1、目錄第一章 概述 1.1 課題研究內容 1.2 國內外相關技術現狀 1.3 課題分工及簡介 第二章 技術支持及其開展趨勢 2.1 虛擬制造的應用及開展2.2 相關軟件介紹 第三章 具體設計方案3.1 設計參數計算 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課題研究內容：本次設計的主要任務是立式銑削五軸五聯動加工中心，它具 有較強的數控功能，可以加工各種復雜輪廓外表的工件。可作銑、鏜、鉆孔等加工，廣泛應用于機械制造業。 它可以實現五軸控制、 五軸聯動。主軸電機采用交 流伺服驅動系統，可實現主軸的自動無級變速。它采用了自

2、動液壓拉松刀結構，使刀具交換方便快捷。 這一局部主要是主軸頭的設計，主軸頭可沿X、丫、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，機床可實現銑削空間前半球任意角度的加工它米用精密同步帶傳遞主傳動，米用伺服電機實現擺動，該主軸頭具有較高剛度，主軸轉速變換范圍寬。主軸電機為28KV，采用高速鋼或硬質合金刀具可進行高速度 的強力切削，主軸頭與滑枕作成別離式，便 于用戶安裝拆卸。主 傳動采用變六變頻的無級調速，便于用戶選用適合的切 削轉速和參數。這次設計的數據參數來源于

3、桂林機床廠，主要參數見下：40 GB3838.1-83無級010000 rpm無級28KW主軸錐孔主軸轉速級數 主軸轉速范圍 主軸轉數級數 主電機功率加工中心其它局部參數如下工作臺T型槽槽數9槽寬22 mm槽距160 mm工作臺行程縱向X4000 mm滑枕行程橫向丫2500 mm垂向Z1000 mm滑枕進給量范圍縱向X4000 mm橫向丫4000 mm垂向Z4000 mmA及C軸擺角A軸士 100 °C軸士 180 °A及C軸轉速05 rpm進給電機扭矩縱向X39 Nm橫向丫26 Nm垂向Z26 Nm工作臺面積1600 X 4000 mm機床體積長 X寬X高9400X 43

4、00X 3900 mm機床凈重38000 Kg1.2國內外相關技術現狀：五軸聯動數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，在現代工業中有 非 常重要的應用價值。在五軸聯動數控加工中心的開發過程中，自動萬能銑頭是關鍵技術，目前國內只有很少數幾個廠家正在開發和生產自動萬 能銑頭，主要還處于搜 集技術資料和研究階段。而國外一些興旺 國家中，自動萬能銑頭已經普遍應 用于立式和龍門式數控銑床以 及數控加工中心。使銑床到達五軸聯動，實現 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。 研究開發五軸加工中心要求具有較高的性能技術指標

5、，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。 而興旺國家在進出口技術含量高的五軸聯動加工 中心方面， 對我國進行限制， 因此，五軸聯動數控加工中心的研 究開發是一個難度比擬大的工程。在我國現在比擬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 18OOOr/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

6、。它 具有以下特點：1 先進的設計，用 CAD/CA 系統完成最優的結構設計。2 高剛性結構，根底大件為鑄件，主要零部件經有限元分析，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。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 FANU 數控系統，也可按用戶需求選裝。北京機電研究院的 VMC750F/VMC750F 五軸聯動立式加工中 心。它具有以下特點：1 這種五軸聯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

7、技術行業。2 加工范圍大，工件安裝空間可達 ？ 420x? 370x300 。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 軸附加行程減小。3具有 10 個通道， 50 個伺服軸， 8 軸聯動。 此外，北京第一機床 , 桂林機床廠、北京第三機床廠等的數 控高速銑床，主軸轉速均達 10 000r min 以上。常州機床總廠 的五軸聯動的數控龍門式加工中心采用電主軸最高 轉速lOOOOr / min,功率18kWz 15k。漢江機床廠和華中數控公司的 5軸聯 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 數控車削 中心，主軸回轉精度小于 0.

8、2 ym,主軸最高轉速8 OOOr /min。本課題利用以設計為中心的虛擬制造技術開發研制五軸聯 動數控加工 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、仿真技術和虛擬現實技術為支持， 在高性能計算機及高速網絡中，采 用群組協同工作，通過虛擬模 型來模擬和預估產品功能、性能及可加工性等 各方面可能存在的 問題，在虛擬環境下實現產品制造的全過程，包括產品的 設計、 工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗， 并進行過程管理與 控制。 既在產品設計或制造系統的物理實現之前，就能使人體會 或感受到未來產品 的性能或者制造系統的狀態，從而可以做出前 瞻性的決策與優化實

9、施方案。 1.3 課題分工及簡介：本課題的具體內容分兩局部： 1五軸聯動數控加工中心的設計方案進行虛擬建模，并在建 模的過程中 不斷發現問題、解決問題，進一步優化設計方案。本 課題采用 Pro/Engineer 軟件對設計方案進行虛擬建模，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 干預檢驗等特性。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、 方案評價和制造本錢等分析結果。 本課題將采用 MDI 公司的 ADAM 軟

10、件和 SDRS 司的 I-DEAS 軟件對虛擬建模的局部重要模塊進行裝配級產品的運動 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， 我們同組的六個人對整 機工作進行 了分工：我主要負責主軸系統及 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開展趨勢本課題利用以設計為中心的虛擬制造技術開發研制五坐標聯動數控加工 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

11、面就相關技術支持給予介紹。2.1 虛擬制造 VM( Virtual Manufacturing )的應用及開展 虛擬制造是一 種新的制造技術，它以信息技術、仿真技術、 虛擬現實技術為支持，在產品 設計或制造系統的物理實現之前， 就能使人體會或感受到未來產品的性能或 者制造系統的狀態，從 而可以作出前瞻性的決策與優化實施方案。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。 “環境，是指提供的各種分析工具、設備 以及組織方法，并以協同工作的方 式，支持用戶構造特定用途的制造仿真。“

12、運行，指的是利用上 述環境進行構造和操作特定的制造仿真。 “改善， 指的是增加其 精度和可靠性。“層次，指的是從產品概念設計到回收利用 的各 個階段、從車間級到執行位置的各個等級、從物質的轉換到信息 的傳遞 等各個方面。 “決策和“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行的制造模式，對未 來制造業的 開展產生深遠影響，它的重大作用主要表現為：(1) 運用軟件對制造系統中的五大要素 ( 人、組織管理、 物流、 信息 流、能量流 ) 進行全面仿真，使之到達了前所未有的高度集 成，為先進制造 技術的進一步開展提供了更廣闊的空間，同時也 推動了相關

13、技術的不斷開展 和進步。(2) 可加深人們對生產過程和制造系統的認識和理解，有利 于對其進行 理論升華，更好地指導實際生產，即對生產過程、制 造系統整體進行優化配 置，推動生產力的巨大躍升。(3) 在虛擬制造與現實制造的相互影響和作用過程中，可以 全面改良企業的組織管理工作，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人才的培養速度。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參加到產品設計與工藝設計過程中，并在計算機中進行數字化“制造 ，仿 真多種制造方案，檢驗其可制造性或可裝配性，預測產品性能和 報價、本錢。其主要目的是通過“制

14、造仿真來優化產品設計及 工藝過程， 盡早發現設計中的問題。(2) 以生產為中心的 VM 這類研究是將仿真能力參加到生產方案模型中，其目的是方便和快捷地評價多種生產方案，檢驗新 工藝流程的可信度，產品的生產效率，資源的需求狀況(包括購置新設備、征詢盟友等 )，從而優化制造環境的配置和生產的供給方案。(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，提供對實際生產過程仿真的環境。其目的是在考慮車間 控制行為 的根底上，評估新的或改良的產品設計與車間生產相關 的活動，從而優化 制造過程，改良制造系統。VM 的技術特征虛擬現實(Virtual Reality, VR)技術是在人類為改善人

15、與計算機的交互方式，提高計算機可操作性所進行的努力中產生 的。它是指 綜合利用計算機圖形系統、各種顯示和控制等接口設 備，在計算機上生成 的、可交互的三維環境(稱為虛擬環境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局部處于計算機生成的空間 之中。由圖形系統 及各種接口設備組成的，用來產生虛擬環境并 提供沉浸感覺，以及交互性 操作的計算機系統，稱為虛擬現實系 統。虛擬現實系統包括操作者、機器和人一機接口三個根本要 素，其中“機 器是指安裝了適當的軟件程序，用來生成用戶能 與之交互的虛擬環境的 計算機，“人一機接口那么是指將虛擬 環境

16、與操作者連接起來的傳感與控 制裝置。與其他計算機系統相比，VR系統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 系統可以對真實世界進行動態模擬，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境，使用戶產生身 臨其境的 沉浸感覺，并充分發揮他們的想像力，來提高所創造的 虛擬環境的性能。 因此，并互性 (Interaction) 、沉浸性(1mmersion) 和想像力 (Imagination) 成為 VR 系統在人一機關系 上的基 本特征。這三個根本特征

17、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創 建的環境中去；從只能通 過鍵盤、鼠標同計算機環境中的單維數 字化信息發生交互作用，到能用多 種傳感器同多維化信息發生交 互作用；從只能從以定量計算為主的結果得 到啟發，到有可能從 定性和定量綜合的環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 流以及生理反響等 多種接口系統。(2) 軟件技術。軟件技術必須考慮虛擬環

18、境的建模以及所建 環境的可 交互性、可漫游性等。(3) 虛擬現實計算平臺。計算平臺是指在 VR 系統中綜合處理 各種輸 入信息并產生作用于用戶的交互性輸出結果的計算機系統，由于 VR 系統的信息加工是實時的，虛擬環境的建模、 I/O 工具的快速 存取以及真實的視覺動態效果等需要大量的計算開 銷。2制造應用技術(1) 建模。虛擬制造系統應當建立一個包容生產模型、產品模型、工藝模型的健壯的體系結構。(2) 仿真。仿真包括產品開發設計過程仿真和產品制造過程的仿真。虛擬制造系統中的產品開發涉及到產品建模仿真、設計 過程規劃仿真、設 計思維過程和設計交互行為等仿真。產品制造 過程仿真包括制造系統仿真和具

19、體加工過程仿真。(3) 可制造性評價。可制造性評價方法可分為兩類：第一類 直接根據 評判規劃，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， 借助于本錢和時間等標準來檢 測是否可行或尋求最正確方案。2.2 相關軟件介紹1. Pro/Engineer 2000iPro Engineer 是 美 國 PTC ( Parametric Technology Corporation 參數技術公司 ) 出品；是當今非常流行也非常適 用、非常成熟的使用 參數化的三維特征造型技術的大型 CAD CAM / CAE 集成軟件。一 概述Pro E ngineer 功能強大，它目前已廣泛

20、應用于工業設計、 機械設計、 輔助制造、數據管理等領域，特別是在模具設計和制 造行業有著廣泛應用， 是從事模具設計和制造的廣闊技術人員應 該掌握的有效工具。該軟件近年來 在我國的各企業正逐步得到廣 泛地應用， 也深受廣闊設計人員的推崇和喜愛。Pro /Engineer是建立在單一數據庫上的 CAD/CA系統。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 需要而發生改變，那么在整個設計的 相關環節也會隨著改變。 由 Pro Engineer 系統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， Pr

21、oEngineer 系統能將 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 區最普及的 3D CAD/CAMK 統。 Pro/Engineer 在今日儼然 成為世界 3D CAD/CA 啄統的標準軟件。二參數式設計特點 所謂參數式設計就是將零件尺寸的設計用參數來描述，的思想并在 設計修改時通過修改參數的數值來更改零件的外形。參數式設計 在工業界中傳播了許多年， 1988 年， Pro / Engineer 以參 數式設計的思想問 世以后，業界人土即對參數式設計的 CAD/CAM 系統翹首以待。 Pro Eng

22、ineer 對于傳統機械設計工作來說，有 相當大的 幫助作用，因為 Pro Engineer 中的參數不只代表設計 對象的外觀相關尺 寸，并具有實質上的物理意義。例如我們可以 運用系統參數 System parameters ，如體積、外表積、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 User defined parameters ，如密度、厚 度等具有設計意義的 物理量或字符串 參加設計構思中，來表達設計思想。這項參數 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 系統的特點1單一數據庫 單一數據庫是指工程中的

23、資料全部來自一個庫，使得多 個用 戶可以同時為一件產品造型而工作，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生改變，那么在整個設計的相關環 節也會隨著改變。 Pro Engineer 系統就是建立在單一數據庫上 的 CAD/CAM 系統，它的優 點是顯而易見的。如在零件圖和裝配圖 都已完成的情況下，又發現某一處需 要改動，我們只需改動零件 圖或裝配圖上的相應局部，那么在其他局部與之 相 應局部也會隨之改變廣包括數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 Engine

24、er 的圖形 設計是基于三維的， 它與傳統的二維繪圖有著本質的區別。在 Pro Engineer 中，我們生成的零 件是實實在在的三維實體， 不再是 傳統的線托架模型。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，系統還能容易的計算出實體的外表 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。3參數式設計Pro En

25、gineer 系統配合其獨特的單一數據庫設計，將每一 個尺寸視 為一可變的參數。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 尺寸來 重新 生成 Regenerate 圖形，從而 使繪制的圖形到達設計者的要求。充分 利用參數式設計的優點，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境： 在一個階 段所作的修改所有的其他階段都有效。比方，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，那么該修改在

26、其他地方都有效，相應尺寸都會更改，這也 正是Pro Engineer單一數據庫的表達。5參數式關系在 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，特別是在機械設計中有需要配合的地方，利用參 數式關系有很大的方 便。比方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 上適當的間隙，設單 邊間隙為 a, 那么 dl=d0+2a 。這樣，當凸模的尺寸發生改 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 I

27、nventorR2:Autodesk Inventor 是現今使用的和用來學習三維模型系統 最為快捷、 容易的軟件。 Autodesk Inventor 軟件, 基于機械設 計中的分開的數據庫系 統, 它可以在 Microsoft 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用于當前的產品數據管 理PDM, 工程資源規劃 ERP 和生產資源規劃MRP。三維數據 資料通過STEP 轉換器

28、與 Inventor 可以互相兼容。第三節 具體設計方案3.1 設計參數計算一主軸組件設計計算： 軸和其上零件組成的系統稱為軸系 ,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 軸器與制動器等。 在機械設備中 , 由于位置或性質的重 要性, 或工作環 境的特殊性 , 軸系成為其中的關鍵 , 無論在設 計中或制造本錢中都占有 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

29、：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 初進行原那么性選 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 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，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， 應根據軸的長度及工件與非工件狀態 時 的溫差， 設計適宜的伸長自由度， 過小將在軸和軸承內產生附 加壓力， 過大有時會產生軸向竄動。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， 軸體內通常

30、需要開設滑油通道， 采用接觸式 密封那么要 求相配的軸頸淬硬并磨削， 采用迷宮式潤滑， 螺旋式 密封時，軸的外表 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， 防止在一端輸入載荷。B. 減載機構 防止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， 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

31、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

32、，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，軸承間隙調整不便，前支承處發熱量大， 但能保證較好的 剛度。由此，選擇前端固定的固定方式，主軸軸承根據設計要 求，選擇 可以實現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 聯組配，前兩個都面朝前，共同承擔軸向載 荷，后軸承背靠背，以實現 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

33、根據統計資料 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) 主軸懸臂伸量確實定主軸懸臂伸量 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。根據分析和實 驗，縮短懸伸量可 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 驗 公 式 13.22 得 : Fc

34、=6*10E4*Pc/Vc 式中 Pc 銑削功率 KWVc 銑 削速度 m/mi nFc=6*10E4*22/251=5258N參考銑刀逆銑情況由式 1313-20 得:Fh=1.2Fc=6310NFv=0.3Fc=1577NF=y FhA+FvA=6504N暫取 L/a=4 ，由結構確定 a=54mm 故前后支承反力 分別為：Ra=F ( 1+a/l ) =6504 (1+1/4 )=8130NRb=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 2( Frdb (iz ) ACosa 5 次方)式中 Fr 作用于軸承上的徑向載荷

35、 查軸承樣本，額定的載荷 C=79.6KN取 Fr=C/10=7960Ndb 球徑 由2表 4.3-5 取 db=14.288mm z 球數由2表 435 取 z=20 a 接觸角 a =26°故 Ka=1.18*3 次 2 ( 7960*14.288*20A*Cos26 的 5 次方)=493 N/ 卩 mKb=3.44*3 V(Fa*dbzASin26 的 5 次方)=296 N/ 卩 m2) 求最正確跨距：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-

36、0.048f4 )=59.1E-8mf4貝 Un =EI/( Ka*af3 )=2.1E11*59.1E-8/(493*0.054f3*E6 ) =1.6由2線圖4330查得I。/a=4.2與假設值相差不大，可以認為跨 矩是合理的。(4) 軸內孔直徑確實定 本設計中主軸內孔要通過拉桿，確定孔徑的原貝是在 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。銑床內孔直徑 4=拉桿直徑 +( 5-10 ) mm 根據選定的拉桿和彈簧確定其內 孔直徑 d=55mm(5) 主軸軸承 根據上面主軸結構的設計選擇軸承如下： 前端軸承采用三聯組配， 由12 表 13-78 ，查得角

37、接觸球 軸承為特輕 ( 1 ) 系列 46118 軸承，參數 如下：d=90mm D=140mmB=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，參數如下：d=80mm D=125mmB=22mm C=42500N C =40500N 極限轉速為 8000r/min3. 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：TFr由所選定軸承可知 C=52000N C。=50500N由前計算可知 R仁8130N R2=1626N2)

38、計算軸向力S 仁 0.68R1=0.68*8130=5528.4NS2=0.68R2=0.68*1626=1105.68NA 仁 Fa+S2=1605.68NA2=S2=1105.68NA1/C。 =1605.68/50500=0.0318A2/C。 =1105.68/50500=0.02193) 求兩軸承擔量載荷A1/R1=1605.68/8130=0.1975 0.68A2/R2=1105.68/1626=0.68=0.68對前端軸承X仁1 丫仁0對后端軸承X2=1 Y2=0因軸承運轉中有中等沖擊載荷，由表取 fp=1.25 那么P仁fp( X1R1+Y1A)1 =10162.5NP2=f

39、p( X2R2+Y2A)2 =2032.5N4) 驗算軸承壽命因為P1P2所以按軸承1的受力大小進行驗算Lh=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，潤滑劑和潤滑方式決定于 軸承的類型、速度和工 作負荷。如果選擇適宜，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， 沒有泄露問題， 滾動軸 承應盡量選用脂潤滑。且脂

40、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，否那么將引起過多的發熱，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

41、的特性， 適用于軸向空間要求 較小的地 方。鋼板厚度的比值E,可以得到各種不同的彈簧特性曲線。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。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F仁1000N F2=15000N 之間的 循環 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確定系數根據表列 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=1.3782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

42、摩擦系數fr=0.01碟片所受載荷:F1=Fz1 ( 1-fr(n-1/n )=10000*( 1-0.01* (4-1)/4)=2425NF2=Fz ( 1-fr (n-1)/n)=15000*( 1-0.01* (4-1)/4)=3637.5N彈簧被壓時的載荷Fc=4t/(1-口A/*tf3hy/(K1*DJ=4*206E3 心-0.3A)*2f3*1.6/(0.694*56J=5325N3 碟簧變形量計算由以上可知 F1/Fc=0.45F2/Fc=0.68故由表15-6查得f1/h=0.38 得f1=0.38h 。 =0.38*1.6=0.608mmf2/h 。 =0.68 得f1=0.

43、68h 。 =0.68*1.6=1.008mm4) 組數和結構尺寸 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 !3.2 造型設計本次三維造型設計用的軟件主要是 Pro/Engineer2000i 。前 面的第二章已經對此軟件的特點及功

44、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，即根本截形，根本的三維 實體模型，在根本實 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：根本截形生成根本特征生成附加特征(圖 3-01 )、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，它們都是由假設干個表 面組成的，這些外

45、表之間都有相對的位置要求，比方面與面之間的尺寸、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。因此，所謂的基準是指確 定點、線、面所依據的點、 線、面。在 Pro/Engineer系統 中，我們要設計出尺寸位置都 符合設計要求的模型，也必須在操作過程中依據一定的點、 線、 面，這些點、線、面就是我們在Pro/Engineer系統中的基準。 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。可以說，基準的正確合理的建立是快

46、速準確建模的關鍵。在Pro/Engineer系統中，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(Coordinate 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根底模塊 (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

47、方法，一種是在PRO/E環境中， 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，系統直接進 入草圖模式，用戶進行二維截 面圖形繪制。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 參數化定義， 從而將草圖變為準確的截面圖形。使用智能意向管理器 繪 圖時， PRO/E 系統

48、會自動做些假設來猜想設計者的繪圖意 向。3 實體零件建模在草圖繪制即根本截形完成后， 就要進一步實現三維 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 統還能容易計算出實體的外表積、 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。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 可分為根底特征，附加特征及特征操作。根底 特征的生成包括在根本 截形的根底上產生擠塑、薄體、旋 轉、掃描、混成等特征。根底特征生成之后， 所生成的只是一些很簡單的模型， 而在我 們的生活和工業生產領域中所見到的實體模型的外 形大多都是很復 雜的，比方一個零

49、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，又比方 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 系統中，在根底特征的根底上 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。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系統進行工程設計時，創立完實體模型后，都需要將各個零件按一定的要求裝配起來。通過裝

50、配的過程，我們可以檢查各個零件之間是否發生干預，各個零件 是否不合理的地方，然后再進行 適當的修改以到達完善設 計的目的。裝配最后得到的滑枕的模型的剖 視圖，見下列圖:圖 4-01具體裝配過程重要。因為在進行整體裝配過程中，考慮各個零件的裝配順序非常在實際裝配中各個零件之間是否干預，是否裝配可行都會在此虛擬裝配過 程當中得到表達。這一步驟可以提 前豫知這些可能發生的問題，然后及時 的修改，這樣就防止 了大量的經濟和人力的損失。根據屢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：主要包括主軸系統極其附件(并把它作為一個整體的部件進

51、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:圖 4-022 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生 干預，以 及各個零件的結構是否符合裝配原那么， 是否裝配可行。 假設通過裝配仿真檢 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

52、。 所以說，裝配仿真 也是此次設計任務中很重要的一局部。 同時，也是在進行虛擬 制造過程中必不可少的局部。裝配仿真可以在 Pro/Engineer2001 中實現，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 翻開最終裝配好的組合件的模 型 AsmOO20 翻開 file f 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 0K這 樣保存了 STEP 格式的新文件。見圖 4-01 及圖

53、4-02 圖 4-01 圖 4-022 翻開InventorR2，在選擇新建類型 New DefaultStandard.ipn。然后點擊“確定。建立了 Presentation1。見 圖 4-03。圖 4-033.翻開file f open。選擇第一步中保存的文件的路徑j Jnat*4? vic lomLlo“1 Mfrstage- | 2 HiHp. 甲申 Fl二 mJ 旦 JI剛M旦廚旦Review rtotr：選擇STEP格式，翻開。見圖4-04E.3 iu Iay jjaXpOQ 3| 血 SAri 二.*可亠f"E3L1羋審«圖4-04 GU ff fiP d?

54、同上的相同路徑，p4L在EeFilee f Save copy as，選擇保存路徑，此處選擇L=耳HE保存文件格式為Assembly格式，點擊“確定。見圖4-05圖 4-055.在 Presentation1的界面中的“ Presentation ViewMan age 菜單中的“ Creat View 一 彈出 Select Assembly ，在“ Assembly 的“ File 選項中選擇剛剛保存的文件，單擊OK。見圖 4-06"1A|H|E 1.3 nAc4r tL? lp- a? Q m 晁？ 11 - P |皿|耐| E3 口 8密婭心已曰？ m回団笳+I Mw5X? I 電 H* pr