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鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 基于 UG的三軸銑床運(yùn)動仿真 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué)生姓名 孔湘成 班 級 B 機(jī)制 077 學(xué) 號 0710101703 指導(dǎo)教師 趙海濤 完成日期 2011 年 6 月 6 日 基于 UG 的三軸銑床的運(yùn)動仿真 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 摘要：銑床是一種應(yīng)用廣泛的機(jī)床，銑床除能銑削平面、溝槽、輪齒、螺紋和花鍵 軸外，還能加工比較復(fù)雜的型面，效率較刨床高，在機(jī)械制造和修理部門得到廣泛 應(yīng)用。本課題設(shè)計(jì)的是一臺實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動的銑床，并利用 UG 軟件進(jìn)行運(yùn)動仿真。 機(jī)床運(yùn)動仿真分析已成為機(jī)床設(shè)計(jì)過程中重要的輔助手段，利用仿真可以及時發(fā)現(xiàn) 存在的運(yùn)動干涉、設(shè)計(jì)不合理等問題，這樣可以在機(jī)床制造前及時解決，避免產(chǎn)生 巨大的成本花費(fèi)。 首先，簡單介紹課題來源，銑床的分類及發(fā)展歷程。 其次，對三軸銑床進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定各個零件的尺寸和定位關(guān)系并進(jìn)行校 核。使用 UG 軟件，建立銑床運(yùn)動模型并進(jìn)行簡單的運(yùn)動仿真。 最后，總結(jié)全文，并展望了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)床設(shè)計(jì)方面的前景。本課題 是涉及機(jī)械和計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究型項(xiàng)目。文中對 UGNX 軟件的應(yīng)用、銑床總體結(jié)構(gòu) 進(jìn)行了一些探究，為機(jī)床設(shè)計(jì)與研制方面累積了一些經(jīng)驗(yàn)。 關(guān)鍵詞：三軸銑床；UG；運(yùn)動仿真 基于 UG 的三軸銑床的運(yùn)動仿真 Motion simulation of three-axis milling machine based on UG Abstract:Milling machine is a widely used machine, Milling machine can mill plane, groove, teeth, thread, spline axis, and more complex surface machining . Its higher efficiency than the planer , it has been widely used in the machinery manufacturing and repair sector . The project is designed to achieve a linkage axis milling machine, and using motion simulation by UG. Analysis of machine tool motion simulation has become an important adjunct in theMachine tool design process.This simulation can be used to detect the existence of the movement interference, design issues such as unreasonable. This can be resolved in time for the machine tool manufacturers, to avoid spending huge cost. Firstly,in this paper,it introduces a brief subject sources, classification and development process of milling. Secondly, it makes the overall design of three-axis milling machine, determines the size and location of each part and checks them between.,Confirm a simple motion model and motion simulation by UG software. Finally, it concluds remarks and prospects of the computer simulation in the design of future machines.This issue is related to mechanical and computer technology research projects, In this paper, application of UGNX software and the overall structure of milling machines has be explored,it accumulats some experience in design and development of machine tools . Key words：Three-axis milling machine;UG; Motion simulation 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 基于 UG 的三軸銑床的運(yùn)動仿真 6 目錄 1.緒論 .................................................................1 1.1 簡介: ...............................................................1 1.2 發(fā)展歷程: ...........................................................1 1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述： ....................................................1 1.4 主要分類: ...........................................................2 2.銑床機(jī)械部分設(shè)計(jì) .....................................................4 2.1 總體設(shè)計(jì)要求 .......................................................4 2.2 運(yùn)動軸的布置 .......................................................4 2.3 運(yùn)動部件的行程范圍 .................................................4 2.4 導(dǎo)軌的選擇 ..........................................................4 2.5 聯(lián)軸器的選擇 ........................................................5 2.6 銑削力的計(jì)算 ........................................................5 2.6.1 主軸電機(jī)的選擇 ....................................................6 2.6.2X、Y 軸銑削力的計(jì)算 ................................................6 2.7 步進(jìn)電機(jī)的選擇 ......................................................7 2.7.1 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中的注意事項(xiàng) ..........................................7 2.7.2 步進(jìn)電機(jī)三因素的選擇 ..............................................7 2.7.3 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)的計(jì)算選擇 ............................................8 2.8 滾珠絲杠的選擇 ......................................................8 2.8.1 滾珠絲杠的選擇計(jì)算 ................................................9 2.8.2 滾珠絲杠的校核 ...................................................10 2.9 軸承的選擇 .........................................................11 3.運(yùn)動仿真 ............................................................16 3.1 建模 ...............................................................16 3.2 裝配 ...............................................................16 3.3 創(chuàng)建機(jī)床運(yùn)動模型 ...................................................18 3.3.1 定義機(jī)床基礎(chǔ)部件 .................................................18 3.3.2 定義機(jī)床運(yùn)動組件和分類 ...........................................18 3.3.3 創(chuàng)建聯(lián)接坐標(biāo)系和分類 .............................................18 3.4 機(jī)床入庫 ...........................................................21 4.結(jié)論 ................................................................25 參考文獻(xiàn) ..............................................................26 致 謝 ................................................................27 附 錄 ...............................................................28 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 1 1.緒論 1.1 簡介: 銑床是一種用途廣泛的機(jī)床，在銑床上可以加工平面（水平面、垂直面） 、溝 槽（鍵槽、T 形槽、燕尾槽等） 、分齒零件（齒輪 、花鍵軸、鏈輪乖、螺旋形表面 （螺紋、螺旋槽）及各種曲面。此外，還可用于對回轉(zhuǎn)體表面、內(nèi)孔加工及進(jìn)行切 斷工作等。 銑床在工作時，工件裝在工作臺上或分度頭等附件上，銑刀旋轉(zhuǎn)為主 運(yùn)動，輔以工作臺或銑頭的進(jìn)給運(yùn)動，工件即可獲得所需的加工表面。由于是多刀 斷續(xù)切削，因而銑床的生產(chǎn)率較高。用銑刀對工件進(jìn)行銑削加工的機(jī)床。銑床除能 銑削平面、溝槽、輪齒、螺紋和花鍵軸外，還能加工比較復(fù)雜的型面，效率較刨床 高，在機(jī)械制造和修理部門得到廣泛應(yīng)用。 1.2 發(fā)展歷程: 銑床最早是由美國人 E.惠特尼于 1818 年創(chuàng)制的臥式銑床。為了銑削麻花鉆頭 的螺旋槽，美國人 J.R.布朗于 1862 年創(chuàng)制了第一臺萬能銑床，是為升降臺銑床的 雛形。1884 年前后出現(xiàn)了龍門銑床。20 世紀(jì) 20 年代出現(xiàn)了半自動銑床，工作臺利 用擋塊可完成“進(jìn)給-快速”或“快速-進(jìn)給”的自動轉(zhuǎn)換。 1950 年以后，銑床在控制系統(tǒng)方面發(fā)展很快，數(shù)字控制的應(yīng)用大大提高了銑床 的自動化程度。尤其是 70 年代以后，微處理機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)和自動換刀系統(tǒng)在 銑床上得到應(yīng)用，擴(kuò)大了銑床的加工范圍，提高了加工精度與效率。 隨著機(jī)械化進(jìn)程不斷加劇，數(shù)控編程開始廣泛應(yīng)用與于機(jī)床類操作，極大的釋 放了勞動力。數(shù)控編程銑床將逐步取代現(xiàn)在的人工操作。對員工要求也會越來越高， 當(dāng)然帶來的效率也會越來越高。 1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述： 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技 術(shù)， “七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)” ，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng) 大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004 年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床 產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長率分別為 39.3%34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢頭 依然強(qiáng)勁，從 2002 年開始，中國連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國、機(jī)床進(jìn)口 第一大國，2004 年中國機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá) 94.6 億美元，但進(jìn)出口逆差嚴(yán)重，國產(chǎn) 機(jī)床市場占有率連年下降，1999 年是 33.6%，2003 年僅占 27.7%。1999 年機(jī)床進(jìn)口 額為 8.78 億美元（7624 臺） ，2003 年達(dá) 27.1 億美元（23320 臺） ，相當(dāng)于同年國內(nèi) 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值的 2.7 倍。國內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開 發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴 進(jìn)口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場競爭力，究 其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識 與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 2 我們應(yīng)看清形勢，充分認(rèn)識國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技 術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距 1.4 主要分類: 一、按布局形式和適用范圍加以區(qū)分： （1）升降臺銑床：有萬能式、臥式和立式等，主要用于加工中小型零件，應(yīng) 用最廣。 （2）龍門銑床：包括龍門銑鏜床、龍門銑刨床和雙柱銑床，均用于加工大型 零件。 （3）單柱銑床和單臂銑床：前者的水平銑頭可沿立柱導(dǎo)軌移動，工作臺作縱 向進(jìn)給；后者的立銑頭可沿懸臂導(dǎo)軌水平移動，懸臂也可沿立柱導(dǎo)軌調(diào)整高度。兩 者均用于加工大型零件。 （4）工作臺不升降銑床：有矩形工作臺式和圓工作臺式兩種，是介于升降臺 銑床和龍門銑床之間的一種中等規(guī)格的銑床。其垂直方向的運(yùn)動由銑頭在立柱上升 降來完成。 （5）儀表銑床：一種小型的升降臺銑床，用于加工儀器儀表和其他小型零件。 （6）工具銑床：用于模具和工具制造，配有立銑頭、萬能角度工作臺和插頭 等多種附件，還可進(jìn)行鉆削、鏜削和插削等加工。 （7）其他銑床：如鍵槽銑床、凸輪銑床、曲軸銑床、軋輥軸頸銑床和方鋼錠 銑床等，是為加工相應(yīng)的工件而制造的專用銑床。按控制方式，銑床又分為仿形銑 床（見仿形機(jī)床）、程序控制銑床和數(shù)字控制銑床（見數(shù)字控制機(jī)床） 二、按結(jié)構(gòu)分： (1)臺式銑床：小型的用于銑削儀器、儀表等小型零件的銑床。 (2)懸臂式銑床：銑頭裝在懸臂上的銑床，床身水平布置，懸臂通常可沿床身 一側(cè)立柱導(dǎo)軌作垂直移動，銑頭沿懸臂導(dǎo)軌移動。 (3)滑枕式銑床：主軸裝在滑枕上的銑床，床身水平布置，滑枕可沿滑鞍導(dǎo)軌 作橫向移動，滑鞍可沿立柱導(dǎo)軌作垂直移動。 (4)龍門式銑床：床身水平布置，其兩側(cè)的立柱和連接梁構(gòu)成門架的銑床。銑 頭裝在橫梁和立柱上，可沿其導(dǎo)軌移動。通常橫梁可沿立柱導(dǎo)軌垂向移動，工作臺 可沿床身導(dǎo)軌縱向移動，用于大件加工。 (5)平面銑床：用于銑削平面和成型面的銑床，床身水平布置，通常工作臺沿 床身導(dǎo)軌縱向移動，主軸可軸向移動。它結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率高。 (6)仿形銑床：對工件進(jìn)行仿形加工的銑床。一般用于加工復(fù)雜形狀工件。 (7)升降臺銑床：具有可沿床身導(dǎo)軌垂直移動的升降臺的銑床，通常安裝在升 降臺上的工作臺和滑鞍可分別作縱向、橫向移動。 (8)搖臂銑床：搖臂裝在床身頂部，銑頭裝在搖臂一端，搖臂可在水平面內(nèi)回 轉(zhuǎn)和移動，銑頭能在搖臂的端面上回轉(zhuǎn)一定角度的銑床。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 3 (9)床身式銑床：工作臺不能升降，可沿床身導(dǎo)軌作縱向移動，銑頭或立柱可 作垂直移動的銑床。 (10)專用銑床：例如工具銑床：用于銑削工具模具的銑床，加工精度高，加工 形狀復(fù)雜。 三、按控制方式分： 銑床又可分為仿形銑床、程序控制銑床和數(shù)控銑床等。 我的課題是基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真。內(nèi)容是設(shè)計(jì)一臺簡易三軸銑床，并 利用 UG 的運(yùn)動仿真功能實(shí)現(xiàn)銑床的三軸聯(lián)動功能。設(shè)計(jì)思路為先根據(jù)機(jī)床加工運(yùn) 動范圍、特點(diǎn)，制定機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案，然后具體零部件設(shè)計(jì)計(jì)算，確定各部件的 關(guān)鍵尺寸，最后設(shè)計(jì)計(jì)算運(yùn)動幅，并編制零件數(shù)控程序驅(qū)動機(jī)床運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動仿 真。 在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前我們要做好以下幾方面的工作： 首先，要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。整個設(shè)計(jì)，僅靠一些參考資料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這 樣設(shè)計(jì)出來的三軸銑床只是結(jié)構(gòu)完美，外形美觀，但實(shí)用性差，因此，在設(shè)計(jì)工作 開始前，指導(dǎo)老師特地帶我們到江淮動力集團(tuán)、鹽城長虹涂裝有限公司、東風(fēng)悅達(dá) 二廠等企業(yè)進(jìn)行了實(shí)地參觀考察，與企業(yè)工程技術(shù)人員共同討論，積累了一些寶貴 的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 其次，運(yùn)用四年來所學(xué)的專業(yè)知識，針對現(xiàn)實(shí)中遇到的實(shí)際情況，做到舉一反 三。整個設(shè)計(jì)過程不僅涉及到以前所學(xué)的知識，還涉及到一些新的概念，這就要求 我們一邊溫習(xí)以前的知識，一邊還要學(xué)習(xí)新的知識，可以說，整個設(shè)計(jì)過程就是我 們不斷復(fù)習(xí)和學(xué)習(xí)的過程。 第三，通過自身的努力，理論聯(lián)系實(shí)際，從合理性、經(jīng)濟(jì)性、工藝性、實(shí)用性 及對被加工零件的具體要求對現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行研究和分析，找出可以進(jìn)行改進(jìn)的地方， 通過反復(fù)推敲對比，擬訂較為合理的銑削組合機(jī)床的總體方案。 在設(shè)計(jì)過程中，由于銑床大部分是由標(biāo)準(zhǔn)零件構(gòu)成，另外一些非標(biāo)準(zhǔn)件盡量適 應(yīng)工廠的生產(chǎn)條件，使加工和維修方便，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。限于本人知識水 平有限，又缺乏相應(yīng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)中定存在不到之處，敬請老師批評指正， 提出寶貴意見，以便及時糾正。 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 4 2.銑床機(jī)械部分設(shè)計(jì) 2.1 總體設(shè)計(jì)要求 1．銑床應(yīng)能滿足三軸聯(lián)動加工要求，保證加工精度； 2．銑床應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，便于維修、調(diào)整； 3．銑床盡量用通用件以便降低制造成本； 4．銑床各動力部件用電氣控制。 2.2 運(yùn)動軸的布置 銑床的布置形式分立式和臥式，兩種形式各有其優(yōu)點(diǎn)。選擇立式布置形式，主 軸升降為 Z 軸，水平方向進(jìn)給為 X、Y 軸。選擇合適的滾珠絲杠安裝方式，步進(jìn)電 機(jī)選擇等。由于垂向滑臺窗洞升降機(jī)構(gòu)在安裝滾珠絲杠后會因?yàn)槭プ枣i而自動下 滑，必須增加平衡裝置和制動裝置。 水平方向，選擇十字滑臺作為運(yùn)動部件。其采用滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌副的傳動 方式，因而具有精度高,效率高,壽命長,磨損小,節(jié)能降耗,結(jié)構(gòu)緊湊,通用性較強(qiáng)的特 點(diǎn)，符合總體設(shè)計(jì)要求。 豎直方向，選擇機(jī)械滑臺，機(jī)械滑臺具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1.進(jìn)給量穩(wěn)定，慢速無爬行，高速無振動，可以降低加工工件的表面粗糙度。 2.具有較好的抗沖擊能力，斷續(xù)切削、鉆頭鉆通孔將要出口時，不會因沖擊而 損壞刀具。 3.運(yùn)行安全可靠，易發(fā)現(xiàn)故障，調(diào)整維修方便。 4.沒有液壓驅(qū)動管路泄露、噪聲和液壓占地的問題。 2.3 運(yùn)動部件的行程范圍 根據(jù)銑床的加工特點(diǎn)及參數(shù)，選擇銑床 XYZ 三軸的行程分別為: 300mm 300mm350mm 。 2.4 導(dǎo)軌的選擇 銑床上的直線運(yùn)動部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁等支撐件上的導(dǎo)軌進(jìn)行 運(yùn)動的，導(dǎo)軌的作用概括的說是對運(yùn)動部件起導(dǎo)向和支承作用。在導(dǎo)軌副（如工作 臺和床身導(dǎo)軌）中，運(yùn)動的一方（如工作臺導(dǎo)軌）叫做動導(dǎo)軌，不動的一方如床身 導(dǎo)軌叫支承導(dǎo)軌。 導(dǎo)軌選擇考慮的因素： （1）導(dǎo)向精度 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 5 導(dǎo)軌在空載下運(yùn)動和在切削條件下運(yùn)動時，都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度。保證軸 承運(yùn)動的準(zhǔn)確性，是保證導(dǎo)軌工作質(zhì)量的前提。 （2）幾何精度 直線運(yùn)動導(dǎo)軌的幾何精度一般包括：導(dǎo)軌在豎直平面內(nèi)的直線度；導(dǎo)軌在水平 平面內(nèi)的直線度；兩導(dǎo)軌面間的平行度。在前兩項(xiàng)精度中，都規(guī)定了導(dǎo)軌在每米長 度上和導(dǎo)軌全長上，兩導(dǎo)軌面間在橫向每米長度上的扭曲值。 （3）接觸精度 磨削和刮研的導(dǎo)軌表面，接觸精度按 JB2278 的規(guī)定，采用著色法進(jìn)行檢查。 用接觸面所占的百分比或每 25 平方毫米面積內(nèi)接觸點(diǎn)數(shù)衡量。 （4）精度保持性 影響精度保持性的主要因素是磨損。 （5）低速運(yùn)動平穩(wěn)性 當(dāng)導(dǎo)軌作低速運(yùn)動或微量位移時，應(yīng)保證導(dǎo)軌運(yùn)動的平穩(wěn)性，即不出現(xiàn)滑移現(xiàn) 象。 （6）結(jié)構(gòu)簡單平穩(wěn)性好 大多數(shù)機(jī)床的導(dǎo)軌都要淬硬，因此導(dǎo)軌的精加工不能淬硬。設(shè)計(jì)時應(yīng)注意使導(dǎo) 軌的制造和維修方便，刮研量少。 由于其制造簡單維修、檢查方便的特點(diǎn)，選擇矩形滑動導(dǎo)軌。 2.5 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是用來聯(lián)接兩進(jìn)給機(jī)構(gòu)的兩根軸使之一起回轉(zhuǎn)傳遞扭矩和運(yùn)動的一種裝 置。目前的聯(lián)軸器類型繁多，有液力式、電磁式和機(jī)械式。機(jī)械式聯(lián)軸器的應(yīng)用最 為廣泛。套筒聯(lián)軸器構(gòu)造簡單，徑向尺寸小，但裝卸困難（軸需作軸向移動） 。且 要求兩軸嚴(yán)格對中不允許有徑向或角度偏差，因此使用時受到一定的限制。繞行聯(lián) 軸器則采用錐形夾緊環(huán)傳遞載荷，可使動力傳遞沒有方向間隙。凸緣式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu) 簡單，成本低，可傳遞較大扭矩，常用于轉(zhuǎn)速低、軸的剛性大及對中性好的場合。 主要缺點(diǎn)是對兩軸的對中性要求很高。 2.6 銑削力的計(jì)算 現(xiàn)假設(shè)刀具材料為高速鋼，工件材料為碳鋼（ ）abMP650?? Z 軸銑削工作時銑削力的計(jì)算： 最大銑削直徑 =10mm,最小直徑 。maxdmd4in 由《實(shí)用機(jī)床手冊》得：銑削功率 (2-1)106??VFPz 銑削力 (2-2)Zowfpz KF86.0.72.064?? 銑削力修正系數(shù) (2-3)rFmZF? 其中工件材料系數(shù) (?.)3..0b? 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 6 高速鋼銑刀 ，前角系數(shù)015?or92.0?rFZK 主偏角 因此7?k.FZ? 0.161? —工件材料的抗拉強(qiáng)度；b? —銑削深度；pa —每齒進(jìn)給量；f —銑削寬度；w —銑削直徑；od —銑刀齒數(shù)，Z 現(xiàn)取 Z=4 n=400r/min,Zmaf/05.?ap4?mdo10?aw8NFZ .9725.10846286.6.72. ???sndVo //31/?kWPm .5.904 ?? 2.6.1 主軸電機(jī)的選擇 選主軸電機(jī)時按切削計(jì)算，因?yàn)殂娤鲿r的最大切削力為： NFZ 3.19625.0485.046286.0.72 ?????smndVo /1/13/?kWPm ..94 主軸功率 P= /0.88=0.68/0.88=0.77Kwm 所以選電動機(jī)為 =1.1kW，型號：Y90S —4 型。P 2.6.2X、Y 軸銑削力的計(jì)算 主轉(zhuǎn)動中主軸功率 P=0.77KW，則 7.01/.?? 電動機(jī)的額定功率 。銑削力同樣與道具材料、被銑削工件的材料、切削KW1.0? 量等因素有關(guān)，現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，工件材料為碳鋼進(jìn)行計(jì)算。 主傳動功率包括銑削功率 、空載功率 、附加功率 三部分。即：mPmomcP ,對于一般輕載高速的中、小型機(jī)床，取 ,故總功率為：mcoP?? o5.0? ， ,在進(jìn)給傳動中銑削功率)1(5.0??)2/(5.0??? ,查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊得 k=0.85,2/?ka 那么 kW36.)7/(.8. 切削時主軸上的扭矩為 (2-4)nPMctn940? 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 7 則主軸上的最大扭矩： )(6.8740/36.97max cmNMn ???? 銑刀的最大直徑為：10mm。主切削力 。銑削加工時主切削力Fc1. 與銑削進(jìn)給抗力之間的比值由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》查得為 1.0~1.2，取 1.2.則 ，垂直分力 與 之間的比值為 0.75~0.8,取 0.8， =841.5N。NFs9.105?zc zF 2.7 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。 2.7.1 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中的注意事項(xiàng) 1）步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合 2）步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 3）轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選用大機(jī)座號電機(jī) 4）電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時，采用逐漸升頻提速。 5）高精度時，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的電機(jī)來解決。 6）電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作 7）電機(jī)在 600PPS 以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。 8）應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則。 2.7.2 步進(jìn)電機(jī)三因素的選擇 步進(jìn)電機(jī)由步距角、靜轉(zhuǎn)矩及電流三部分組成。一旦三大因素確定步進(jìn)電機(jī)的 型號便確定了下來。 步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求。將負(fù)載的最小分辨率換算到電機(jī)軸上， 每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度，電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于這個角度。 靜力矩的選擇 一般情況下靜力矩應(yīng)在摩擦負(fù)載的 2~3 倍內(nèi)，靜力矩一旦確定，電機(jī)的基座及 長度就能確定。 電流的選擇 依據(jù)矩頻特性，確定電流 力矩和功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用，功率是變化的，一般只用力矩來衡量， 力矩與功率換算如下： P= M (2-5)? 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 8 =2 n/60?? P=2 nM/60 其中 P 為功率，單位為瓦； 為每秒角速度，單位為弧度；n 為每分鐘轉(zhuǎn)速；? M 為力矩，單位為牛頓·米。 P=2 fM/400（半步工作）其中 f 為每秒脈沖數(shù)。? 混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)： 混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定可靠，性能好，運(yùn)行平穩(wěn)。 混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)缺點(diǎn)：制造復(fù)雜，成本高；雖然共振區(qū)不明顯，振蕩 較小，但是仍然影響性能。 2.7.3 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)的計(jì)算選擇 1）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動力矩的計(jì)算 (2-6))2/()]([36????bzspqFGuT?? 銑削時： =841.5N，分別取 u=0.03 ,G=300N, ,N9.105 stepmb/.81?? =36×0.01×[1051.9+0.03×(300+841.5)]/(2 ×1.8×0.7)=49.4N/cmq ? 由手冊可知： / ，步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩qT86.?jm /0.866=49.4/0.866=57N/cm?jmTq 2）確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 ,假定 =0.025m/spVf?/10maxax maxHz1250..??? 根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進(jìn)電機(jī) 57BYGH6403。采用兩相四拍通電方式。相數(shù)， 3；步距角， ；電流，2.5A；靜力矩，110N·cm ；轉(zhuǎn)動慣量，280 ;引線數(shù)，08.1 2gcm 4。 2.8 滾珠絲杠的選擇 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動， 這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滑動動作變 成滾動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精 密儀器。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆 性和高效率的特點(diǎn)。 滾珠絲杠主要由絲杠螺母副完成運(yùn)動轉(zhuǎn)換，滾珠絲杠螺母副的特點(diǎn)： 滾珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機(jī)構(gòu)。它的機(jī)構(gòu)效（= 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 9 0.92-0.96）比滑動絲杠（η= 0.20-0.40 ）高 3-4 倍。滾珠絲杠螺母副的動（靜） 摩擦系數(shù)基本相等，配以滾動導(dǎo)軌，啟動力矩很小，運(yùn)動極靈敏，低速時不會 出 現(xiàn)爬行。滾珠絲杠螺母副可以完全消除間隙并可預(yù)緊，故有較高的軸向剛度， 且反向無空程死區(qū)，反向定位精度高。滾珠絲杠螺母摩擦系數(shù)小，無自鎖，能實(shí)現(xiàn) 可逆?zhèn)鲃印L珠絲杠螺母副的滾珠循環(huán)方式一般分內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。 在設(shè)計(jì)滾珠絲杠時，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲 杠的上述參數(shù)時，目前采用的方法是，在防止疲勞點(diǎn)蝕的基礎(chǔ)上，即滾珠絲杠在工 作過程中受軸向負(fù)載時，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在這種交變接觸應(yīng) 力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷，而 使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾珠絲杠副的主要破壞形式。在設(shè)計(jì)滾珠絲杠副時， 必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下，這種名義直徑 D 和螺距 t 的滾珠絲杠在回轉(zhuǎn)一 百萬次后，在它的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個負(fù)載的最大值 稱為這個滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載。 在選用滾珠絲杠時, 應(yīng)從以下幾個方面考慮： 滾珠絲杠的安裝方式： 一端固定、一端自由的安裝方式適用于轉(zhuǎn)速較低、滾珠絲杠較短的情況。 兩端游動是一種常見的安裝方法, 適用于中等轉(zhuǎn)速的情況。 一端固定、一端游動則適用于中等轉(zhuǎn)速、需要高精度運(yùn)行的場合。 而兩端固定的安裝則適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)、需要高精度運(yùn)行的場合。 絲杠的最小底徑尺寸： 滾珠絲杠在正常使用時, 須保證在軸向方向上被施加的最大壓縮負(fù)荷不能使絲 杠發(fā)生彈性變形, 這就確定了絲杠的最小底徑尺寸。 允許轉(zhuǎn)速： 隨著滾珠絲杠轉(zhuǎn)速的提高, 會逐漸接近絲杠的固有振動頻率, 進(jìn)而會發(fā)生共振 以至不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動。因此滾珠絲杠一定要在臨界轉(zhuǎn)速共振點(diǎn)以下使用。 2.8.1 滾珠絲杠的選擇計(jì)算 動載荷 C 的計(jì)算 (2-7)max3FfLhn? 其中 —載荷系數(shù)取為 1.0 —硬度系數(shù)取為 1.2hf 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 10 —最大工作負(fù)載maxF L—使用壽命 工作負(fù)載 F 是指機(jī)床工作時，實(shí)際作用在滾珠絲杠軸上的軸向壓力，它的數(shù)據(jù) 可以用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算： 對于類似燕尾型導(dǎo)軌的機(jī)床 (2-8))2(maxGfkyz?? —X 方向的切削力F —Y 方向的切削力y —Z 方向額切削力z G—移動部件的重量 —導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)f —考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)k 正常潤滑情況下，對類似燕尾型導(dǎo)軌 ,4.1?03.f 在銑削過程中， =841.5N， =0， =1051.9N，G=300NzFxyF N4.97)3025.841(..max ????? 而 式中 n—滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，T —使用壽命 對于銑床，n 一般取60/nTL? 1250r/min, T 一般取 15000h,因?yàn)?L=60×1250×15000/ =1125610 C= N9.187.420.153?? 根據(jù)以上參數(shù)，選擇規(guī)格為 3205—5 的內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭型單螺母制滾珠絲杠 副。名義直徑為 32mm；基本導(dǎo)程 5mm；滾珠直徑 3.5mm；絲杠大徑 31.5mm。螺 母內(nèi)徑 50mm;螺母外徑 80mm；螺母長度 56mm。 2.8.2 滾珠絲杠的校核 效率計(jì)算： 從《機(jī)械原理》中得知，滾珠絲杠副的傳動效率 （2-9）)(/?????tg 式中 —螺紋的螺旋升角； 005.416???arctDtrc —摩擦角；滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) f=0.003~0.004,其摩擦角約為 ，故? 01 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 11 96.0?? 剛度的檢驗(yàn) 從《材料力學(xué)》中得知滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 的作用而引起的一個螺距 T 的變 化量 261 5.1430.297???EFPt 滾珠絲杠受扭矩 M 作用而引起的一個螺距 t 的變化量 ??2t?? 其中 —在扭矩 M 的作用下，滾珠絲杠每一螺距長度兩截面上的相對扭轉(zhuǎn)角；? cGJt? cmNPt ????43.695.014327?? G—扭轉(zhuǎn)彈性；對鋼而言，G=841× N/ 2 —滾珠絲杠載面積的極慣性矩 =c cJ)(/44d? =J448.93/1.cm? =cMt? mN????1506.20613512 75.8984. ??????t 如果 Y 方向的滾珠絲杠的長度為 100cm，則整個工作長度上的螺距變形總誤差：ct/0.3.0/161?? 查表得，對 E 級絲杠，允許誤差 ，故絲杠滿足要求。m/15?? 穩(wěn)定性驗(yàn)算 機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是一種受軸向壓力的壓桿，如果軸向壓力過大，可使絲杠 失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。長柱壓桿失穩(wěn)時的臨界負(fù)載 ，可用《材料力學(xué)》中的歐kP 拉公式計(jì)算： （2-2)(ulEJPk?? 10） 對鋼而言，彈性模數(shù) 27/10.2cmN?? 對實(shí)心圓桿而言，截面慣性矩 ；絲杠的工作長度4 44156.3cmdJ??cml30? 絲杠軸端系數(shù) u=1 NPk 8272 105.)01(4.???? 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 12 ＞＞[ ]=4 故此絲杠不致失穩(wěn)。6 8107.4.95???Pnk kn 2.9 軸承的選擇 機(jī)床傳動軸的滾動軸承的主要失效形式，是循環(huán)接觸應(yīng)力下的作用，滾動體和 滾道表面出現(xiàn)疲勞剝落。而絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，對絲杠軸承的主要要 求是軸向精度和剛度要高，摩擦力矩要小，所以選用六十度角接觸球軸承該軸承是 與滾珠絲杠配合的專用軸承，其主要特點(diǎn)如下： 1）接觸角大，鋼球數(shù)多承載能力高，剛度高。 2）既能承受軸向載荷，又能承受徑向載荷，支承結(jié)構(gòu)可以簡化。 3）軸承啟動摩擦矩小，降低絲杠副的驅(qū)動功率，提高進(jìn)給系統(tǒng)靈敏度。 現(xiàn)選用 7000C 型號，基本尺寸為：d=10mm,外徑 D=26mm,寬度 B=8mm,基本額 定動負(fù)荷 ，基本額定靜載荷， ，極限轉(zhuǎn)速為 2800r/min。KNCr29.4? KNCor25.? 對軸承的疲勞壽命進(jìn)行校核：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知， 軸承的基本額定壽命為： （2-?)(601PnLh 11） 式中：P—當(dāng)量動載荷； —基本額定壽命；hL10 —壽命指數(shù)一般球軸承為 3；? —軸承工作轉(zhuǎn)速，n=1250r/min;n C—基本額定動載荷，C=2250N； 其中： （2-)(ardYFXfP?? 12） —沖擊載荷系數(shù)，取 1.1；df —徑向載荷；rF X、Y—徑向動載荷系數(shù)。X=0.44 ，Y=1; NP1.074.9).0(1????hLh 503268.52630 ? 所以該軸承的選用是合格的。 2.10 軸的校核 a.軸系零件的軸向固定 為使軸和軸上零件在機(jī)器中有正確的位置，防止軸系軸向竄動和正確傳遞軸向 力，軸系零件應(yīng)予軸向固定。常見的軸向固定方式有三種： 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 13 (1)兩端單向固定的支承結(jié)構(gòu)； (2)一端雙向固定，一端游動的支承結(jié)構(gòu)； (3)兩端游動的支承結(jié)構(gòu)。 軸系零件不論采取哪種固定方式，都是根據(jù)具體情況通過選擇軸承的內(nèi)圈與軸， 外圈與軸承座孔的固定方式來實(shí)現(xiàn)的。軸承內(nèi)外圈的周向固定主要由配合來保證， 軸承內(nèi)圈和軸的軸向固定，其原則及方法與一般軸系的軸向固定方式基本相同，外 圈與軸承座孔的軸向固定形式主要是利用軸承蓋、孔用彈性墊圈、套孔的凸肩以及 軸承座孔的凸肩。具體選擇時要考慮軸向載荷的大小，方向，轉(zhuǎn)速高低，軸承的類 型，支承的固定型式等情況。根據(jù)上面的要求，結(jié)合本設(shè)計(jì)情況，主軸箱內(nèi)的軸系 零件的軸向固定方式采用兩端單向固定的支承結(jié)構(gòu)。 b.軸的結(jié)構(gòu) 軸的結(jié)構(gòu)主要取決于：軸在機(jī)器中的安裝位置及形式；軸上零件的類型，尺寸 及配置，定位和固定方式；載荷的性質(zhì)，大小，方向及分布情況；軸的加工和裝配 工藝性等。由于影響軸結(jié)構(gòu)的因素較多，其結(jié)構(gòu)隨具體條件不同而靈活變化，所以 軸一般并無標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。但不論何種具體條件，軸的結(jié)構(gòu)均須滿足：足夠的強(qiáng) 度和剛度；軸和裝在軸上的零件應(yīng)有準(zhǔn)確的工作位置；軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào) 整；軸應(yīng)該具有良好的制作工藝性。 c.軸的校核 作出軸的彎扭矩如圖 3-1 所示。 1、求出傳動軸上的轉(zhuǎn)矩 T： 傳動軸上的傳遞功率： KW （2-85.27.905????P傳 13） 則 N ?mm （2-66 14.32.715.905.9??nT 14） 2、求作用在齒輪上的力： mm684.3'1?mzd N14.35702'1??TFt N9.4tan?r mm2570.3'2???mzd N90.641'2TFt N7.920tan??r 3、軸的受力分析 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 14 a. 畫出傳動軸的受力簡圖（如圖 3-1） b. 計(jì)算支承反力 在水平方向上 N26.43721????lFttNH N8.04)(2132ltt 在垂直方向上 N6.59213????lFrrNV N57.20)(2132lrrV c. 畫出彎矩圖（如圖 3-1） 截面 B 處水平彎矩 N?mm02.39516.41???lFMNH 截面 C 處的水平彎矩 N?mm32.148.4.875.23.7)(' 211 ?????llFtNH 截面 B 處垂直彎矩 N?mm321691???NV 截面 C 處的垂直彎矩 N?mm75.0965.9.0..5)(' 2121llMrNv 截面 B 處的合成彎矩 N?mm82?VHBM 截面 C 處的合成彎矩 N?mm62.13''??C 4、彎矩合成強(qiáng)度校核 通常只校核軸上受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度，由以上計(jì)算得，危險(xiǎn)截面 為截面 C。 考慮啟動、停機(jī)影響，扭矩為脈動循環(huán)變硬力， ，6.0?? N ?mm （2-81.25)346.0(2.193)(232 ?????TMca? 15） 截面 C 處計(jì)算應(yīng)力 Mpa （2-7.5.813Wcac? 16） 根據(jù)文獻(xiàn)[12] 表 11.2，軸的常用材料及其主要力學(xué)性能表可得 45 號調(diào)質(zhì)鋼的 MPa。??601?????1＜??ca 所以該軸的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。用同種方法校核其他軸，均滿足要求。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 15 圖 3-1 軸的彎扭矩圖 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 16 3.運(yùn)動仿真 根據(jù)課題要求，使用 UG 軟件進(jìn)行運(yùn)動仿真。UG 是 Unigraphics 的縮寫，這是 一個交互式 CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造 )系統(tǒng)，它功能強(qiáng)大，可 以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著 PC 硬件的發(fā)展和個人用戶的迅速增長，在 PC 上的應(yīng)用取得了迅猛的增長，目前已 經(jīng)成為模具行業(yè)三維設(shè)計(jì)的一個主流應(yīng)用。NX 包括了世界上最強(qiáng)大、最廣泛的產(chǎn) 品設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊。 NX 具有高性能的機(jī)械設(shè)計(jì)和制圖功能，為制造設(shè)計(jì)提供了高 性能和靈活性，以滿足客戶設(shè)計(jì)任何復(fù)雜產(chǎn)品的需要。 NX 優(yōu)于通用的設(shè)計(jì)工具， 具有專業(yè)的管路和線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)、鈑金模塊、專用塑料件設(shè)計(jì)模塊和其他行業(yè)設(shè)計(jì) 所需的專業(yè)應(yīng)用程序。UG NX 加工基礎(chǔ)模塊提供聯(lián)接 UG 所有加工模塊的基礎(chǔ)框架， 它為 UG NX 所有加工模塊提供一個相同的、界面友 好的圖形化窗口環(huán)境，用戶可 以在圖形方式下觀測刀具沿軌跡運(yùn)動的情況并可對其進(jìn)行圖形化修改：如對刀具軌 跡進(jìn)行延伸、縮短或修改等。該模塊同時提供通用的 點(diǎn)位加工編程功能，可用于 鉆孔、攻絲和鏜孔等加工編程。該模塊交互界面可按用戶需求進(jìn)行靈活的用戶化修 改和剪裁，并可定義標(biāo)準(zhǔn)化刀具庫、加工工藝參數(shù)樣板 庫使初加工、半精加工、 精加工等操作常用參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以減少使用培訓(xùn)時間并優(yōu)化加工工藝。UG 軟件所有 模塊都可在實(shí)體模型上直接生成加工程序，并保持與實(shí) 體模型全相關(guān)。 UG NX 的 加工后置處理模塊使用戶可方便地建立自己的加工后置處理程序，該模塊適用于目 前世界上幾乎所有主流 NC 機(jī)床和加工中心，該模塊在多年的應(yīng)用實(shí)踐中已被證明 適用于２～５軸或更多軸的銑削加工、２～４軸的車削加工和電火花線切割。 仿真過程 由于銑床的結(jié)構(gòu)和裝配懸系復(fù)雜，不宜進(jìn)行單次建模，而是創(chuàng)建若干零部件， 在裝配界面中將這些部件裝配成完整的銑床。 3.1 建模 在確定了銑床各個零部件的尺寸形狀后，在 UG 的草圖界面中選擇創(chuàng)建部件的 一個剖面，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作畫出零部件的三維實(shí)體圖。 3.2 裝配 在 NX 中，裝配只是 PART FILE，其中不包括實(shí)際的幾何體，而是用于管理幾 何體，其中只包含組件，是指針的集合。 裝配時，從開始進(jìn)入裝配界面，選擇裝配和加載選項(xiàng)，選擇添加組件選項(xiàng)，選 擇合適的定位方式添加組件。按此方法逐一添加組件，組件之間選擇接觸對齊 平行、垂直等裝配約束方式進(jìn)行相互間的定位。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 17 圖 1.UG 創(chuàng)建的導(dǎo)軌三維圖 圖 2.部件間的裝配 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 18 3.3 創(chuàng)建機(jī)床運(yùn)動模型 完成裝配后，就有了機(jī)床的整體視圖。進(jìn)入機(jī)床構(gòu)造器 MTB 進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動模 型的定義并在機(jī)床導(dǎo)航器中重新命名新添機(jī)床名 mill3ax.運(yùn)動模型是用來描述機(jī)床 運(yùn)動的，定義了運(yùn)動模型后各組件的運(yùn)動方式才得以確定。 3.3.1 定義機(jī)床基礎(chǔ)部件 機(jī)床基礎(chǔ)部件是定義機(jī)床運(yùn)動關(guān)系的基礎(chǔ)是機(jī)床導(dǎo)航器中關(guān)系樹的根，一般定 義機(jī)床床身。 3.3.2 定義機(jī)床運(yùn)動組件和分類 根據(jù)機(jī)床部件和裝配關(guān)系在上級部件下插入所要添加的 k 組件定義，k 組件的 父子關(guān)系決定了它們的依存關(guān)系。當(dāng)定義 PART、 BLANK、FIXTURE 等設(shè)備組件 時只需先定義名稱并分類，不必指定幾何對象。分類的目的是在進(jìn)行碰撞干涉檢查 時，可以按照類進(jìn)行檢查。通常對毛坯、工件和夾具進(jìn)行分類。 3.3.3 創(chuàng)建聯(lián)接坐標(biāo)系和分類為了便于描述機(jī)床各運(yùn)動副之間的相對運(yùn)動關(guān)系分別在 機(jī)床原點(diǎn)、工件和刀具上建立同向平行的坐標(biāo)體系，并且使機(jī)床處于初始狀態(tài)時， 工件坐標(biāo)系、刀具坐標(biāo)系坐標(biāo)方向均與機(jī)床坐標(biāo)系一致。 1)首先必須在機(jī)床基礎(chǔ)件上定義機(jī)床坐標(biāo)系和機(jī)床原點(diǎn)，用于指定機(jī)床各組件 圖 3.創(chuàng)建機(jī)床運(yùn)動模型 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 19 的運(yùn)動方向，因此機(jī)床坐標(biāo)系軸的方向的確定很重要，但原點(diǎn)的位置可以定義在機(jī) 床的任意位置。創(chuàng)建一個名為 MACHINE_ZERO，分類為 MachineZero 的連接坐標(biāo) 系。 2)在機(jī)床工作臺上創(chuàng)建一個名為 PART_MOUNT_JCT 的連接，用于在模擬仿真 時，安裝加工工件將零件安裝坐標(biāo)系定在當(dāng)前坐標(biāo)系位置。PART_MOUNT_JCT 實(shí) 際上定義工件在機(jī)床上安放時的參考點(diǎn)，即裝卡原點(diǎn)。同樣方式在刀具主軸端面創(chuàng) 建一名為 TOLL_MOUNT_JCT 的連接，用于模擬仿真時安裝刀具。應(yīng)注意坐標(biāo)系 方向，X 軸為刀具安裝軸。 圖 4.建立機(jī)床原點(diǎn) 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 20 3)創(chuàng)建機(jī)床運(yùn)動軸：該功能的作用機(jī)床組件的運(yùn)動形式，定義 XYZ 軸的運(yùn)動 行程和連接關(guān)系。 圖 5.創(chuàng)建刀具安裝連接 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 21 3.4 機(jī)床入庫 建好運(yùn)動模型后，用機(jī)床模型文件路徑將設(shè)置好的機(jī)床加入機(jī)床庫以便調(diào)用。 修改機(jī)床庫文件 在...MACH\resource\library\machine\ascii\machine_data_dat 下添加新機(jī)床入口 DATA|mill3ax_fanuc_mm|1|3- AxMillVertical|Fanuc|Example|${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_MACHINES_ DIR}mill3ax\mill3ax_fanuc_mm.dat|1.000000|${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_ MACHINES_DIR}mill3ax\graphics\mill3ax 使機(jī)床庫指向 mill3ax.dat 文件以便在該.dat 文件中，定義將用的機(jī)床后處理器。 圖 6.定義機(jī)床運(yùn)動軸 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 22 執(zhí)行完以上操作步驟將生成一個完整的虛擬機(jī)床，當(dāng)需要時就可以在機(jī)床庫中 調(diào)出并可實(shí)現(xiàn)該機(jī)床仿真運(yùn)動和生成加工 NC 程序。 虛擬機(jī)床仿真加工與驗(yàn)證 將建立好的機(jī)床添加到虛擬仿真機(jī)床庫之后就可以通過后置處理實(shí)現(xiàn)加工過程 仿真及驗(yàn)證。 a)首先在加工環(huán)境下打開要驗(yàn)證的以生成刀具路徑的加工件，使導(dǎo)航器切換到 刀具導(dǎo)航器，并載入建立好的機(jī)床運(yùn)動模型。 b)定義加工件及夾具，打開機(jī)床構(gòu)造導(dǎo)航器在載入的虛擬機(jī)床上定義機(jī)床加工 件、毛坯及夾具等。 圖 7.調(diào)入虛擬機(jī)床 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 23 c)定義加工刀具，在 MTB 環(huán)境下對加工所需的刀具裝配模型進(jìn)行運(yùn)動模型定 義，方法與機(jī)床運(yùn)動模型的定義類似。如果不提供刀具運(yùn)動模型，系統(tǒng)可以根據(jù)加 工模型中的刀具參數(shù)自動創(chuàng)建一個加工刀具，因此這一步不是必須有的。 d)定義機(jī)床驅(qū)動器，為了模擬真實(shí)的機(jī)床 NC 控制器行為，需要定義虛擬 NC 控制器來控制虛擬機(jī)床，在 Post Builder 中為機(jī)床創(chuàng)建 POST 處理器時，可以自動 生成機(jī)床驅(qū)動文件。 e)進(jìn)行 ISV 仿真（載入刀具運(yùn)動模型與 ISV 的設(shè)置和實(shí)現(xiàn)） 最后刀具導(dǎo)航器或幾何體導(dǎo)航器選擇具體操作點(diǎn)右鍵激活仿真即可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)程 序的仿真加工。 圖 8.定義加工刀具、加工工件 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 24 圖 9.進(jìn)行運(yùn)動仿真 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2011 25 4.結(jié)論 利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，建立數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真模型，在此基礎(chǔ)上， 建立起提高數(shù)控機(jī)床運(yùn)動精度的優(yōu)化仿真模型同時運(yùn)用現(xiàn)代測量技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)手 段掌握數(shù)控機(jī)床在加工狀態(tài)下的動態(tài)性能和運(yùn)行規(guī)律，驗(yàn)證數(shù)控機(jī)床仿真模型的正 確性，從而為數(shù)控機(jī)床虛擬建模提供技術(shù)支持，是數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化以及實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè) 備遠(yuǎn)程監(jiān)控稱為可能。構(gòu)建了 MILL3AX 三軸聯(lián)動銑床虛擬模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控編程 的虛擬制造，比一些 CAD\CAM 單純?yōu)槲募抡娓鼮檎鎸?shí)、直觀、更為接近實(shí)際加 工情況。仿真后的 NC 程序不用試切，可直接輸入機(jī)床進(jìn)行加工，極大地提高了數(shù) 控編程的效率和品質(zhì)。 基于 UG 的三軸銑床運(yùn)動仿真 26 參考文獻(xiàn) [1] 黃鶴汀等. 機(jī)械制造裝備[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001. 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