毕业论文定稿-高精度数控立式万能磨床基础件的设计

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763宁XX 大学毕 业 设 计 (论 文 )精度数控立式万能磨床基础件的设计所 在 学 院专 业班 级姓 名学 号指 导 老 师年 月 日I摘 要磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床可进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以进行各种高硬、超硬材料的加工，还可以刃磨刀具和进行切断等，工艺范围十分广泛。磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床的种类很多，按其工作性质可分为：外围磨床、内圆磨床、平面磨床，工具磨床以及一些专用磨床。如螺纹磨床、球面磨床、花键磨床、高精度数控立式万能磨床与无心磨床等。高精度数控立式万能磨床就是一种按照工作性质划分出来的磨床。本文主要是对高精度数控立式万能磨床进行设计与研究。关键词：高精度数控立式万能磨床，磨床，磨床设计IIAbstractThe grinder can process a variety of surfaces, such as inner, outer cylindrical surface and a conical surface, plane, tooth profile of involute spiral surface and various surface, forming surface. The grinder can be hogging machining, rough machining, finish machining and ultra precision machining, can be a variety of high hard, superhard materials processing, can also be grinding tool and cutting process, a very wide range of.The grinder can process a variety of surfaces, such as inner, outer cylindrical surface and a conical surface, plane, tooth profile of involute spiral surface and various surface, forming surface. Grinder of many types, according to the nature of their work can be divided into: external grinder, internal grinder, surface grinder, grinding machine tools and some special grinding machine. Thread grinder, grinding machine, such as spherical spline grinding machine, grinder and centerless grinder. Rail grinding machine is a kind of according to the nature of the work out of the grinder.This paper is mainly about the design and research of guideway grinder.Key Words: Rail grinding machine, grinding machine, grinding machine designIII目 录摘 要 .IAbstract II目 录 .III第 1 章 绪 论.11.1 国内外研究现状 11.2 磨床的现状及其发展趋势 21.3 数控机床的发展 21.4 论文研究的主要内容 .8第 2 章 高精度数控立式万能磨床总体方案设计.92.1 机床的设计要求 92.2 设计方案 92.3 本章小节 11第 3 章 立柱结构设计.123.1 立柱的结构选型与三维建模 .1231.1 三维设计应用的趋势 123.1.2 选择三维设计软件的关键考虑因素 .133.1.3 SolidWorks 的功能 .133.2 立柱结构的有限元分析 .13第 4 章 床身、横梁设计.214.1 床身结构 214.1.1 对床身结构的基本要求 .214.1.2 床身的结构 .224.2 横梁设计 .234.3 横梁有限元分析 .254.4 本章小节 27结 论.28参考文献.29IV致 谢.30毕业设计（论文）1第 1 章 绪 论1.1 国内外研究现状20 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从 1952 年美国第台数控铣床问世至今已经历了 50 个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有 1020 万台，产值上百亿美元。 世界制造业在 20 世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90 年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从 90 年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从 2000 年至今已接受个月以后的订货合同，生产任务饱满。我国数控机床制造业在 80 年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在 90 年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到 50，库存超过个月。从 1995 年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在 1999 年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从 2000 年月份的上海数控机床展览会和 2001 年月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。数控技术经过 50 年的个阶段和代的发展： 第阶段：硬件数控（NC ） 第代：1952 年的电子管 第代：1959 年晶体管分离元件 第代：1965 年的小规模集成电路。第阶段：软件数控（CNC） 第代：1970 年的小型计算机 第代：1974年的微处理器 第代：1990 年基于个人 PC 机（PC-BASEO） 第代的系统优点主要有： （） 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到万小时以上； （2） 提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的毕业设计（论文）2领域（如 CAD、CAM 、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等） ； （3） 对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。 目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本 FANUC 公司，年生产万套以上系统，占世界市场约 40左右，其次是德国的西门子公司约占 15以上，再次是德海德汉尔，西班牙发格，意大利菲亚，法国的，日本的三菱、安川。1.2 磨床的现状及其发展趋势随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高以及新型材料的应用增多，磨削加工技术正朝着超硬度磨料磨具、开发精密及超精密磨削（从微米、亚微米磨削向纳米磨削发展）和研制高精度、高刚度、多轴的自动化磨床等方向发展 4，如用于超精密磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均半径可小至 4m 、磨削精度高达0.025m；使用电主轴单元可使砂轮线速度高达 400m/s，但这样的线速度一般仅用于实验室，实际生产中常用的砂轮线速度为 4060m/s ；从精度上看，定位精度2m，重复定位精度1m 的机床已越来越多；从主轴转速来看，8.2kw 主轴达60000r/min，13kw 达 42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工 60HRC 硬度材料的加工中心。北京第二机床厂引进日本丰田工机公司先进技术并与之合作生产的 GA（P）6263 数控外圆/数控端面外圆磨床，砂轮架采用原装进口，砂轮线速度可达 60m/s，砂轮架主轴采用高刚性动静压轴承提高旋转精度，采用日本丰田工机公司GC32 ECNC 磨床专用数控系统可实现二轴（ X 和 Z）到四轴（X、Z、U 和 W）控制。此外，对磨床的环保要求越来越高，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。大量的工业清洗机和切削液处理机系统反映现代制造业对环保越来越高的要求。1.3 数控机床的发展随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在 50 年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从 90 年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用毕业设计（论文）3拟实制造和快速成形制造技术。工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性” 强 ,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“ 一个工人，一把刀，一台机床” ，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。数控设备的发展方向 六个方面：智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。目前德国和瑞士的机床精度最高，综合起来，德国的水平最高，日本的产值最大。美国的机床业一般。中国大陆、韩国。台湾属于同一水平。但就门类、种类多少而言，我们应该能进世界前 4 名。数控系统 由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。 华中数控这几年发展迅速，软件水平相当不错，但差就差在电器硬件上，故障率比较高。华中数控也有意向数控机床业进军，但机床的硬件方面不行，质量精度一般。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。 我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。机床精度 1.机械加工机床精度分静精度、加工精度（包括尺寸精度和几何精度） 、定位精度、重复定位精度等 5 种。 2.机床精度体系：目前我们国家内承认的大致是四种体系：德国 VDI 标准、日本 JIS 标准、国际标准 ISO 标准、国标 GB，国标和国际标准差不多。3.看一台机床水平的高低，要看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精度如果能达到 0.005mm(ISO 标准.、统计法),就是一台高精度机床，在0.005mm(ISO 标准.、统计法)以下，就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。4.加工出高精度零件，不只要求机床精度高，还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀具。毕业设计（论文）4目前世界著名机床厂商在我国的投资情况 1. 2000 年，世界最大的专业机床制造商马扎克（MAZAK）在宁夏银川投资建了名为“宁夏小巨人机床公司”的机床公司，生产数控车床、立式加工中心和车铣复合中心。机床质量不错，目前效益良好，年产 600台，目前正在建 2 期工程，建成后可以年产 1200 台。 2. 2003 年，德国著名的机床制造商德马吉在上海投资建厂，目前年组装生产数控车床和立式加工中心 120 台左右。 3. 2002 年，日本著名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂，年生产能力为 1000 台，生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心。 4.韩国大宇在山东青岛投资建厂，目前生产能力不知。 5.台湾省的著名机床制造商友嘉在浙江萧山投资建厂，年生产能力 800 台。民营企业进入机床行业情况 1.浙江日发公司，2000 年投产，生产数控车床、加工中心。年生产能力 300 台。 22004 年，浙江宁波著名的铸塑机厂商海天公司投资生产机床，主要是从日本引进技术，目前刚开始，起点比较高。 32002 年，西安北村投产，名字象日本的，其实老板是中国人，采用日本技术。生产小型仪表数控车床，水平相当不错。军工企业技改情况 军工企业得到国家拨款开始于当年“大使馆被炸”，后来台湾阿扁上台后，大规模技改开始了，军工企业进入新一轮的技改高峰，我们很多军工企业开始停止购买普通设备。尤其是近 3 年来，我们的军工企业从欧洲和日本买了大批量的先进数控机床。也从国内机床厂哪里采购了大批普通数控机床，国内机床厂商为了迎接这次大技改，也引进了不少先进技术，争取军工企业的高端订单。 听在军工企业的朋友讲，阿扁如果再能“顶” 三年，我们的整体水平会上一个台阶。 其实，胡锦涛总书记掌权以来，已经把国防事业提到了和经济发展一样的高度上，他说，我们要建立和经济发展相适应的国防能力，相信再过 10 年，随着我国国防工业和汽车行业的发展，我们国家会诞生世界水平的机床制造商，也将会超越日本，成为世界第一机床生产大国。数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。 数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发毕业设计（论文）5展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进， “七五”期间的数控系统开发， “八五”期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。 近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟商品走向市场。我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在800010000 转 /分以上的数控机床。 我国数控机床行业近年来大力推广应用 CAD 等信息技术，很多企业已开始和计划实施应用 ERP、MRP和电子商务。如，济南第二机床集团有限公司的 CAD 普及率达100%，是国家级“CAD 示范企业” ，企业的 MRP系统应用也非常成功，现代化管理水平较高。 但是和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。一、信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。 二、产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在 10000 小时以上，国内自主开发的数控系统仅 3000-5000 小时；整机平均无故障工作时间国外达毕业设计（论文）6800 小时以上，国内最好只有 300 小时。 三、创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。 随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。 高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。 智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 基于 CAD 和 CAM 的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前 CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用 CAD 绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，以实现 CAD 与 CAM 的集成。随着 CIMS 技术的发展，当前又出现了 CAD/CAPP/CAM 集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的 CAPP 数据库获得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。 发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。 一、是高速加工技术发展迅速毕业设计（论文）7高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用当前数控机床技术发展趋势高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到 10 秒、3 秒、1 秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。二、是精密加工技术有所突破通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每 8 年提高 1 倍，从 1950年至 2000 年 50 年内提升 100 倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到 1m，进入亚微米超精加工时代。三、是技术集成和技术复合趋势明显技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。四、是数字化控制技术进入了智能化的新阶段数字化控制技术发展经历了三个阶段:数字化控制技术对机床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监控可以实现工件装卡定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破毕业设计（论文）8损诊断、零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根据用户要求随时接通 INTERNET 接受远程服务。采用智能技术来实现与管理信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。五、是极端制造扩张新的技术领域极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向。重点研究微纳机电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制，如微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应用；应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制；IT 产业等高新技术的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术，研制适应微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加工机床；极端制造领域的复合机床的研制等。1.4 论文研究的主要内容论文主要的章节和内容：1.第一章综述了高精度数控立式万能磨床的发展状况，阐述课题提出的目的和意义，明确了本文研究的主要内容。2.第二章对高精度数控立式万能磨床的总体进行研究，进行总体布局设计。3.第三章对高精度数控立式万能磨床主轴系统进行整体的设计，进行关键部件的设计与计算。5.第五章对床身工作台导轨的设计。9第 2 章 高精度数控立式万能磨床总体方案设计磨床的总体设计方案由以下三部分组成： 1.技术参数设计：主要尺寸规格、运动参数（转速和进给范围)、动力参数（电机功率，最大拉力） 。2.总体布局设计：相互位置关系、运动分析、运动仿真（干涉检查） 、外观造型。3.结构优化设计：整机静刚度、整机的运动性能、整机的热特性。总布局与使用要求：1.便于同时操作和观察。2.刀具、工件，装卸、夹紧方便。 3.排屑和冷却。2.1 机床的设计要求本机床的设计，符合国家机床标准。已定设计参数：工作台直径(带磁盘)1250mm，最大加工工件高度 550mm，最大加工工件重量2500KgX 轴横向移动行程 1760mm，X1 轴横向移动行程 1300mm，Z 轴垂直移动行程 650mmZ1 轴垂直移动行程 650mm，工作台回转精度(轴向及径向)0.0015mm工作台转速(无级)1-100rpm，主轴回转精度(轴向及径向)0.001mm立式动静压主轴最大转速 4500r/min ，卧式动静压主轴最大转速 2400r/min立式动静压主轴电机功率 15KW，卧式动静压主轴电机功率 7.5KWX、Z、X1、Z1 轴进给分辨率 0.001mm 高速高效，结构简单可靠，功能强大，性能稳定，精度较高，可用于铣削板材以及多种工件等。2.2 设计方案我设计的主要内容是工作台移动高精度数控立式万能磨床。工作台高精度数控立式万能磨床是指工作台作纵向移动的龙门高精度数控立式万能磨床。工作台移动龙门高精度数控立式万能磨床的最大特点是：（1）造价便宜,容易制造生产。工作台移动式毕业设计（论文）10龙门高精度数控立式万能磨床，整机长度必须两倍于纵向行程长度，而移动式龙门高精度数控立式万能磨床的整机长度只需纵向行程加上龙门架侧面宽度即可。 （2）机床的动态响应好。工作台移动式龙门高精度数控立式万能磨床采用的是固定龙门架,工作台移动可以铣刀做切削运动时更加稳定，从而保证了加工精度和机床的响应性能。2.2.1 机械部分设计整机分为床身、龙门架、滑台、主轴箱、三轴进给驱动机构机械部分及相关数控伺服部分。现把设计过程中的重点阐述如下：床身是本次设计工作的基础，床身的尺寸设计影响着对整机的设计，而且设计的合理性直接影响到整机的刚度。床身的上平面即工作台面设计有 K 条 T 形槽，为方便床身工作台面和 T 形槽的精刨加工，槽完全贯通。床身的左、右两下脚各设计有一个狭长平面，用来安放滚动直线导轨副。我把导轨面设计在床身的两下侧，主要是考虑力的传递方向与卸荷问题。因床身会受到龙门框架的重力、切削力和工件的重力，这样的设计可使龙门框架的重力直接传入到机床的基础上，而床身只受到工件的重力。龙门框架采用的是整体龙门架的设计概念，即把横梁与左右立柱设计成一体，虽然使铸造和装配调整时的难度加大，但整体龙门框架的刚性更好，更重要的是使主轴箱、滑台等部件有了装配基准。滑台的设计是在龙门架和主轴箱的几何尺寸确定后，按照主轴的中心尽量贴近横梁上的导轨面为原则，并把 Z 轴驱动安装位置设计在滑台上，有效地减轻滑台的重量。设计进给驱动机构的构思如下：X 轴的进给驱动机构采用双边齿轮齿条副加重预压滚动直线导轨副，Y 轴与 X 轴采用大直径预压滚珠丝杠副加硬导轨副，且导轨滑动部分贴有工程塑料，避免低速时产生爬行现象，而且导轨部分设计有斜镶条可调装置。这样设计使机床的整体进给性能得以协调，各轴的进给速度和进给力得到了最佳匹配。主轴箱的上下垂直运动 Z 轴采用滚珠丝杠副传动。由于本机床不是高速高精度数控立式万能磨床，Z 轴的进给系统为伺服电动机通过传动比为 4 的平行轴定比齿轮箱带动滚珠丝杠旋转。Z 轴的安全问题。首先选用带电磁刹车的伺服电动机，其次在滚珠丝杠上装有一双向超越离合器，防止滚珠螺母自转引起主轴箱机械式下垂。当然，11为了保护 Z 轴进给机构的精度，还在滑台上装有两个平衡油缸。平衡力 Q 等于主轴箱部件质量的 85。主轴箱的左右移动为 Y 轴，为了保证 Y 轴的传动精度，并使丝杠只受水平轴向力，故采用伺服电动机与滚珠丝杠直联方式。笔者选用的联轴器带有过载保护装置，在过载时联轴器会自动脱开。2.3 本章小节本章主要讲解了高精度数控立式万能磨床的总理方案设计，其主要内容有机械部分的设计和数控部分设计，根据所给要求制定出总体设计方案。毕业设计（论文）12第 3 章 立柱结构设计3.1 立柱的结构选型与三维建模机架型式有三梁四柱式、三梁双柱式、整体框架式。通过比较这几种型式，选择整体框架式机架。整体焊接式框架是常见的型式，组成一个刚性的封闭框架，承受全部工作载荷。图 51 立柱的结构立柱的设计老师建议采用三维建模的形式进行。31.1 三维设计应用的趋势三维设计即实体建模技术。比较二维软件，三维软件的革新之处在于：1、产品形象直观，方便理解，不易出错。2、可评估配合和公差，易于纠错。3、能设计大型装配。4、创建即时工程图。可根据所设计的实体模型自动创建等轴测视图、爆炸视图、局部视图和剖面视图。5、方便修改设计。三维设计中工程图相互关联。对实体模型的设计进行更改时，可自动更改所有相关工程图和关联视图。6、在下游的工程和制造工作可使用设计数据，提高产品制造效率三维设计软件的集成模块可直接将设计数据导入应力分析、切削创建和数控编程。7、电子模型节省制造样机的时间和成本。由于上述功能，自上世纪 90 年代起，国际 CAD 设计领域已逐渐转向三维技术。下图按用户数量比例列出了 11 种主流 CAD 设计软件，其中三维数据格式已占大部分。 据国外用户的资料，三维实体建模技术的应用有效缩短设计周期、提高产品质量和削减开发成本。应用三维软件也有助于国际间数据的交流。为与国际的接轨，应用三维13设计已是势在必行。3.1.2 选择三维设计软件的关键考虑因素1、是否易于使用早期三维软件较为复杂，学习和培训周期长，不易操作。随着技术的改进，现在已出现了 SolidWorks 等较为操作的三维软件，其易用性好于平面 AutoCAD。2、设计效率是否高效3、双向关联性和参数化设计能力双向关联是指模型的所有元素都是相互关联。在装配体模型、工程图、局部视图和物料清单之间都是双向。一旦对其中的任何数据进行更改，都将在所有关联文件中自动进行相应更改。参数化设计在创建设计模型时，所有特征和尺寸作为设计参数进行保存。通过修改参数值可以迅速更改设计。4、设计大型装配的能力5、与 Office 等桌面效率工具的集成程度6、辅助工具。是否具备分析工具、设计交流等工具，并与辅助工具集成。7、应用基础。应用的广泛程度和教育教学方面的广泛程度。3.1.3 SolidWorks 的功能从功能和需求角度综合评估，SolidWorks 是较好的一种三维设计工具。理由如下：1、应用基础广泛。SolidWorks 是目前世界范围内应用最广的设计格式。多数学校已将 SolidWorks 列入教学。2、方便易用。3、功能特性较为齐全。4、提供多种文件转换程序，方便管理旧有二维数据。特别面向 AutoCAD，提供对DWG 格式文件进行数据转换的插件。5、提供零件库功能，节省设计资源。设计中来自外购的零件大部分可从SolidWorks 在线零件库选取。6、设计功能与分析功能集成，方便设计验证3.2 立柱结构的有限元分析COSMOS 为 SolidWorks 用户提供了一容易使用的有限元分析工具。 COSMOS 通过在计算机上测试您的设计而取代昂贵并费时的实地测试可帮助您降低成本及上市时间。SolidWorks 公司推出 COSMOS 2007 分析软件，将验证这步骤整合到设计过程中，让设计者可轻易寻找和纠正设计中可能存在的缺陷。利用 SolidWorks2007 自带的有限元分析软件 COSMOS 对立柱单侧承载梁进行加载分析,模拟本试验台的最大工作载荷。毕业设计（论文）14图 32 启动 COSMOSXpress1.材料号数 零件名称 材料 质量 体积1 立柱 SW灰铸铁 4421.34 kg 0.5742 m3图 33 选择材料2.载荷和约束信息约束假设一端固定 于 1 面 immovable (no translation).15图 54 设定约束载荷加载压力 于 1 面 应用法向力 -8.5e+006 N 使用均匀分布图 56 填写载荷大小毕业设计（论文）16算例属性网格信息网格类型: 实体网格所用网格器: 标准自动过渡: 关闭光滑表面: 打开雅各宾式检查: 4 Points 单元大小: 83.118 mm公差: 4.1559 mm品质: 高单元数: 16439节数: 33478完成网格的时间(时;分;秒): 00:00:16计算机名: 4FB67FB0EBB24EE解算器信息品质: 高解算器类型: 自动图 57 采用系统默认网格划分设置17图 58 COSMOSXpress 运行分析中4 结果（图 59）图 59 显示分析结果应力（图 510）名称类型 最小 位置 最大 位置毕业设计（论文）18图解1VON:von Mises 应力8.53554e+007 N/m2(540 mm,-101.25 mm,0 mm)1.98313e+008 N/m2(-15 mm,285 mm,-41.3532 mm)图 510 框架应力分析结果19位移（图 511）名称 类型 最小 位置 最大 位置图解2URES:合位移0 mm (0 mm,0 mm,0 mm)8.52536 mm(-30 mm,-315 mm,-11000 mm)6.结论通过模拟本试验台的最大加载载荷，单侧最大承载 8500kN。通过 COSMOSXpress 对立柱单侧承载梁进行加载分析，结果安全系数为 3.12851，完全满足本试验台设计时出定的安全系数 1.5 的要求。所以本框架的结构可行。图 511 框架位移分析结果7.附录材料名称: SW碳素钢材料来源: 所使用的 SolidWorks 材质毕业设计（论文）20材料模型类型: 线性弹性同向性属性名称 数值 单位弹性模量 2.1e+011 N/m2泊松比 0.28 NA质量密度 7700 kg/m3屈服强度 6.2042e+008 N/m2COSMOSXpress 设计分析结果基于线性静态分析，且材料设想为同象性。 线性静态分析设想:材料行为为线性，与 Hooke 定律相符。诱导位移很小以致由于载荷可忽略刚性变化。载荷缓慢应用以便忽略动态效果。21第 4 章 床身、横梁设计4.1 床身结构4.1.1 对床身结构的基本要求机床的床身是整个机床的基础支持件，一般用来放置导轨，主轴箱等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，数控机床应有高的静、动刚度，更好的抗振性。 一、对数控机床的床身主要在以下 3 个方面提出了更高的要求： 1很高的精度和精度保持性 在床身上有很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要长时间保持。另外，机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后往往都传到床身上，所以，床身受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除了满足几何尺寸位置等精度要求外，还需要满足静、动刚度和抗振性、热稳定性、工艺性等方面的技术要求。 2应具有足够的静、动刚度 静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度-质量比。动刚度直接反映机床的动态性能，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当的增加阻尼、提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振动而产生噪音。 3较好的热稳定性 对数控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已经成了一个突出问题，必须在设计上要做到使整机的热变形小，或使热变形对加工精度的影响小。热变形将直接影响机架的原有的精度，从而是产品精度下降，如立轴矩台平面磨床，立柱前臂的温度高于后臂，是立柱后倾，其结果磨出的零件工作表面与安装基面不平行；有导轨的机架，由于导轨面与底面存在温差，在垂直平面内导轨将产生中凸或中凹热变形。因此，床身结构设计时应使热变形尽量小。 二、床身机架设计的一般要求 ：1） 在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低； 2） 抗振性好。把受迫振动振幅限制在允许范围内； 毕业设计（论文）223） 躁声小； 4） 温度场分布合理，热变形对精度的影响小； 5） 结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工； 6） 结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件； 7） 有导轨的机架要求导轨面受力合理、耐磨性良好； 8） 造型好。使之既适用经济，有美观大方。4.1.2 床身的结构1床身结构 根据数控机床的类型不同，床身的结构形式有各种各样的形式。例如数控车床床身的结构形式有平床身、斜床身、平床身斜导轨和直立床身等四种类型。 另外，斜床身结构还能设计成封闭式断面，这样大大提高了床身的刚度。数控钻高精度数控立式万能磨床、加工中心等这一类数控机床的床身结构与数控车床有所不同。例如加工中心的床身有固定立柱式和移动立柱式两种。前者一般使用于中小型立式和卧式加工中心，而后者又分为整体 T 形床身和前后床身分开组装的 T 形床身。所谓 T 形床身是指床身是由横置的前床身和与它垂直的后床身组成。整体式床身，刚性和精度保持性都比较好，但是却给铸造和加工带来很大不便，尤其是大中型机床的整体床身，制造时需要大型设备。而分离式 T 形床身，铸造工艺性和加工工艺性都大大改善。前后床身联接处要刮研，联接时用定位键和专用定位销定位，然后再沿截面四周， 用大螺栓固紧。这样联接成的床身，再刚度和精度保持性方面，基本能满足使用要求。这种分离式 T 形床身适用于大中型卧式加工中心。 由于床身导轨的跨距比较窄，致使工作台在横溜板上移动到达行程的两端时容易出现翘曲，将会影响加工精度，为了避免工作台翘曲，有的立式加工中心增设了辅助导轨。 2床身的截面形状 数控机床的床身通常为箱体结构，合理设计床身的截面形状及尺寸，采用合理布置的肋板结构可以在较小质量下获得较高的静刚度和适当的固有频率。床身肋板一般根据床身结构和载荷分布情况，惊醒设计，满足床身刚度和抗振性要求，V 形肋板有利于加强导轨支承部分的刚度；斜方肋和对角肋结构可明显增强床身的扭转刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。 此外，还有纵向肋板和横向肋板，分别对抗弯刚度和抗扭刚度有明显效果；米字23形肋板和井字形肋板的抗弯刚度也较高，尤其是米字形肋板更高。 3床身的结构设计 床身结构设计时，应尽量避免薄壁结构并简化表面形状。根据本设计的具体情况及要求，床身的结构设如下：4.床身的设计步骤 根据床身上的零件、部件情况和设计要求初步确定床身及机架的结构形状和尺寸，以保证机架内外的零件能正常运动 根据产品批量和结构形式初步确定制造方法，合理选择材料，单件小批量的非标准设备机架可以采用焊接和锻喊结合的机架 分析承载情况，根据承载情况合理的选择截面形式，确定主要设计参数 画出结构草图，进行必要的强度和刚度计算和尺寸修改 对重要设备的床身，还应该进行模拟实验设计和模拟实验，并根据实验结果对设计进行修改。4.2 横梁设计 梁设计的要求与轴心受压相仿，钢梁设计应考虑强度、刚度、整体稳定和局部稳定各个方面满足要求。(1)梁的强度计算主要包括抗弯、抗剪和折算应力等强度应足够。(2)刚度主要是控制最大挠度不超过按受力和使用要求规定的容许值。(3)整体稳定指梁不会在刚度较差的侧向发生弯扭失稳，主要通过对梁的受压翼缘设足够的侧向支承，或适当加大梁截面以降低弯曲压应力至临界应力以下。(4)局部稳定指梁的翼缘和腹板等板件不会发生局部凸曲失稳，在梁中主要通过限制受压翼缘和腹板的宽厚比不超过规定，对组合梁的腹板则常设置加劲肋以提高其局部稳定性。梁的截面选择一、型钢梁截面的选择型钢梁截面应满足梁的强度、刚度、整体稳定和局部稳定四个要求，其中强度包毕业设计（论文）24括抗弯、抗剪、局部压应力和折算应力。由于型钢截面的翼缘和腹板等板件常有足够的厚度，一般不必验算局部稳定，无很大孔洞削弱时一般也不必验算剪应力。局部压应力和折算应力只在有较大集中荷载或支座反力时计算。型钢梁设计通常是先按抗弯强度(当梁的整体稳定有保证或 Mmax 处截面有较多孔洞削弱时)或整体稳定( 当需计算整体稳定时)选择型钢截面，然后验算其它项目是否足够，不够时再作调整。为了节省钢材，应尽量采用牢固连接于受压翼缘的密铺面板或足够的侧向支承以达到不需计算整体稳定的要求。按抗弯强度或整体稳定(b 值可先估计假定)选择单向(强轴)弯曲梁的型钢截面时，所需要的截面抵抗矩为：2、腹板尺寸梁高确定后腹板高也就确定了，腹板高为梁高减两个翼缘的厚度，在取腹板高时要考虑钢板的规格尺寸，一般使腹板高度为 50mm 的模数。从经济角度出发，腹板薄一些比较省钢，但腹板厚度的确定要考虑腹板的抗剪强度，腹板的局部稳定和构造要