了多余的對(duì)話框，從而避免了界面的零亂。嶄新的屬性管理員用來高效地管理整個(gè)設(shè)計(jì)過程和步驟。屬性管理員包含所有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和參數(shù)，而且操作方便、界面直觀。用SolidWorks資源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks資源管理器是唯一一個(gè)同Windows資源器類似的CAD文件管理器。特征模版為標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)特征，提供了良好的環(huán)境。用戶可以直接從特征模版上調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的零件和特征，并與同事共享。SolidWorks 提供的AutoCAD模擬器，使得AutoCAD用戶可以保持原有的作圖習(xí)慣，順利地從二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向三維實(shí)體設(shè)計(jì)配置管理。
配置管理是SolidWorks軟件體系結(jié)構(gòu)中非常獨(dú)特的一部分，它涉及到零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖。配置管理使得你能夠在一個(gè)CAD文檔中，通過對(duì)不同參數(shù)的變換和組合，派生出不同的零件或裝配體協(xié)同工作提供了技術(shù)先進(jìn)的工具，使得你通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同工作。通過eDrawings方便地共享CAD文件。一種極度壓縮的、可通過電子郵件發(fā)送的、自行解壓和瀏覽的特殊文件。通過三維托管網(wǎng)站展示生動(dòng)的實(shí)體模型。三維托管網(wǎng)站是SolidWorks提供的一種服務(wù)，你可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，快速地查看產(chǎn)品結(jié)構(gòu)SolidWorks 支持Web目錄，使得你將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存放在互聯(lián)網(wǎng)的文件夾中，就象存本地硬盤一樣方便。用通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)地協(xié)同工作。3D Meeting是基于微軟的技術(shù)而開發(fā)的專門為SolidWorks設(shè)計(jì)人員提供的協(xié)同工作環(huán)境裝配設(shè)計(jì)在SolidWorks 中，當(dāng)生成新零件時(shí)，你可以直接參考其他零件并保持這種參考關(guān)系。在裝配的環(huán)境里，可以方便地設(shè)計(jì)和修改零部件。對(duì)于超過一萬個(gè)零部件的大型裝配體性能得到極大的提高。SolidWorks 可以動(dòng)態(tài)地查看裝配體的所有運(yùn)動(dòng)，并且可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查和間隙檢測(cè)。用智能零件技術(shù)自動(dòng)完成重復(fù)設(shè)計(jì)。智能零件技術(shù)是一種嶄新的技術(shù)，用來完成諸如將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的螺栓裝入螺孔中，而同時(shí)按照正確的順序完成墊片和螺母的裝配。鏡像部件是SolidWorks 技術(shù)的巨大突破。鏡像部件能產(chǎn)生基于已有零部件（包括具有派生關(guān)系或與其他零件具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的零件）的新的零部件。用捕捉配合的智能化裝配技術(shù)，來加快裝配體的總體裝配。智能化裝配技術(shù)能夠自動(dòng)地捕捉并定義裝配關(guān)系。
提供了生成完整的、車間認(rèn)可的詳細(xì)工程圖的工具。工程圖是全相關(guān)的，當(dāng)你修改圖紙時(shí)，三維模型、各個(gè)視圖、裝配體都會(huì)自動(dòng)更新。 從三維模型中自動(dòng)產(chǎn)生工程圖，包括視圖、尺寸和標(biāo)注。增強(qiáng)了的詳圖操作和剖視圖，包括生成剖中剖視圖、部件的圖層支持、熟悉的二維草圖功能、以及詳圖中的屬性管理員。使用技術(shù)，可以將工程圖與三維零件和裝配體脫離，進(jìn)行單獨(dú)操作，以加快工程圖的操作，但保持與三維零件和裝配體的全相關(guān)用交替位置顯示視圖能夠方便地顯示零部件的不同的位置，以便了解運(yùn)動(dòng)的順序。交替位置顯示視圖是專門為具有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的裝配體而設(shè)計(jì)的獨(dú)特的工程圖功能。
4.2銑削狀態(tài)研究
針對(duì)軸瓦定位唇專用銑床銑削桿在工作過程中產(chǎn)生振動(dòng)的問題,基于刀具銑削理論與罰函數(shù)算法,采用建模方法對(duì)銑刀桿工作狀況合理簡(jiǎn)化并施加合理約束,建立了銑刀桿的有限元模型并進(jìn)行模態(tài)分析,模態(tài)分析得到的銑削桿前5階固有頻率與實(shí)驗(yàn)方法獲得的數(shù)據(jù)在誤差允許范圍內(nèi).通過對(duì)銑削桿前5階模態(tài)的分析,發(fā)現(xiàn)銑削主軸兩端采用軸承支撐,銑削過程中變形小,而銑削桿為懸壁梁支撐,在二、三階固有頻率下發(fā)生大變形,對(duì)軸瓦定位唇銑削精確度影響較大. 本課題軸瓦定位唇專用銑床與現(xiàn)有的普通銑床技術(shù)相比，由于整個(gè)加工都是全自動(dòng)化的，各個(gè)環(huán)節(jié)減少了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度因而減少了因人的失誤而造成的不必要的錯(cuò)誤的發(fā)生，避免一些工傷不安全因素的發(fā)生；其次，由于整個(gè)運(yùn)行過程均是自動(dòng)控制，這樣可以在加工時(shí)使其對(duì)每個(gè)軸瓦的力量均衡，確保了加工每個(gè)軸瓦定位唇的穩(wěn)定和精度，進(jìn)而保證了加工出的定位唇的外形一致性，成品率也得到提高。由于本設(shè)備從送料到取料，均是自動(dòng)控制，加工效率大大的提高了，另外采用立式銑的結(jié)構(gòu)，不但可以避免加工屑的影響，而且減小占地面積。
4.3 適應(yīng)軸瓦的加工范圍
一般采用6.3噸沖床沖出.用沖床沖定位唇,手工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大,沖壓工處于緊張的工作狀態(tài),安全得不到可靠保證,沖壓中類似壓傷手指等事故屢有發(fā)生.為了從根本上改變這種加工方法,杜絕不安全因素,我廠已于1994年8月研制成功了軸瓦定位唇半自動(dòng)壓床它是機(jī)械、液壓、電氣一體化的先進(jìn)加工設(shè)備,經(jīng)用戶廠壓S195軸瓦定位唇表明,達(dá)到了較高的加工精度:定位唇寬度公差≤0.10;定位唇高度公差≤0.10mm;端距公差≤±0.10mm.工作情況完全符合設(shè)計(jì)要求.該半自動(dòng)壓床的開發(fā)成功,不僅攻克了軸瓦廠長期以來沖壓定位唇無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的難題,而且杜絕了不安全因素。隨著對(duì)機(jī)床本身性能（例如：加工精度，生產(chǎn)率等）的要求不斷提高，國外現(xiàn)已把銑床的動(dòng)態(tài)特性作為一項(xiàng)重要研究內(nèi)容納入日程，特別是隨著銑床運(yùn)動(dòng)的速度越來越快的情況下，動(dòng)態(tài)特性不容忽視。所以，銑床的設(shè)計(jì)開始由原始的靜態(tài)強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)入到了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。
4.4銑床綜合分析
隨著制造業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。在現(xiàn)有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦定位唇加工中，所用的設(shè)備大多為普通銑床，在定位唇銑削加工時(shí)，由手工將軸瓦放入模具中，通過調(diào)整銑刀位置和下模來完成軸瓦定位唇加工工序。我國汽車軸瓦制造技術(shù)水平仍較低。其制造工藝發(fā)展緩慢，加工裝備落后，加工自動(dòng)化水平低，提高軸瓦壽命和可靠性等技術(shù)攻關(guān)未能取得突破。 本文在充分調(diào)研了國內(nèi)外軸瓦定位唇專用銑床實(shí)際應(yīng)用的前提下，深入了解和分析了國內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。提出了軸瓦定位唇專用銑床的總體設(shè)計(jì)方案，并完成了軸瓦定位唇專用銑床動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和部分主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中引入了技術(shù)，利用軟件建立了軸瓦定位唇專用銑床的三維模型和運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫，使其能夠?qū)嶓w化、可視化，更加直觀的表現(xiàn)了設(shè)計(jì)思路，從而縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了工作效率。還基于有限元理論，利用分析軟件對(duì)軸瓦定位唇專用銑床的主軸進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。 本文所設(shè)計(jì)的軸瓦定位唇專用銑床，是目前國內(nèi)外為數(shù)不多的軸瓦定位唇專用銑床的一例，屬于創(chuàng)新型設(shè)計(jì)。隨著當(dāng)今工業(yè)設(shè)備對(duì)精密程度的要求越來越高，機(jī)械加工設(shè)備的專項(xiàng)專用要求越來越高，且對(duì)批量生產(chǎn)和高速生產(chǎn)的需要，這已經(jīng)越來越制約著當(dāng)今機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。越來越多的專用機(jī)械加工設(shè)備相繼出現(xiàn)。而在中國的機(jī)械加工設(shè)備的銑床中普通車床沒有對(duì)各種型號(hào)軸瓦銑削用的專業(yè)銑床。
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致 謝
本文是在段鐵群老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的選擇、到選到課題的研究和論證，再到本畢業(yè)設(shè)計(jì)的編寫、修改，每一步都有段老師的細(xì)心指導(dǎo)和認(rèn)真的解析。在段老師的指導(dǎo)下，我在各方面都有所提高，老師以嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和勤勉的工作態(tài)度深深感染了我，給我巨大的啟迪，鼓舞和鞭策，并成為我人生路上值得學(xué)習(xí)的榜樣。使我的知識(shí)層次又有所提高。同時(shí)感謝所有教育過我的專業(yè)老師，你們傳授的專業(yè)知識(shí)是我不斷成長的源泉也是完成本論文的基礎(chǔ)。也感謝我同一組的組員和班里的同學(xué)是你們?cè)谖矣龅诫y題是幫我找到大量資料，解決難題。再次真誠感謝所有幫助過我的老師同學(xué)。通過這次畢業(yè)