毕业设计（论文）立式铣削五轴五联动加工中心设计

提供完整版的各专业毕业设计，目录第一章 概述- 1.1 课题研究内容- 1.2 国内外相关技术现状-1.3 课题分工及简介- 第二章 技术支持及其发展趋势-2.1 虚拟制造的应用及发展-2.2 相关软件介绍- 第三章 具体设计方案3.1 设计参数计算-3.2 造型设计-第四章 装配及其仿真4.1 零件的装配-4.2 装配仿真-第五章 设计结论及参考文献- 第一章 概述1.1 课题研究内容：本次设计的主要任务是立式铣削五轴五联动加工中心，它具有较强的数控功能，可以加工各种复杂轮廓表面的工件。可作铣、镗、钻孔等加工，广泛应用于机械制造业。它可以实现五轴控制、五轴联动。主轴电机采用交流伺服驱动系统，可实现主轴的自动无级变速。它采用了自动液压拉松刀结构，使刀具交换方便快捷。这一部分主要是主轴头的设计，主轴头可沿X、Y、Z三个方向移动，并可绕A（B）、C轴作旋转运动，具有很大的灵活性，且加工性能好。安装专用刀杆及附件，可以加工平面，斜面、螺旋面、沟槽、花键、弧形槽等等。通过转动的主轴头，机床可实现铣削空间前半球任意角度的加工它采用精密同步带传递主传动，采用伺服电机实现摆动，该主轴头具有较高刚度，主轴转速变换范围宽。主轴电机为28KW，采用高速钢或硬质合金刀具可进行高速度的强力切削，主轴头与滑枕作成分离式，便于用户安装拆卸。主传动采用变六变频的无级调速，便于用户选用适合的切削转速和参数。这次设计的数据参数来源于桂林机床厂，主要参数见下：主轴锥孔 40 GB3838.1-83主轴转速级数 无级主轴转速范围 010000 rpm主轴转数级数 无级主电机功率 28KW加工中心其它部分参数如下 工作台面积 16004000 mm 工作台T型槽 槽数 9 槽宽 22 mm 槽距 160 mm 工作台行程 纵向X 4000 mm 滑枕行程 横向Y 2500 mm 垂向Z 1000 mm 滑枕进给量范围 纵向X 4000 mm 横向Y 4000 mm 垂向Z 4000 mm A及C轴摆角 A 轴 100 C 轴 180 A及C轴转速 05 rpm 进给电机扭矩 纵向X 39 Nm 横向Y 26 Nm 垂向Z 26 Nm机床体积（长宽高） 940043003900 mm机床净重 38000 Kg1.2 国内外相关技术现状：五轴联动数控加工中心是功能强，结构复杂，技术含量高的机床，它广泛应用于航天、航海、汽车等领域，在现代工业中有非常重要的应用价值。 在五轴联动数控加工中心的开发过程中，自动万能铣头是关键技术，目前国内只有很少数几个厂家正在开发和生产自动万能铣头，主要还处于搜集技术资料和研究阶段。而国外一些发达国家中，自动万能铣头已经普遍应用于立式和龙门式数控铣床以及数控加工中心。使铣床达到五轴联动，实现四面体和五面体加工，可以大大提高铣床的自动化水平和工艺范围以及工作效率。研究开发五轴加工中心要求具有较高的性能技术指标，不仅要具有多坐标复杂曲面的加工功能，而且还要满足高速度、高刚度和高精度的要求。而发达国家在进出口技术含量高的五轴联动加工中心方面，对我国进行限制，因此，五轴联动数控加工中心的研究开发是一个难度比较大的项目。在我国现在比较先进的相关机床主要有：沈阳机床集团的HS-60卧式加工中心。主轴最高转速达18 0O0rmin，快移速度高达60mmin，加速度达1g。北京机床研究所的KT1300VB型立式加工中心，主轴最高转速达12000rmin,换刀时间为1.5s，快移速度为40mmin。北京机电研究院的VMC750 II/VMC1000 II立式加工中心。它具有以下特点： 1） 先进的设计，用CAD/CAM系统完成最优的结构设计。 2） 高刚性结构，基础大件为铸件，主要零部件经有限元分析，确保高刚性。 3）主轴轴承采用进口的油气润滑装置进行油气润滑。 4）采用凸轮机械手换刀，换刀时间仅2s。 5） 刀库容量24把。 6） 采用A2100或FANUC数控系统，也可按用户需求选装。 北京机电研究院的VMC750F/VMC750F II五轴联动立式加工中心。它具有以下特点： 1）这种五轴联动立式加工中心是在立式加工中心上配置可倾回转工作台，可对各种空间立体型面进行五轴联动加工，特别适用于加工叶轮类零件，用于机械制造、航空航天、汽车、摩托车、模具等高技术行业。 2） 加工范围大，工件安装空间可达420x370x300。转台台面在倾斜轴下40mm，工件安装偏离摆动中心距离小，加工误差小，加工时Y轴附加行程减小。 3）具有10个通道，50个伺服轴，8轴联动。此外，北京第一机床,桂林机床厂、北京第三机床厂等的数控高速铣床，主轴转速均达10 000rmin以上。常州机床总厂的五轴联动的数控龙门式加工中心采用电主轴最高转速10O00rmin，功率18kW15k。汉江机床厂和华中数控公司的5轴联动的卧式加工中心。北京机床研究所的世界先进水平的高精度高速数控车削中心，主轴回转精度小于0.2m，主轴最高转速8 0O0rmin。本课题利用以设计为中心的虚拟制造技术开发研制五轴联动数控加工中心。虚拟制造技术是刚提出的面向21世纪的先进制造技术，它是以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持，在高性能计算机及高速网络中，采用群组协同工作，通过虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，在虚拟环境下实现产品制造的全过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。既在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案。1.3 课题分工及简介： 本课题的具体内容分两部分：1）五轴联动数控加工中心的设计方案进行虚拟建模，并在建模的过程中不断发现问题、解决问题，进一步优化设计方案。本课题采用Pro/Engineer软件对设计方案进行虚拟建模，完成整个加工中心的虚拟装配，获得虚拟模型的可装配性、可制造性和干涉检验等特性。2）加工中心虚拟模型进行运动学和动力学仿真，来模拟和评估加工中心的功能、性能等各方面可能存在的问题，包括动力学、运动学、有限元、精度、加工和装配性等虚拟仿真分析，得到接近实际加工中心的设计参数、方案评价和制造成本等分析结果。本课题将采用MDI公司的ADAMS软件和SDRC公司的I-DEAS软件对虚拟建模的部分重要模块进行装配级产品的运动学及动力学仿真及有限元分析，并使用Pro/Engineer2001及InventorR2软件对整机的装配模型进行装配及运动学仿真。考虑到每个人的具体情况及工作量，我们同组的六个人对整机工作进行了分工：我主要负责主轴系统及C轴进给既滑枕的设计造型极其装配仿真。第二章 技术支持及其发展趋势 本课题利用以设计为中心的虚拟制造技术开发研制五坐标联动数控加工中心。在设计中还主要用到的相关软件有Pro/Engineer2000i, Pro/Engineer2001及InventorR2等。下面就相关技术支持给予介绍。2.1 虚拟制造VM（Virtual Manufacturing）的应用及发展 虚拟制造是一种新的制造技术，它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以作出前瞻性的决策与优化实施方案。 虚拟制造是一个集成的、综合的可运行制造的环境，用来改善各个层次的决策和控制。这里的“综合”，指的是既有真实的，又有仿真的对象、活动和过程，是一种混合的状态。“环境”，是指提供的各种分析工具、设备以及组织方法，并以协同工作的方式，支持用户构造特定用途的制造仿真。“运行”，指的是利用上述环境进行构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。“层次”，指的是从产品概念设计到回收利用的各个阶段、从车间级到执行位置的各个等级、从物质的转换到信息的传递等各个方面。“决策”和“控制”，指的是进行改变而掌握其影响，预测效果的真实性。 虚拟制造技术的应用将从根本上改变现行的制造模式，对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为： (1)运用软件对制造系统中的五大要素(人、组织管理、物流、信息流、能量流)进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。 (2)可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。 (3)在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确做出决策有不可估量的作用。 (4)虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。VM可以分为以下几个类别： (1)以设计为中心的VM。这类研究是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行数字化“制造”，仿真多种制造方案，检验其可制造性或可装配性，预测产品性能和报价、成本。其主要目的是通过“制造仿真”来优化产品设计及工艺过程， 尽早发现设计中的问题。 (2)以生产为中心的VM。这类研究是将仿真能力加入到生产计划模型中，其目的是方便和快捷地评价多种生产计划，检验新工艺流程的可信度，产品的生产效率，资源的需求状况(包括购置新设备、征询盟友等)，从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。 (3)以控制为中心的VM。这类研究是将仿真能力增加到控制模型中，提供对实际生产过程仿真的环境。其目的是在考虑车间控制行为的基础上，评估新的或改进的产品设计与车间生产相关的活动，从而优化制造过程，改进制造系统。VM的技术特征 虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是在人类为改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性所进行的努力中产生的。它是指综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境(称为虚拟环境Virtual Environment)中提供沉浸感觉的技术。这里的“沉浸”，是指用户感觉其视点或身体的某一部分处于计算机生成的空间之中。由图形系统及各种接口设备组成的，用来产生虚拟环境并提供沉浸感觉，以及交互性操作的计算机系统，称为虚拟现实系统。虚拟现实系统包括操作者、机器和人一机接口三个基本要素，其中“机器”是指安装了适当的软件程序，用来生成用户能与之交互的虚拟环境的计算机， “人一机接口”则是指将虚拟环境与操作者连接起来的传感与控制装置。与其他计算机系统相比，VR系统可提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道(如视觉、听觉、触觉、味觉等)的人一机界面。VR系统不仅提高了人与计算机之间的和谐程度，也成为一种有力的仿真工具。 利用VR系统可以对真实世界进行动态模拟，计算机能够跟踪用户的交互输入，并及时按输入修改虚拟环境，使用户产生身临其境的沉浸感觉，并充分发挥他们的想像力，来提高所创造的虚拟环境的性能。因此，并互性(Interaction)、沉浸性(1mmersion)和想像力(Imagination)成为VR系统在人一机关系上的基本特征。这三个基本特征充分反映了人的主导作用：从过去只能由外部观看计算机处理的结果，到能沉浸到计算机系统创建的环境中去；从只能通过键盘、鼠标同计算机环境中的单维数字化信息发生交互作用，到能用多种传感器同多维化信息发生交互作用；从只能从以定量计算为主的结果得到启发，到有可能从定性和定量综合的环境中得到感性和理性的认识，让用户沉浸其中，以获取知识和形成新的概念。VR的关键技术包括： 1计算机及VR技术 (1)人一机接口。该接口覆盖了人类感知世界的多重信息通道。主要包括视觉、听觉、触觉、位置跟踪、运动接口、语言交流以及生理反应等多种接口系统。 (2)软件技术。软件技术必须考虑虚拟环境的建模以及所建环境的可交互性、可漫游性等。 (3)虚拟现实计算平台。计算平台是指在VR系统中综合处理各种输入信息并产生作用于用户的交互性输出结果的计算机系统，由于VR系统的信息加工是实时的，虚拟环境的建模、IO工具的快速存取以及真实的视觉动态效果等需要大量的计算开销。2制造应用技术 (1)建模。虚拟制造系统应当建立一个包容生产模型、产品模型、工艺模型的健壮的体系结构。 (2)仿真。仿真包括产品开发设计过程仿真和产品制造过程的仿真。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为等仿真。产品制造过程仿真包括制造系统仿真和具体加工过程仿真。 (3)可制造性评价。可制造性评价方法可分为两类：第一类直接根据评判规划，通过对设计属性的评价来给可制造性定级；第二类是对一个或多个制造方案，借助于成本和时间等标准来检测是否可行或寻求最佳方案。2.2 相关软件介绍 1. Pro/Engineer 2000i：ProEngineer是美国PTC(Parametric Technology Corporation参数技术公司)出品；是当今非常流行也非常适用、非常成熟的使用参数化的三维特征造型技术的大型CADCAMCAE集成软件。一 概述ProEngineer功能强大，它目前已广泛应用于工业设计、机械设计、辅助制造、数据管理等领域，特别是在模具设计和制造行业有着广泛应用，是从事模具设计和制造的广大技术人员应该掌握的有效工具。该软件近年来在我国的各企业正逐步得到广泛地应用，也深受广大设计人员的推崇和喜爱。 ProEngineer是建立在单一数据库上的CAD/CAM系统。工程中的资料全部来自一个库，使得多个用户可以同时为一件产品造型而工作，即在整个设计过程中，不管任何一个地方因为某种需要而发生改变，则在整个设计的相关环节也会随着改变。由ProEngineer系统能够生成实实在在的三维实体模型，能够真实地反映零件的形状。同时，ProEngineer系统能将三维模型转化为工程图，并能完成机器的装配。Pro/Engineer自1988年问世以来，10年间已成为全世界及中国地区最普及的3D CAD/CAM系统。Pro/Engineer在今日俨然成为世界3D CAD/CAM系统的标准软件。二 参数式设计特点所谓参数式设计就是将零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改参数的数值来更改零件的外形。参数式设计的思想在工业界中传播了许多年，1988年，ProEngineer以参数式设计的思想问世以后，业界人土即对参数式设计的CAD/CAM系统翘首以待。ProEngineer对于传统机械设计工作来说，有相当大的帮助作用，因为ProEngineer中的参数不只代表设计对象的外观相关尺寸，并具有实质上的物理意义。例如我们可以运用系统参数(System parameters，如体积、表面积、重心、三维坐标等)，或用户自行依设计流程需求所定义的用户定义参数(User defined parameters，如密度、厚度等具有设计意义的物理量或字符串)加入设计构思中，来表达设计思想。这项参数式设计的功能不但改变了设计的概念，并且将设计的便捷性推进了一大步。三 ProEngineer系统的特点1）单一数据库单一数据库是指工程中的资料全部来自一个库，使得多个用户可以同时为一件产品造型而工作，即在整个设计过程中，不管任何一个地方因为某种需要而发生改变，则在整个设计的相关环节也会随着改变。ProEngineer系统就是建立在单一数据库上的CAD/CAM系统，它的优点是显而易见的。如在零件图和装配图都已完成的情况下，又发现某一处需要改动，我们只需改动零件图或装配图上的相应部分，那么在其他部分与之相应部分也会随之改变广包括数控加工程序也会自动更新。2）3-D实体模型在使用ProEngineer系统进行工作的过程中，也许“实体造型”是我们最常用的词、汇，这也说明ProEngineer的图形设计是基于三维的，它与传统的二维绘图有着本质的区别。在ProEngineer中，我们生成的零件是实实在在的三维实体，不再是传统的线托架模型。这样，生成的模型直观，立体感强，并可以在任何角度进行观察。另外，系统还能容易的计算出实体的表面积、体积、重量、惯性距、重心等，使设计者很容易、很清楚地知道零件的特性。同时，由立体图来生成工程图(即常说的三视图)，只要我们造型的立体图没有错误，那么生成的工程图就没有错误，从而免去了设计者还要考虑各个视图之间的投影是否正确的问题，这是相当方便的，也能大大提高工作的效率和准确性。3）参数式设计ProEngineer系统配合其独特的单一数据库设计，将每一个尺寸视为一可变的参数。例如，在草绘图形时，先只管图形的形状而不管它的尺寸，然后通过修改它的尺寸来重新生成(Regenerate)图形，从而使绘制的图形达到设计者的要求。充分利用参数式设计的优点，设计者能够减少人工修改图或计算的时间，从而大大提高工作效率。4）全相关ProEngineer一个很重要的特点是有一个全相关的环境：在一个阶段所作的修改所有的其他阶段都有效。比如，当一个零件设计好，并装配在装配图中，而且生成了工程图。这时，你只要在任何一个阶段对该零件作任何一个地方的修改，则该修改在其他地方都有效，相应尺寸都会更改，这也正是ProEngineer单一数据库的体现。 5）参数式关系在ProEngineer中，设计者可利用不同尺寸之间的相互关系来限定相关尺寸，特别是在机械设计中有需要配合的地方，利用参数式关系有很大的方便。比如在冷冲模具设计中要求凸模和凹模有一定的配合关系，在此以圆形凸、凹模为例，假设凸模的直径是d0,而凹模的刃口尺寸山为凸模的尺寸加上适当的间隙，设单边间隙为a，则dl=d0+2a。这样，当凸模的尺寸发生改变时，总能得到正确的凹模尺寸，两者之间总有符合设计要求间隙，从而保证了设计的准确性。2. Autodesk InventorR2:Autodesk Inventor是现今使用的和用来学习三维模型系统最为快捷、容易的软件。Autodesk Inventor软件，基于机械设计中的分开的数据库系统，它可以在Microsoft Windows 操作平台中较为容易的进行非常的大的组合件的处理工作。具有适应性很强的平面设计方案的功能，首先，在进行详细地三维实体造型之前使用简单的平面布置方案，有助于草图的设计。也可以使用软件的应用程序设计接口结合Inventor 用于当前的产品数据管理(PDM)，工程资源规划(ERP)和生产资源规划（MRP）。三维数据资料通过STEP转换器与Inventor可以互相兼容。 第三节 具体设计方案3.1 设计参数计算 一主轴组件设计计算：轴和其上零件组成的系统称为轴系，轴是核心，直接与轴的功能配合的元件称为轴系元件，包括滚动轴承与滑动轴承，联轴器与制动器等。在机械设备中，由于位置或性质的重要性，或工作环境的特殊性，轴系成为其中的关键，无论在设计中或制造成本中都占有很大的比重。轴按其工作特点分为三大类，它决定着轴系的总体结构：1）心轴 2）传动轴 3）转轴其中转轴既用于支承转动零件，承受弯矩，又用于传递扭矩，是应用最广的类型。1 主轴组件的总体结构设计：主轴的总体结构设计必须考虑如下几个方面：1）轴承形式的选择轴承的形式直接影响主轴的结构，它分为滚动和滑动两大类，各类之中又包括众多形式，各有其适用场合。在设计之初进行原则性选择时，可参考各种轴承的常见结构，对其性能加以综合考虑，加以选择。2）自身的定位轴必须在轴向有定位措施，这主要靠轴承的组合结构来实现，有时也可靠相关零件的几何约束来保证。3） 轴的热伸长补偿轴受热膨胀时，应根据轴的长度及工件与非工件状态时的温差，设计合适的伸长自由度，过小将在轴和轴承内产生附加压力，过大有时会产生轴向窜动。4） 润滑与密封轴承的润滑方式，所选用的密封形式都涉及到轴系结构，采用稀油润滑时，轴体内通常需要开设滑油通道，采用接触式密封则要求相配的轴颈淬硬并磨削，采用迷宫式润滑，螺旋式密封时，轴的表面应设计有与之匹配的形状。5） 轴上零件的合理布置轴上零件的合理布置对载荷分布有重要影响，并由此影响轴的强度或拉力在轴上分布不均，最终影响轴的总体结构。布置时应考虑以下方面：A. 载荷流的合理分布应将载荷的输入布置在中部，扭矩双向分流，轴上最大扭矩降低，避免在一端输入载荷。B. 减载机构避免使扭矩直接传动到轴上，应采取卸荷机构，使轴不受轴扭矩作用，提高轴的强度与刚度。从本设计的实际要求出发，由于主轴转速高，要求精度好，刚度好。采用主轴的三支承结构时，可使主轴跨矩大大缩短，从、而提高主轴刚度和抗振性，机床在轻载荷下运转时，辅助支承不承受载荷，只起阻尼作用，载荷加大时，辅助支承处的挠度较大，超过了游隙，辅助支承才起作用，承受一定的载荷。但三支承主轴结构，工艺难度大，对主轴上3个轴颈和箱体上底座孔的同轴度要求很严，还由于主支承间跨距很短，所以轴承精度、主轴轴颈和箱体孔同轴度误差对主轴旋转精度的要求更加显著。由以上原因，主轴采用二支承结构。在二支承结构中，主轴轴承的选型，组合及布置十分重要，承受轴向载荷时，主轴轴承的配置主要根据主轴的加工精度、刚度、温升和支承的复杂程度。起止推作用的轴承由三种方式，即前端定位、后端定位、两端定位。前端定位时，主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度，但前支承结构复杂，轴承间隙调整不便，前支承处发热量大，但能保证较好的刚度。由此，选择前端固定的固定方式，主轴轴承根据设计要求，选择可以实现较高转速的角接触球轴承，前端轴向载荷较大，前轴承采用三联组配，前两个都面朝前，共同承担轴向载荷，后轴承背靠背，以实现预紧。轴承配置如下示意图： （ 图3-01）这种结构的特点及适用范围是高速度、高刚度主轴。2. 主轴设计(1) 初选主轴直径主轴直径直接影响主轴部件的刚度，直径越粗，刚度越高，但同时与它相配的轴承零件的尺寸也越大，故设计之出，只能根据统计资料选择主轴直径。加工中心因装配需要，主轴直径常是自前往后逐步减小的。由2表4.3-8初选主轴前轴直径: D=90mm(2) 主轴悬臂伸量的确定主轴悬臂伸量a是主轴前支承径向力的作用点到主轴前端面之间的距离。它对主轴组件刚度影响较大。根据分析和实验，缩短悬伸量可以显著提高主轴组件的刚度和抗振性。因此设计时在满足结构要求的前提下，尽量缩短悬伸量a。(3) 主轴跨距的选择主轴的跨距对主轴组件的性能有很大的影响，合理选择跨距是主轴组件设计中的一个相当重要的问题。由10铣削的主切削力和切削功率的经验公式13.22得: Fc=6*10E4*Pc/Vc式中 Pc铣削功率 KWVc铣削速度 m/minFc=6*10E4*22/251=5258N参考铣刀逆铣情况由式1313-20得:Fh=1.2Fc=6310NFv=0.3Fc=1577NF=Fh+Fv=6504N暂取L/a=4，由结构确定a=54mm故前后支承反力分别为：Ra=F（1+a/l）=6504（1+1/4）=8130NRb=F*a/l=6504*1/4=1626N由2式4.3-6可求出前后轴承刚度:Ka=1.18*3次（Frdb（iz）Cos5次方）式中 Fr作用于轴承上的径向载荷查轴承样本，额定的载荷 C=79.6KN取Fr=C/10=7960Ndb球径 由2表4.3-5 取db=14.288mmz球数 由2表4.3-5 取 z=20接触角 =26故Ka=1.18*3次（7960*14.288*20*Cos26的5次方）=493 N/mKb=3.44*3(Fa*dbz*Sin26的5次方)= 296 N/m2)求最佳跨距：Ka/Kb=1.67主轴的当量外径为前后轴径的平均值：D=（D1+D2）/2=（90+90*0.75）/2=78.75mm故惯性矩：I=0.08*（0.7875f4-0.048f4）=59.1E-8mf4则=EI/（Ka*af3）=2.1E11*59.1E-8/（493*0.054f3*E6）=1.6由2线图4.3-30查得l。/a=4.2与假设值相差不大，可以认为跨矩是合理的。(4) 轴内孔直径的确定本设计中主轴内孔要通过拉杆，确定孔径的原则是在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下，尽量取大值。铣床内孔直径d=拉杆直径+（5-10）mm根据选定的拉杆和弹簧确定其内孔直径d=55mm(5) 主轴轴承根据上面主轴结构的设计选择轴承如下：前端轴承采用三联组配，由12表13-78，查得角接触球轴承为特轻（1）系列46118轴承，参数如下：d=90mm D=140mmB=24mm C=52000N C。=50500N 极限转速为7000r/min后端轴承采用二对角接触球轴承，由12表13-78查得轴承为特轻（1）系列46116轴承，参数如下：d=80mm D=125mmB=22mm C=42500N C。=40500N 极限转速为8000r/min3. 检验及校核(2) 主轴轴承的校核1) 求两轴承受到的径向载荷载荷分布简图如下：由所选定轴承可知 C=52000N C。=50500N由前计算可知 R1=8130N R2=1626N2） 计算轴向力S1=0.68R1=0.68*8130=5528.4NS2=0.68R2=0.68*1626=1105.68NA1=Fa+S2=1605.68NA2=S2=1105.68NA1/C。=1605.68/50500=0.0318A2/C。=1105.68/50500=0.02193) 求两轴承当量载荷A1/R1=1605.68/8130=0.19750.68A2/R2=1105.68/1626=0.68=0.68对前端轴承 X1=1 Y1=0对后端轴承 X2=1 Y2=0因轴承运转中有中等冲击载荷，由表13-6 fp=1.2-1.8取fp=1.25 则P1=fp（X1R1+Y1A1）=10162.5NP2=fp（X2R2+Y2A2）=2032.5N4) 验算轴承寿命因为P1P2 所以按轴承1的受力大小进行验算Lh=E6*（C/P1）f3/（60*n）=E6*（52000/10162.5）f3/（60*80）=27910.46hLh故所选轴承可满足寿命要求。4. 主轴组件的密封与润滑1） 润滑的作用是减小摩擦，降低温升，并与密封装置一起保护轴承不受外物的损伤与腐蚀，润滑剂和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷。如果选择合适，可以降低轴承的工作温度和延长使用寿命。脂润滑使用方便，不需要供油管路和系统，没有泄露问题，滚动轴承应尽量选用脂润滑。且脂润滑使用期限长，如转速不超极限值，一次填充可使用2000h以上。但脂润滑时填充量不宜过多，尤其不能填满轴承空间，否则将引起过多的发热，并有可能使脂熔化流出。基于以上原因，本设计中主轴轴承润滑采用脂润滑，采用2号精密机床脂（SY1417-80）2） 密封方式选择：主轴组件的密封主要是防止油外漏和尘埃屑末进入。由于选用脂润滑，主轴组件采用不接触的迷宫密封。 5. 弹簧的设计计算弹簧是一种弹性元件，可以在载荷作用下产生较大的弹性变形，弹簧在各类机械中应用广泛。蝶形弹簧是一种用钢板冲压的截锥形的圆环状板弹簧，与其它弹簧相比具有以下特点：1) 具有以小变形承受大负荷的特性，适用于轴向空间要求较小的地方。2) 具有变刚度特性，根据设计选用的极限变形h。与弹簧 钢板厚度的比值，可以得到各种不同的弹簧特性曲线。由于具有以上特点，本设计中拉刀拉杆的力采用蝶形弹簧实现。设计条件：碟簧承受轴向变载荷，其最大工作变形量为f=15mm，要求其外径D=56mm。在F1=1000N F2=15000N之间的循环工作。设计计算：选用B56碟簧复合组合。由其承载能力，每一叠合组用4个碟片，即n=4。1) 确定系数根据表列B56尺寸可知直径比C=56/28.5=2 由4表3.4-22表查得 K1=0.694 K2=1.219 K3=1.378 2) 单片碟簧的载荷计算对复合组合弹簧应考虑叠合面间摩擦力对载荷的影响。由表15-9取摩擦系数 fr=0.01碟片所受载荷: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弹簧被压时的载荷Fc=4/（1-）*tf3hy/(K1*D)=4*206E3/(1-0.3)*2f3*1.6/(0.694*56)=5325N3) 碟簧变形量计算由以上可知 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=0.68h。=0.68*1.6=1.008mm4） 组数和结构尺寸由于 fez=15mm 故i=fez/fz=15/1.008=14.8815由结构需要取30个叠合组。自由度Hz=i（H。+（n-1）t）=30*（3.6+（4-1）*2）=288mm在载荷F1作用下高度：H1=Hz-if1=288-30*0.45=275.5mm在载荷F2作用下高度：H2=Hz-if2=288-30*1.008=257.76mm还未写完! 3.2 造型设计本次三维造型设计用的软件主要是Pro/Engineer2000i。前面的第二章已经对此软件的特点及功能进行了详细的介绍，在此也就不在赘述。主要对造型的过程以及应注意的问题给予较为详细的介绍。在使用Pro/Engineer2000i进行三维造型设计时，它的设计思想与制造一个零件的思路是一致的，即基本截形，基本的三维实体模型，在基本实体上加上附加特征（孔倒角螺纹退刀槽等），然后将一个个零件装配起来，并生成工程图。这一过程很符合实际思路和实际工作情况，从而是我们的设计过程变的相当清晰。图3-01是一个设计思路的示意图： 基本截形 生成基本特征 生成附加特征 （图3-01）一、三维造型的具体步骤：1 基准的建立 不管是一个机器还是一个零件，它们都是由若干个表面组成的，这些表面之间都有相对的位置要求，比如面与面之间的尺寸、平行、或垂直的关系等，这些要求必须用零件上的点、线、面作为依据。因此，所谓的基准是指确定点、线、面所依据的点、线、面。在Pro/Engineer系统中，我们要设计出尺寸位置都符合设计要求的模型，也必须在操作过程中依据一定的点、线、面，这些点、线、面就是我们在Pro/Engineer系统中的基准。在建模的过程中，基准的建立是必要的也是必须的。我们要想快速、准确地绘制出图形，在制图的过程中总是不断地作辅助线、点，总是在依据已存在的点和线来确定其他的点和线。所以说基准的使用是不可或缺的，是必须的。可以说，基准的正确合理的建立是快速准确建模的关键。在Pro/Engineer系统中，基准大致可分为以下五类：基准面(Datum Place)；基准曲线(Datum Curves)；基准点(Datum point)；基准轴(Datum Axis)；坐标系统(Coordinate System)。2 草图的绘制 任何一个三维模型都是由二维剖面按一定方式如延伸(Extrude)、旋转(Revolve)、扫描(Sweep)、混成(Blend)等生成的。在 PRO/E中，二维剖面的绘制是个基础模块(Sketch),特征的绘制、工程的建立、二维装配图的建立以及需要进行平面草图绘制的地方，都回用Sketch模块。进行草图模式有两种方法，一种是在PRO/E环境中，用文件菜单命令或工具栏的新建文件，选择Sketch模块，输入文件名，进入PRO/E的Sketch模块。另外一种是在绘制三维特征时选定绘图平面及视角平面后，系统直接进入草图模式，用户进行二维截面图形绘制。 二维截面图形的一般绘制步骤如下：草绘；修改尺寸；修改限制条件；重新生成；完成。由于二维截面图形具有参数化特性，在刚开始进行草绘时不需要将各图元画的很准确，利用智能意向管理器所得到的尺寸及限制条件，修改尺寸及限制条件，完成几何二维图形的参数化定义，从而将草图变为准确的截面图形。使用智能意向管理器绘图时，PRO/E系统会自动做些假设来猜测设计者的绘图意向。 3实体零件建模 在草图绘制即基本截形完成后，就要进一步实现三维实体模型。这样的模型直观，立体感强，并可以在任何角度进行观察。另外，系统还能容易计算出实体的表面积、体积、重量、惯性距、重心等，使设计者很容易、很清楚地知道零件的特性。 任何的一个三维立体模型都是由一个个特征组合而成。特征又可分为基础特征，附加特征及特征操作。基础特征的生成包括在基本截形的基础上产生挤塑、薄体、旋转、扫描、混成等特征。 基础特征生成之后，所生成的只是一些很简单的模型，而在我们的生活和工业生产领域中所见到的实体模型的外形大多都是很复杂的，比如一个零件上很多形状，大小各异的孔，孔是盲孔还是通孔，是直孔还是阶梯孔，又比如有很多凸台，形状更是千奇百怪。我们把这些特征称作附加特征的。在PRO/E系统中，在基础特征的基础上通过增材或减材的过程来建立它的附加特征，从而形成我们所要的实体。主要的附加特征的命令有切除特征、圆孔特征、倒角特征、圆角特征、抽壳特征、加强筋特征和纽拉特征等。 此外，。在PRO/E系统中还提供了特征操作，主要有特征的阵列、复制、修改、隐藏和恢复，这些大大提高了建模的速度和效率。第四章 装配及其仿真 4.1 零件的装配 用PRO/E系统进行工程设计时，创建完实体模型后，都需要将各个零件按一定的要求装配起来。通过装配的过程，我们可以检查各个零件之间是否发生干涉，各个零件是否不合理的地方，然后再进行适当的修改以达到完善设计的目的。装配最后得到的滑枕的模型的剖视图，见下图：（图4-01） 具体装配过程 在进行整体装配过程中，考虑各个零件的装配顺序非常重要。因为在实际装配中各个零件之间是否干涉，是否装配可行都会在此虚拟装配过程当中得到体现。这一步骤可以提前豫知这些可能发生的问题，然后及时的修改，这样就避免了大量的经济和人力的损失。 根据多次的装配方案的拟定及虚拟装配实验，得到了以下的装配最终顺序，方案较为的合理、可行。 (1) 首先，进行前箱体的装配：主要包括主轴系统极其附件（并把它作为一个整体的部件进行装配），前端拉钉以及轴承挡圈等元件，装配的顺序大体上是由前端向后端，由里部向外部进行。其结果见下图： （ 图4-02）(2) 再将后箱体中的零件装入到装好的前箱体中，这里的零件较少一些，所以采用这种装配方式，最后把后箱体装入，加螺钉与前箱体紧固，完成所有的装配。（见图4-03） 以上只是装配过程的大致思路，具体的装配过程见下面的装配仿真以及动画演示。4.2 装配仿真 完成了所有零件的装配，为了检验各个零件之间是否发生干涉，以及各个零件的结构是否符合装配原则，是否装配可行。若通过装配仿真检验确实存在类似的问题，那么，就要对零件的结构进行重新修改，直到满足要求为止。所以说，装配仿真也是此次设计任务中很重要的一部分。同时，也是在进行虚拟制造过程中必不可少的部分。 装配仿真可以在Pro/Engineer2001中实现，当然，也可以使用InventorR2来进行仿真。InventorR2软件使用起来较为直观，但中间需要文件的转换。下面就对具体过程加以介绍： 1.使用Pro/Engineer2001打开最终装配好的组合件的模型Asm0020。打开file save a copy,在弹出的对话框中选择路径，在文件类型中选择格式为STEP格式，单击OK。这样保存了STEP格式的新文件。（见图4-01及图4-02） （图4-01） （图4-02）2 .打开InventorR2，在选择新建类型New Default Standard.ipn。然后点击“确定”。建立了Presentation1。（见图4-03）。 （图4-03） 3.打开file open。选择第一步中保存的文件的路径，选择STEP格式，打开。（见图4-04） （图4-04） 4.在File Save copy as，选择保存路径，此处选择同上的相同路径，保存文件格式为Assembly格式，点击“确定”。（见图4-05） （图4-05） 5.在Presentation1的界面中的“Presentation View Manage”菜单中的“Creat View” 弹出“Select Assembly”，在“Assembly”的“File”选项中选择刚才保存的文件，单击“OK”。（见图4-06） （图4-06）6.单击“Presentation View Manage”菜单中的“Tweak Components”,将鼠标移到图中，选择坐标轴：这里以轴向为Z轴，视图的上方为X轴正向，Y轴方向默认即可。（见图4-07） （图4-07）这里就要对装配组合件进行分离，即把各个零件打开（Explosion）。这是非常关键的一步，也异常的繁琐，为了便于视觉观察以及适当的减少工作量，在Explosion过程当中并没有把所有的零件都分开，而是将某一个小的组合件作为一个整体进行Explosion工作。这样也比较的合理，同时也很符合实际的装配原则。由于过程很繁琐，这里就不对每一步进行叙述了。分离（Explosion）的原则只要符合视觉美感，装配过程没有干涉，各个零件（或小组合件）的摆放与事先确定的装配顺序相符合就可以了。最后分离的结果见下图：（见图4-08） （图4-08）7.完成了组装图的Explosion，为了安全起见，先对它进行保存处理：点击屏幕左上角的“保存”，保存此时的Explosion状态，文件名可以是默认的Presentation1。8.保存完毕后，点击“Presentation View Manage”菜单中的“Precise View Rotatioin”。这里可以选择默认值，单击“OK”即可。（见图4-09） （图4-09）9.接着就要动画演示了：点击“Presentation View Manage”菜单中的“Animate”选项。弹出“Animation”菜单，进行参数选择，这里在“Parameters”的“Interval”中选择间隔为“4”；“Repetitions”中为1即可。这样所有的参数就已经设置完毕。点击“Motion”中的播放即可看到整个装配过程的动画了。至此，所有的在Inventor中的工作已经结束，最后，还要对动画进行处理，是它更易于播放。（见图4-10）。10.等待上一步播放完毕后，再点击“Animation”菜单中的“Reset” “Motion”中的“”，在此选择保存路径并输入文件名及保存格式为“AVI”格式，点击“保存”。（见图4-11） （图4-11） 11.此时系统回到“Animation”菜单，再点击“ Play Forword”。系统就回保存动画，待完毕后，可关闭Inventor。在保存的路径下可通过媒体播放器来播放此装配动画了。至此，所有的装配仿真就已经完成了。