畢業(yè)設(shè)計(jì)俞斌杰

1、安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書課題名稱立柱的設(shè)計(jì) 系 （部） 數(shù)控工程系 專 業(yè) 數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護(hù) 班 級(jí) 數(shù)設(shè)3132 姓 名 俞斌杰 學(xué) 號(hào) 1403133053 指導(dǎo)教師 張濤/安浩 2013 2015學(xué)年 第 1 學(xué)期目錄摘要. .第1章 緒論1 1.1課題背景與研究意義1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.2 1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀.2 1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀.3 1.3 機(jī)床設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀.4 1.3.1 機(jī)床設(shè)計(jì)發(fā)展.的幾個(gè)階段.4 1.3.2 現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想.5 第二章 機(jī)床立柱作用.6 第三章 數(shù)控機(jī)床立柱的三維CAD建模72.1 CAD的概念與特點(diǎn)8 2.2 三維幾何造型法.9

2、 第四章 立柱的裝配.10 第五章 關(guān)于立柱的一些問(wèn)題.30 4.1立柱采用鋼焊龍門結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn).30 4.2 立柱為何采用有限元分析的方法.32 4.3立柱各部件的用途 優(yōu)點(diǎn) 特性.34 4.3.1伺服電機(jī).34 4.3.2滾珠絲杠.34 4.3.3帶傳動(dòng).35 第六章 總結(jié)與展望.37 參考文獻(xiàn).38摘 要 隨著機(jī)械工程技術(shù)的發(fā)展，裝備制造、交通運(yùn)輸、石油化工、航空航天及國(guó)防軍工等對(duì)數(shù)控機(jī)床的需要越來(lái)越大，要求也顯著提高。為了保證機(jī)床具有良好的靜動(dòng)剛度、動(dòng)態(tài)特性、精度保持性及加工工藝性，降低成本獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，需要在機(jī)床的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，以便能準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)薄弱

3、環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。立柱作為彈性系統(tǒng)的元素之一，它直接影響零件表面成形運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確性，因此它的靜動(dòng)態(tài)性能將直接影響零件的加工精度、表面質(zhì)量和銑床的生產(chǎn)率。本文以數(shù)控立式銑床的立柱為研究對(duì)象，研究其結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性和提高其抗振性和穩(wěn)定性的主要方法。對(duì)數(shù)控立式銑床的立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了分析，找出立柱結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，確定需要改進(jìn)的地方。針對(duì)分析得出的結(jié)論，在分析軟件中對(duì)數(shù)控立式銑床的立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化建模，然后在保證其精度要求和動(dòng)態(tài)特性條件下，本著提高經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)約成本的目的，對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了比較驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：立式銑床；立柱；結(jié)構(gòu)分

4、析；優(yōu)化設(shè)計(jì)Abstract With the development of mechanical engineering technology，equipmentmanufacturing，transportation，petrochemical，aerospace and national defense and war on the increasing need for CNC machine tools，requirements are also significantly increasedTo ensure the machine has a good dynamic and s

5、tatic stiffness，dynamic performance，precision and processing of retention，lower cost，higher economic benefits need to machine design process，the structure of the machine dynamics simulation in order to accurately identify areas of weaknessColumn as the elastic element of the system，which directly af

6、fect the part surface forming trajectory accuracy,SO its static and dynamic performance will directly affect the machining accuracy，surface quality and productivity of lathes Vertical Lathe column for the study,to study the structure of static and dynamic characteristics and improve its antivibratio

7、n and stability of the main methodthrough the analysis was the column structure to harmonic displacement under the effect of cutting force frequency curve，in order to study its static and dynamic characteristics，identify the weak links column structure，determine the need for improvement Finite eleme

8、nt analysis for the conclusion，in the ANSYS engineering analysis software on Vertical Lathe column vertical structure of the parametric modeling，and then ensure its accuracy and dynamic characteristics of conditions，in line with improving economic efficiency,The purpose of cost savings，their conduct

9、 targeted optimization，and optimization schemes are compared verifyKeywords：Vertical Lathe，Vertical prop，structure analysis，Optimizedesign第一章 緒論1.1課題背景及研究的意義 當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)床工業(yè)高度重視，競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化、高精、高效、高自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)，歐、美、亞在國(guó)際市場(chǎng)上相互展開激烈競(jìng)爭(zhēng)，已形成一條無(wú)形戰(zhàn)線，特別是隨著微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床在20世紀(jì)80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需

10、求，四大國(guó)際機(jī)床展早已成為各國(guó)機(jī)床制造商競(jìng)相展示先進(jìn)技術(shù)、爭(zhēng)奪用戶、擴(kuò)大市場(chǎng)的焦點(diǎn)。中國(guó)加入WTO后，正式參與世界市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)，今后如何加強(qiáng)機(jī)床工業(yè)實(shí)力、加速數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)是緊迫而又艱巨的任務(wù)。 隨著世界科技進(jìn)步和機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為機(jī)床工業(yè)的主流產(chǎn)品，已成為實(shí)現(xiàn)裝備制造業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵設(shè)備，是國(guó)防軍工裝備發(fā)展的戰(zhàn)略物資。數(shù)控機(jī)床的擁有量及其性能水平的高低，是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。加快發(fā)展數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)也是我國(guó)裝備制造業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求。根據(jù)中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)組織用戶調(diào)查表明，航天航空、國(guó)防軍工制造業(yè)需要大型、高速、精密、多軸、高效數(shù)控機(jī)床；汽車、摩托車、家電制造業(yè)需求高效

11、、高可靠性、高自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床和成套柔性生產(chǎn)線；電站設(shè)備、造船、冶金石化設(shè)備、軌道交通設(shè)備制造業(yè)需求高精度、重型為特征的數(shù)控機(jī)床；IT業(yè)、生物工程等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)需求納米級(jí)亞微米級(jí)超精密加工數(shù)控機(jī)床；工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等傳統(tǒng)制造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，特別是民營(yíng)企業(yè)的蓬勃發(fā)展，需要大量數(shù)控機(jī)床進(jìn)行裝備。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，除了要求機(jī)床重量輕、成本低、使用方便和具有良好工藝可能性外，還著重要求機(jī)床具有愈來(lái)愈高的加工性能。隨著現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床日益向著高速化、高性能、高精度方向發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法己無(wú)法滿足數(shù)控機(jī)床發(fā)展的要求。 數(shù)控機(jī)床床屬于大型機(jī)械設(shè)備，在整個(gè)機(jī)床的各個(gè)組成部分中, 機(jī)床立柱是一個(gè)極其重要的大件,

12、 它起著支撐工件和連接工作臺(tái)、床身等關(guān)鍵零部件的作用。數(shù)控機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸和布局形式, 決定了其本身的各個(gè)動(dòng)態(tài)特性。往往由于立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理, 導(dǎo)致立柱的剛度不足, 產(chǎn)生各種變形、振動(dòng),加工時(shí)刀具與工件間產(chǎn)生相對(duì)變形和振動(dòng), 也使零件加工精度降低。立式銑床用于加工徑向尺寸大而軸向尺寸相對(duì)較小，形狀復(fù)雜的大型和重型工件。如各種盤，輪和套類工件的圓柱面，端面，圓錐面，圓柱孔，圓錐孔等。亦可借助附加裝置進(jìn)行銑削螺紋，車球面，仿形，銑削和磨削等加工。與臥式銑床相比，立式銑床主軸軸線為垂直布局，工作臺(tái)臺(tái)面處于水平平面內(nèi)，因此工件的夾裝與找正比較方便。這種布局減輕了主軸及軸承的荷載，因此立式銑床能

13、夠較長(zhǎng)期的保持工作精度。大量加工實(shí)踐證明，將臥式銑床立起來(lái)使用(變成了立式銑床)反倒顯示出了更多的優(yōu)越性，如占地面積小、排屑更加方便、承載能力增加等。同時(shí)立式銑床還具有很好的主軸旋轉(zhuǎn)精度和較強(qiáng)的切削能力，更加有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，所以對(duì)立式銑床的使用和需求也越來(lái)越多。立柱是數(shù)控立式銑床重要結(jié)構(gòu)部件之一，其結(jié)構(gòu)特性對(duì)立式銑床的性能影響很大，主要體現(xiàn)在加工精度、抗振性、切削效率、使用壽命等方面。因此，立柱結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)性能是決定整機(jī)性能的重要因素之一。由于立柱結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜，采用一般方法對(duì)其進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)特性計(jì)算比較困難。如何對(duì)立柱等部件進(jìn)行精確、合理、科學(xué)可行的計(jì)算，是機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要迫切

14、解決的重要課題。 因此, 在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)時(shí), 考慮立柱的動(dòng)態(tài)特性顯得尤為重要。針對(duì)這些因素，有必要對(duì)數(shù)控機(jī)床的立柱部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本課題對(duì)數(shù)控機(jī)床的立柱部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要的實(shí)際意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外的機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的研究比較多，在結(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，美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)“Optimal synthesis of compliant mechanisms using subdivision and commercial FEA”一文中，利用有限元軟件分析機(jī)械結(jié)構(gòu)，提出全程參數(shù)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，全面分析了設(shè)計(jì)變量

15、在優(yōu)化程序中的變數(shù)。國(guó)外機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)存在以下特點(diǎn)：(1)設(shè)計(jì)與分析平行。從以滿足一定性能要求為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，到具體設(shè)計(jì)方案的比較及確定、設(shè)計(jì)方案的模擬試驗(yàn)等。床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段均有結(jié)構(gòu)分析的參與。床身結(jié)構(gòu)分析貫穿了整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，這樣確定的床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，基本就是定型方案。(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想被用于設(shè)計(jì)的各個(gè)階段。(3)大量的虛擬試驗(yàn)代替實(shí)物試驗(yàn)。虛擬試驗(yàn)不僅可以在沒有實(shí)物的條件下進(jìn)行，而且實(shí)施迅速、信息量大。利用虛擬試驗(yàn)，一方面可以在多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選擇最優(yōu)，減少設(shè)計(jì)的盲目性，另一方面可以及早發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。從而減少設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床的要

16、求越來(lái)越高。在機(jī)床的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)其組成部件進(jìn)行嚴(yán)密的分析與計(jì)算。車床床身等支承件的重量要占車床總重量的20到30，因此對(duì)支承件的單位重量剛度提出較高的要求。在重量輕的條件下，需保證支承件具有足夠的靜剛度，所以對(duì)支承件材料的分布、支承件壁厚和開孔位置的合理性提出了要求，有必要進(jìn)行分析計(jì)算。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)在機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的研究比較活躍，機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容十分豐富，涉及內(nèi)容很多，包括靜力學(xué)，結(jié)構(gòu)非線性分析，拓?fù)鋬?yōu)化，模態(tài)分析，動(dòng)力學(xué)分析等。目前有限元方法在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：(1)靜力學(xué)分析。這是對(duì)二維或者三維機(jī)床零件承載后的應(yīng)力和應(yīng)變的分析，是有限元在

17、機(jī)床設(shè)計(jì)中最基本、最常用的分析類型。(2)模態(tài)分析。這是動(dòng)力學(xué)分析的一種，用于研究結(jié)構(gòu)的固有頻率和各振型等振動(dòng)特性，進(jìn)行這種分析時(shí)所施加的載荷只能是位移載荷和預(yù)應(yīng)力載荷。(3)諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。這兩類分析也屬于動(dòng)力學(xué)分析，用于研究機(jī)床對(duì)周期載荷和非周期載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 (4)熱應(yīng)力分析。用于研究結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的分布，以及機(jī)床內(nèi)部的熱應(yīng)力。(5)接觸分析。用于分析兩個(gè)結(jié)構(gòu)件接觸時(shí)的接觸面狀態(tài)和法向力。國(guó)內(nèi)的機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用在剛度和強(qiáng)度分析方面。廣西大學(xué)陳文鋒、毛漢領(lǐng)“MXBS1320型高速外圓磨床動(dòng)態(tài)性能的試驗(yàn)研究一文中，對(duì)MXBS1320型高速外圓磨床的動(dòng)態(tài)性能使用脈沖激振法

18、進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到磨床前幾階模態(tài)的頻率和振型圖，尋找出機(jī)床振動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)和主要振源，并提出一些機(jī)床改造的措施。此外還有對(duì)主要零部件進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。東南大學(xué)和無(wú)錫機(jī)床股份有限公司對(duì)內(nèi)圓磨床M2120A床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到床身前幾階的固有頻率和振型，分析床身的內(nèi)部筋板布置對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響。張海偉，利用動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析和理論模型分析兩種方法對(duì)臥式加工中心的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了分，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了理論模型的合理性，找出了機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后分析結(jié)果證明機(jī)床結(jié)構(gòu)的最大變形值都相應(yīng)降低。陳慶堂，運(yùn)用工程軟件ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊

19、，根據(jù)主軸箱的實(shí)際工況及機(jī)床零件加工精度要求，在參數(shù)化建模及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析基礎(chǔ)上，對(duì)XK713數(shù)控銑床軸箱結(jié)構(gòu)以減輕重量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析，主軸箱結(jié)構(gòu)重量減輕了232，三個(gè)方向上剛度和應(yīng)力得到了合理的分布。東南大學(xué)機(jī)械工程系，利用有限元法對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析，并使用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法對(duì)床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于基頻約束和剛度約束的拓?fù)鋬?yōu)化，為ESO方法在機(jī)床大件結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中的應(yīng)用做了有益的嘗試。王艷輝、伍建國(guó)等人，在“精密機(jī)床床身結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)一文中，在確定精密機(jī)床床身合理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元軟件提供的APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以床身的肋板布置和肋板

20、厚度為設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，確定了床身結(jié)構(gòu)的合理參數(shù)。不僅大大提高了床身的動(dòng)態(tài)性能：而且節(jié)省了材料，降低了生產(chǎn)成本。1.3機(jī)床設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1機(jī)床設(shè)計(jì)發(fā)展的幾個(gè)階段 機(jī)床設(shè)計(jì)和其它機(jī)器設(shè)計(jì)一樣，也經(jīng)歷了由靜態(tài)分析向動(dòng)態(tài)分析，由定性分析向定量分析，由線性分析向非線性分析，由安全設(shè)計(jì)向優(yōu)化設(shè)計(jì)，由手工計(jì)算向自動(dòng)化計(jì)算的發(fā)展過(guò)程。 (1)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段：二十世紀(jì)40年代以前，因受當(dāng)時(shí)理論水平和試驗(yàn)手段的限制，主要是用一些具有不同條件系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，并輔以“類比法來(lái)確定零部件結(jié)構(gòu)和尺寸。這種設(shè)計(jì)方法盲目性比較大，往往導(dǎo)致機(jī)床尺寸增加，重量偏大，特別是為了保證某些動(dòng)態(tài)性能

21、，更會(huì)引起不應(yīng)有的加大結(jié)構(gòu)尺寸現(xiàn)象。 (2)理論分析計(jì)算與試驗(yàn)研究相結(jié)合的設(shè)計(jì)階段：二十世紀(jì)40年代至60年代初期，它首先根據(jù)理論計(jì)算和局部試驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)尺寸，制造樣機(jī)。再對(duì)樣機(jī)進(jìn)行整機(jī)和局部薄弱環(huán)節(jié)的各種試驗(yàn)，最后補(bǔ)充修改定型。 (3)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)階段：二十世紀(jì)60年代中后期以來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，使得在機(jī)床設(shè)計(jì)中可以主要利用分析計(jì)算法來(lái)計(jì)算機(jī)床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力、變形等。機(jī)床設(shè)計(jì)思想的主要內(nèi)容是，把實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化為模型，根據(jù)提供的數(shù)據(jù)和選定的目標(biāo)函數(shù)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、計(jì)算并選定最佳方案。1.3.2現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想 本世紀(jì)初以來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)機(jī)床產(chǎn)品的質(zhì)量要求

22、越來(lái)越高，新材科、新技術(shù)的應(yīng)用也同時(shí)有了很大發(fā)展，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了許多新型設(shè)計(jì)理論和方法，這些都使得現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想進(jìn)入了一個(gè)以試驗(yàn)研究及理論計(jì)算為基礎(chǔ)的較高級(jí)階段。研究設(shè)計(jì)程序、規(guī)律及設(shè)計(jì)思維和工作方法，不僅尋求產(chǎn)品本身的最佳化，還要實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造、試驗(yàn)、檢驗(yàn)的全過(guò)程以至整個(gè)系統(tǒng)的最佳化?，F(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想是與現(xiàn)代科技發(fā)展相適應(yīng)的一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想。其主要內(nèi)容包括： (1)設(shè)計(jì)對(duì)象系統(tǒng)化。把設(shè)計(jì)對(duì)象即機(jī)床產(chǎn)品視為一個(gè)系統(tǒng)不僅關(guān)注其組成單元要素，還要考慮邊界、環(huán)境和輸入輸出等特征，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的那種局部、孤立地處理問(wèn)題，而是整體、系統(tǒng)地對(duì)待設(shè)計(jì)對(duì)象。這還有助于引入系統(tǒng)論、信息論和控制論等現(xiàn)代科

23、學(xué)理論，用系統(tǒng)觀點(diǎn)進(jìn)行全方位設(shè)計(jì)。 (2)設(shè)計(jì)內(nèi)容完善化。現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想已超出常規(guī)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范疇，擴(kuò)展到概念設(shè)計(jì)，可靠性設(shè)計(jì)和宜人性設(shè)計(jì)等更加完善的內(nèi)容。使機(jī)床產(chǎn)品實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀及舒適，具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 (3)設(shè)計(jì)目標(biāo)最優(yōu)化?，F(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想追求的是目標(biāo)最優(yōu)化，不僅是對(duì)某項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的單一目標(biāo)優(yōu)化，而且要對(duì)系統(tǒng)的諸多參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)的整體優(yōu)化，利用計(jì)算機(jī)求得理論上的精確解即最佳方案，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)在各項(xiàng)技術(shù)性能、可靠性及經(jīng)濟(jì)性等方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效果。 (4)設(shè)計(jì)問(wèn)題模型化。簡(jiǎn)化模型是對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的高度概括和抽象，數(shù)學(xué)模型是最適于分析和研究的一種形式。通過(guò)數(shù)學(xué)模型就可把工程問(wèn)題與數(shù)學(xué)

24、理論緊密結(jié)合起來(lái)，借助計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行定量運(yùn)算和優(yōu)化處理，并可應(yīng)用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真等現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)。 (5)設(shè)計(jì)過(guò)程動(dòng)態(tài)化。現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想更加注重產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能，在設(shè)計(jì)階段就要對(duì)產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)首先要建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)驗(yàn)算或?qū)嶋H測(cè)試加以驗(yàn)證。然后用計(jì)算機(jī)對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，修改某項(xiàng)參數(shù)，比較相應(yīng)結(jié)果。直至達(dá)到滿意的動(dòng)態(tài)性能，最后獲得最優(yōu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方案。3第二章 機(jī)床立柱的作用 蕪湖瑞精機(jī)床有限責(zé)任公司專業(yè)生產(chǎn)各種機(jī)床，機(jī)床立柱是機(jī)床重要的結(jié)構(gòu)件之一，起著機(jī)床上下運(yùn)動(dòng)及支撐作用。 機(jī)床立柱材質(zhì):常見的為HT250,這種材質(zhì)強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性均較好，減振性良

25、好，鑄造性能較優(yōu)，需進(jìn)行人工時(shí)效處理.除此之外經(jīng)常用到的還有HT200 HT300 或球墨鑄鐵，根據(jù)不同工作要求而定。機(jī)床立柱加工要求:機(jī)床立柱加工要求主要體現(xiàn)在其導(dǎo)軌面的精度及硬度，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)床床身導(dǎo)軌面相當(dāng)，一般不超過(guò)3道，導(dǎo)軌硬度根據(jù)材質(zhì)不同，淬火完成后分別為HT250-HRC4650 HT300-HRC4852 ，淬火深度2.5-3mm。 機(jī)床立柱的作用:加工中心立柱主要是對(duì)主軸箱起到支撐作用，滿足主軸的Z向運(yùn)動(dòng)。目前普遍采用的是雙立柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，對(duì)于大中型的移動(dòng)立柱固定于滑座上。因?yàn)榱⒅沁B接床身與主軸、刀庫(kù)的重要部件，所以它的設(shè)計(jì)必須得到重視。對(duì)于主軸來(lái)講，正確的安裝立柱對(duì)

26、于加工中心加工出合格的零件有著不能忽視的作用，而立柱的安裝主要反映在其與工作臺(tái)的垂直度上。第三章 數(shù)控機(jī)床立柱的三維CAD建模2.1 CAD的概念與特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD(Computer Aided Design)是從上世紀(jì)50年代開始的，隨著計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備的發(fā)展而形成的一門技術(shù)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程科學(xué)技術(shù)之間跨學(xué)科的邊緣科學(xué)，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的一個(gè)重要方面，也是近年來(lái)我國(guó)大力推廣的一項(xiàng)新技術(shù)。 在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，參考已有經(jīng)驗(yàn)和資料，進(jìn)行構(gòu)思設(shè)計(jì)方案、建立設(shè)計(jì)模型計(jì)算、分析、繪圖、反復(fù)修改等過(guò)程，最后設(shè)計(jì)出滿足要求的方案，并繪出圖樣和編制設(shè)計(jì)文件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，有

27、創(chuàng)造性的思維勞動(dòng)，有綜合性的分析及判斷，也有復(fù)雜的計(jì)算和精密的 繪圖等，工作量大，而且要做很多重復(fù)性的繁瑣勞動(dòng)，要有設(shè)計(jì)者來(lái)完成所有環(huán)節(jié)的工作，設(shè)計(jì)效率低。 CAD是指設(shè)計(jì)者以有高速計(jì)算能力和顯示圖形的計(jì)算機(jī)為工具，用各自的專業(yè)知識(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的規(guī)劃、分析計(jì)算、綜合、模擬、評(píng)價(jià)、繪圖和編寫技術(shù)文件等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱。設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新能力、想象力、經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算的能力、圖形顯示與處理能力相互有機(jī)結(jié)合，綜合運(yùn)用多學(xué)科的相關(guān)技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品描述及設(shè)計(jì)，極大的提高設(shè)計(jì)工作的效率，為無(wú)圖紙化生產(chǎn)提供了前提。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、計(jì)算機(jī)精度高、存儲(chǔ)信息量大、邏輯推理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，代替人工進(jìn)行計(jì)

28、算與繪圖，并通過(guò)人機(jī)交互，最大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造力，改變單獨(dú)由設(shè)計(jì)者進(jìn)行全部設(shè)計(jì)工作的情況，人與計(jì)算機(jī)密切配合，各盡所長(zhǎng)，發(fā)揮人的主導(dǎo)作用，CAD的特點(diǎn)為： (1)大大的減少了設(shè)計(jì)計(jì)算、制圖和制表所需的時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)工作效率，縮短設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 (2)可以從諸多設(shè)計(jì)方案中進(jìn)行比較，選出最佳方案，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，并可以在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)估產(chǎn)品的性能。 (3)圖樣輸出格式統(tǒng)一，質(zhì)量高，修改設(shè)計(jì)方便。 (4)使設(shè)計(jì)人員從繁瑣重復(fù)的設(shè)計(jì)勞動(dòng)解放出來(lái)，以便將精力投入到新技術(shù)開發(fā)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的研究之中，進(jìn)行計(jì)算機(jī)所不能替代的創(chuàng)造性工作。 (5)有利于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、加速產(chǎn)品的

29、開發(fā)和投產(chǎn)過(guò)程，使新產(chǎn)品更快的投入市場(chǎng)，提高市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。 (6)有利于計(jì)算機(jī)輔助制造的發(fā)展。通過(guò)CADCAM集成化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的一體化。2.2三維幾何造型方法 人類的現(xiàn)實(shí)世界是一個(gè)有眾多類型三維幾何形體構(gòu)成的集合體，因此人們?cè)谠O(shè)計(jì)某一物體時(shí)，其最初的構(gòu)思是從三維空間出發(fā)的。但在以往設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)信息卻是通過(guò)二維圖紙來(lái)表達(dá)的，這對(duì)于復(fù)雜的物體來(lái)說(shuō)，往往難以描述清楚。并且對(duì)后繼的機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的分析、應(yīng)力應(yīng)變和數(shù)控加工等方面無(wú)法提供強(qiáng)有力的支持。為了滿足工程實(shí)際的需要，上世紀(jì)60年代以來(lái)人們開始致力于研究和發(fā)展三維幾何造型技術(shù)。三維幾何造型技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了線框造型、曲面造型和實(shí)

30、體造型等幾個(gè)階段。而目前人們研究較多的特征造型以及參數(shù)化、變量化造型則是在實(shí)體造型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 線框造型是CADCAM技術(shù)發(fā)展過(guò)程中最早應(yīng)用的三維模型，這種模型是有一系列空間點(diǎn)、直線和曲面組合而成。用來(lái)描述產(chǎn)品的輪廓外形，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的三維映像。線框模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)部是以邊表和點(diǎn)表表達(dá)和存儲(chǔ)的，由于它僅僅給出物體的框架結(jié)構(gòu)，沒有表面信息，故不能顯示物體的真實(shí)圖像。 曲面造型是在線框造型的基礎(chǔ)上增加面與邊的有關(guān)信息，用物體的表面來(lái)表示其基本形狀。它給出頂點(diǎn)的幾何信息及邊與頂點(diǎn)、面與邊之問(wèn)的二層拓?fù)湫畔?。面造型表示的幾何?duì)象，其表面可以由若干塊平面、二次曲面或參數(shù)自由曲面組成，包含

31、各個(gè)曲面片的類型、幾何參數(shù)、插值和擬合的算法以及面間交線的計(jì)算方法。雖然曲面造型比線框造型具有較豐富的形體信息，但未指明物體是實(shí)心還是空心，某部分是內(nèi)部還是外部，只能用于物體外殼的描述。 三維實(shí)體(UG)造型是關(guān)于物體幾何信息和拓?fù)湫畔⒌耐暾枋?。?shí)體造型也稱體素造型，主要研究如何方便地定義形狀簡(jiǎn)單的幾何形狀(即體素)，以及如何經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)牟紶枎缀芜\(yùn)算造出所需的復(fù)雜形體，并在圖形設(shè)備上輸出其各種視圖的方法。 三維模型代表了CAD技術(shù)發(fā)展的主流，與二維模型相比具有顯著的優(yōu)越性。波音飛機(jī)公司在777新型客機(jī)的設(shè)計(jì)中，全面應(yīng)用了三維實(shí)體模型技術(shù)，到1991年約有半數(shù)零件(6萬(wàn)多件)的50細(xì)節(jié)采用的是三

32、維實(shí)體設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中排除了50的差錯(cuò)，省去了部分樣機(jī)制造。美國(guó)麥道飛機(jī)用UG II軟件來(lái)建立整個(gè)飛機(jī)的電子樣機(jī)，完全省去了實(shí)物模擬和試切工序。國(guó)外歷史較久的CAD軟件，如CASAM、CATIA、UGII等，一般都有三維線框、曲面、實(shí)體三種建模方法，且出現(xiàn)了將三種模型有機(jī)結(jié)合起來(lái)。統(tǒng)一靈活使用，三維與二維模型相互協(xié)調(diào)一致的趨勢(shì)。后起的軟件如IDEAS、PROE等則側(cè)重于實(shí)體模型，主要用體素拼合等局部操作來(lái)構(gòu)造復(fù)雜的形體。本次三維造型全用UG造型第四章 立柱裝配立柱 減速箱減速箱的作用主要是降低電動(dòng)機(jī)的輸出 和提高電動(dòng)機(jī)的輸出 。另外，動(dòng)力源（發(fā)動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)）的轉(zhuǎn)速一般是和我們

33、需要的轉(zhuǎn)速有差異的，輸出轉(zhuǎn)速都很高，為了得到我們需要的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，需要將動(dòng)力源的轉(zhuǎn)速降低，減速箱能到起這樣的作用。但是減速箱還有改變運(yùn)動(dòng)方向、實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速等多個(gè)用途。 減速箱箱體減速箱蓋板光柵尺光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移 或者角位移的檢測(cè)。其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。例如，在數(shù)控機(jī)床中常用于對(duì)刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)， 來(lái)觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個(gè)補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動(dòng)誤差的作用。 光柵尺定義： 光柵尺通過(guò)摩爾條紋原理，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，以

34、數(shù)字方式表示線性位移量的高精度位移傳感器。光柵線位移傳感器主要應(yīng)用于直線移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)量的精確 顯示和自動(dòng)控制，廣泛應(yīng)用于金屬切削機(jī)床加工量的數(shù)字顯示和CNC加工中心位置環(huán)的控制。該產(chǎn)品已形成系列，供不同規(guī)格的各類機(jī)床量 50毫米至 30米，覆蓋幾乎全部金屬切削機(jī)床的行程。光柵尺固定架滑塊調(diào)整墊滑塊調(diào)整墊的作用是彌補(bǔ)設(shè)備制造誤差和基礎(chǔ)偏差，使設(shè)備安裝滿足施工規(guī)范的要求。使設(shè)備滿足正常使用的要求。. 小帶輪調(diào)整塊調(diào)整塊.擴(kuò)大接觸面、降低緊固力對(duì)被緊固件的應(yīng)力集中，防止損壞被緊固件，擰緊螺母時(shí)不會(huì)劃傷被緊固件，材料一般為08F鋼強(qiáng)度、硬度很低，而塑性、韌性極高，具有良好的冷變形性和焊接性

35、，正火后切削加工性尚可，退火后導(dǎo)磁率較高，剩磁較少，但淬透性、淬硬性極低。故冷加工時(shí)，應(yīng)采用消除應(yīng)力熱處理，或水韌處理，防止冷加工斷裂。08F鋼的塑性很好，主要用來(lái)制造冷沖壓件。錳的在鋼中起到增加彈性強(qiáng)度的作用，因此在符合要求的情況下，含量可以有偏差。 壓蓋軸承座軸承座：軸承座是用來(lái)支撐軸承的，固定軸承的外圈，僅僅 讓內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈保持不動(dòng)，始終與傳動(dòng)的方向保持一致（比如電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向），并且保持平衡；,軸承座的概念就是軸承和箱體的集合體,以便于應(yīng)用,這樣的好處是可以有更好的配合,更方便的使用,減少了使用廠家的成本.至于形狀,多種多樣,通常是一個(gè)箱體,軸承可以安裝在其中Y軸上軸承座 Y軸下軸承座

36、防護(hù)套 護(hù)防套墊圈墊圈 擴(kuò)大接觸面、降低緊固力對(duì)被緊固件的應(yīng)力集中，防止損壞被緊固件，擰緊螺母時(shí)不會(huì)劃傷被緊固件，花墊和彈簧墊還有防止螺松脫的作用大帶輪平衡油缸安裝架 右防護(hù)罩 Y軸滾珠絲杠左/右防護(hù)罩 蓄能器 拖鏈支架立柱總裝第五章 關(guān)于立柱的一些問(wèn)題4.1立柱為何采用鋼焊龍門結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)1、鑄造的特點(diǎn)鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過(guò)程。鑄造毛胚因近乎成形，而達(dá)到免機(jī)械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上減少了時(shí)間鑄造是現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一。鑄造種類很多，按造型方法習(xí)慣上分為：普通砂型鑄造，包括濕

37、砂型、干砂型和化學(xué)硬化砂型3類。特種鑄造，按造型材料又可分為以天然礦產(chǎn)砂石為主要造型材料的特種鑄造（如熔模鑄造、泥型鑄造、鑄造車間殼型鑄造、負(fù)壓鑄造、實(shí)型鑄造、陶瓷型鑄造等）和以金屬為主要鑄型材料的特種鑄造（如金屬型鑄造、壓力鑄造、連續(xù)鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等）兩類。鑄造是比較經(jīng)濟(jì)的毛坯成形方法，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件更能顯示出它的經(jīng)濟(jì)性。如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋，船舶螺旋槳以及精致的藝術(shù)品等。有些難以切削的零件，如燃汽輪機(jī)的鎳基合金零件不用鑄造方法無(wú)法成形。 另鑄造的零件尺寸和重量的適應(yīng)范圍很寬，金屬種類幾乎不受限制；零件在具有一般機(jī)械性能的同時(shí)，還具有耐磨、耐腐蝕、吸震等綜合性能，是其他金屬

38、成形方法如鍛、軋、焊沖等所做不到的。因此在機(jī)器制造業(yè)中用鑄造方法生產(chǎn)的毛坯零件，在數(shù)量和噸位上迄今仍是最多的。 2、焊接的特點(diǎn) （1）焊接是通過(guò)加熱或加壓，或者兩者并用，并且用或不用填充材料，使焊件達(dá)到原子結(jié)合的一種加工方法。所以焊接是一種把分離的金屬件連接成為不可拆卸的一個(gè)整體的加工方法。在焊接被廣泛應(yīng)用以前，不同拆卸連接的主要方法是鉚接。與鉚接相比，焊接具有節(jié)省金屬、生產(chǎn)率高、致密性好、操作條件好、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。所以現(xiàn)在焊接已基本取代連接鉚接。（2）焊接的另一個(gè)特點(diǎn)是可以化大為小、以小拼大。在制造大型機(jī)件與結(jié)構(gòu)件或復(fù)雜的機(jī)器零件時(shí)，可以化大為小、化復(fù)雜為簡(jiǎn)單的方法準(zhǔn)備壞料，用鑄焊

39、、鍛-焊聯(lián)合工藝，用小型鑄、鍛設(shè)備生產(chǎn)大或復(fù)雜零件。例如我國(guó)生產(chǎn)的大型水壓機(jī)立柱或發(fā)電機(jī)主軸等。（3）焊接可以制造雙金屬結(jié)構(gòu)。用焊接方法可制不同材料的復(fù)雜層容器，對(duì)焊不同材料的零件或工具（如較粗的鉆頭，就是用45號(hào)作鉆柄，高速鋼作鉆頭的切削部分）等。所以，焊接是進(jìn)行金屬構(gòu)件、機(jī)器零件等的重要加工方法，如橋梁、建筑構(gòu)件、船體、鍋爐、車箱、容器等。此外，焊接還是修補(bǔ)鑄、鍛件的缺陷和磨損零件的重要方法。3、塑性加工的特點(diǎn) 1）金屬塑性加工時(shí)在金屬整體性得到保持的前提下，依靠塑性變形使物質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)工件形狀和尺寸變化的，不產(chǎn)生切削，因而材料的利用率高的多。 2)在塑性加工過(guò)程中，除尺寸和形狀發(fā)生變

40、化外，金屬的組織性能也得到改善和提高，尤其對(duì)于鑄造坯料，經(jīng)過(guò)塑性加工將使其結(jié)構(gòu)致密、粗晶破碎細(xì)化和均勻。從而使其性能提高。此外塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的流線也能使其性能得到改善。3)塑性加工過(guò)程便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)化、自動(dòng)化，適用于大批量生產(chǎn)，如扎制、拉拔加工等，因而勞動(dòng)生產(chǎn)率高。所以選取鋼焊機(jī)作為龍門式立柱材料是比較合理的。4、龍門式的結(jié)構(gòu) 鋼焊龍門結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu)有極好的對(duì)稱性和極佳的剛性， 它是高速切削設(shè)備的首選結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的C 型床身結(jié)構(gòu)相比， 龍門架形式的床身剛性較高，受力平均， 工件只在一個(gè)軸向移動(dòng)， 各運(yùn)動(dòng)軸及相對(duì)慣性低， 設(shè)計(jì)緊湊精密， 可確保高剛性， 高精度及高動(dòng)態(tài)特性。機(jī)床的橫梁可采用傾

41、斜30°結(jié)構(gòu)， 使主軸鞍座的的重心向后方移動(dòng)， 并且使橫梁的導(dǎo)軌間距盡量加大，如此可大大提高主軸的穩(wěn)定性和剛性。由于立柱的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主軸等移動(dòng)部件的質(zhì)量， 所以為機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng)和主軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)及負(fù)荷切削提供了堅(jiān)實(shí)的保證。 采用框架封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用斜向肋板提高。立柱的抗彎、抗扭能力，而且單位重量的剛度比其他結(jié)構(gòu)的剛度要高。主軸箱裝在立柱中間，沿立柱導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)符合剛度大、熱對(duì)稱性好和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。整個(gè)結(jié)構(gòu)也是采用Q235-A鋼焊接實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：（1）由于力的作用點(diǎn)在立柱的中央，因此立柱受扭矩力的因素少（2）熱對(duì)稱性好，主軸箱式機(jī)床的主要熱源，而它正好處于框形中

42、間，使立柱結(jié)構(gòu)成為熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這就減小了熱變形的影響；（3）穩(wěn)定性好，由于立柱結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)箱式布置，立柱的抗彎、抗扭剛度以及構(gòu)件的固有頻率都能得到提高。4.2 立柱為何采用有限元分析的方法立柱是立式銑床最關(guān)鍵的受力構(gòu)件,它的強(qiáng)度、剛度好壞將直接影響到機(jī)床的精度和壽命。若采用常規(guī)算法進(jìn)行線形設(shè)計(jì)計(jì)算,則不易給出準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，且無(wú)法了解立柱各部位的受力狀態(tài)和變形情況。導(dǎo)致的結(jié)果雖然增加了結(jié)構(gòu)重量,浪費(fèi)了材料,并且難以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平。隨著計(jì)算機(jī)與軟件技術(shù)的日益普及和應(yīng)用有限元分析等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法己受到工程設(shè)計(jì)人員的廣泛認(rèn)同和采用,并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。本文采用有限元軟件分析某

43、立式銑床立柱為結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)與改造提供了可靠的理論依據(jù)。通過(guò)有限元方法對(duì)立柱進(jìn)行分析,并進(jìn)一步討論了結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法使其各部位應(yīng)力盡量分布均勻、合理,提高強(qiáng)度和剛度,對(duì)提高立柱的壽命、加工精度、避免立柱斷裂有很好的指導(dǎo)意義。銑床立柱主要是對(duì)主軸箱起到支承作用，滿足主軸的Z向運(yùn)動(dòng)。因此，立柱應(yīng)具有較好的剛性和熱穩(wěn)定性。分析過(guò)程可歸納為如下四步：(1)連續(xù)體的離散化： 有限元是一種離散化的數(shù)值計(jì)算方法，它將連續(xù)介質(zhì)或結(jié)構(gòu)劃分成許多有限大小的字區(qū)域的集合。把每一個(gè)子區(qū)域稱為單元，將單元的集合稱為網(wǎng)絡(luò)。而實(shí)際的連續(xù)介質(zhì)看成是這些單元在它們節(jié)點(diǎn)上相互連接而組成的有效集體。因此，有限元方法是一種近似得數(shù)學(xué)計(jì)

44、算方法，隨著網(wǎng)絡(luò)的加密，等效集合體將逼近于實(shí)際結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)有限元計(jì)算模型逼近實(shí)際求解域，收斂趨于精確。（2）進(jìn)行單元特性分析，建立單元平衡方程： 在使用有限元方法對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，為了能用節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示單元體的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，假設(shè)位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單函數(shù)，這種函數(shù)就是形函數(shù)。適當(dāng)?shù)倪x擇形函數(shù)是有限元分析的關(guān)鍵。目前，一般采用多項(xiàng)式作為形函數(shù)，多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)等于單元的自由度數(shù)。根據(jù)選定的形函數(shù)就可以用節(jié)點(diǎn)位移推出單元內(nèi)任一點(diǎn)位移大小。其矩形式為：x=N K= 彈性體經(jīng)過(guò)離散化后，假定力是通過(guò)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元，但是作為實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一的，因而這種作用在

45、單元邊界的表面力以及作用在單元上的體積力、集中力等都需要等效到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上去，也就是要用等效的節(jié)點(diǎn)力來(lái)代替所有作用在單元上的力，其方法是基于作用在單元上的力和等效節(jié)點(diǎn)力在任何虛位移上虛功相等的原則進(jìn)行的。（3）建立結(jié)構(gòu)整體平衡方程，確定栽荷及邊界條件： 將單元組合成總體的問(wèn)題，構(gòu)造總體栽荷矩陣F和剛度矩陣K,這個(gè)集合的過(guò)程包括單元的剛度矩陣集成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣和作用于各個(gè)單元的等效節(jié)點(diǎn)力矩陣組集成總栽荷矩陣。構(gòu)造總體剛度矩陣和栽荷矩陣是基于所有相鄰單元在公共節(jié)點(diǎn)出位移相等的原則由此得到的總體栽荷矩陣F和總體剛度矩陣K，以及整個(gè)物體的節(jié)點(diǎn)位移矩陣￥，從而得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程.求解之前必須

46、設(shè)定邊界條件。所謂邊界條件就是整個(gè)結(jié)構(gòu)受到的約束條件，以用來(lái)消除鋼體位移。使用邊界條件處理后的平衡方程，就可以解出未知節(jié)點(diǎn)位移。再根據(jù)形函數(shù)及應(yīng)變矩陣，就可以進(jìn)一步得出結(jié)構(gòu)上任意一點(diǎn)的位移、應(yīng)力等信息。（4）解方程組求解 求線性或非線性的微分方程組，以得到節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)力值。平衡方程組的解法主要有兩類：直接解法和迭代解法。幾乎在所有的實(shí)際引用中，直接解法是目前最有效的解法。（5）結(jié)果分析當(dāng)一個(gè)分析完成后，需要查看分析結(jié)果的正確性，獲得并輸出有用結(jié)果。變形分析屬線彈性系統(tǒng)的應(yīng)變分析。線性結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析總的等效方程為： 通過(guò)有限元方程 式得出各節(jié)點(diǎn)位移矢量根據(jù)位移插值函數(shù)，由彈性力學(xué)中給出的應(yīng)變和

47、位移及應(yīng)變和應(yīng)力的關(guān)系，得到單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力的表達(dá)式,求解上式得到各節(jié)點(diǎn)應(yīng)變和應(yīng)力機(jī)床的靜剛度主要決定于部件的材料、尺寸、形狀和筋板的布置等因素，它是衡量機(jī)床立柱特性優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。提高立柱的靜剛度對(duì)于提高加工效率、表面加工質(zhì)量和加工精度是十分有效的。因此通過(guò)立柱有限元模型的靜力分析，得出立柱的靜剛度值及其分布是十分必要的。 4.3 立柱各部件的用途 優(yōu)點(diǎn) 特性4.3.1伺服電機(jī) 首先我們來(lái)看一下伺服電機(jī) (如步進(jìn)電機(jī))相比到底有什么優(yōu)點(diǎn)：1、精度：實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題；2、轉(zhuǎn)速：高速性能好,機(jī)器人示教器，rv減速機(jī)，rv減速器，諧波減速機(jī)，機(jī)器人

48、控制器，示教器，減速機(jī)，行星減速機(jī)，機(jī)器人本體，二手機(jī)器人，機(jī)器人線纜，伺服電機(jī)，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到20003000轉(zhuǎn)；3、適應(yīng)性：抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用；4、穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場(chǎng)合；5、及時(shí)性：電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是：我們平?？吹降哪欠N普通的電機(jī)，斷電后它還會(huì)因?yàn)樽陨淼膽T性再轉(zhuǎn)一會(huì)兒，然后停下。而伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)是說(shuō)停就停，說(shuō)走就走，反應(yīng)極快。但步進(jìn)電機(jī)存在失步現(xiàn)象。 伺服電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

49、就太多了。只要是要有動(dòng)力源的，而且對(duì)精度有要求的一般都可能涉及到伺服電機(jī)。如：機(jī)床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線等對(duì)工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對(duì)較高的設(shè)備電機(jī)4.3.2 滾珠絲杠滾珠絲杠是一種新型的螺旋傳動(dòng)元件，相比于其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠效率高，精度高，并具有優(yōu)越的高速特性、耐磨性及運(yùn)動(dòng)可逆性等特性。滾珠絲杠副在機(jī)床工業(yè)、汽車工業(yè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、航空工業(yè)、船舶工業(yè)和兵器工業(yè)等各個(gè)部門皆獲得了日益廣泛的應(yīng)用。張緊力在鋼帶的設(shè)計(jì)中是一個(gè)非常重要的參數(shù)。張緊力過(guò)小，摩擦力小，容易打滑；張緊力過(guò)大，降低鋼帶壽命，同時(shí)，軸和軸承受力大。因此，應(yīng)通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)

50、行確定適當(dāng)?shù)膹埦o力，以在保證鋼帶在帶輪上不打滑為原則的基礎(chǔ)上，取盡可能小的張緊力。絲杠運(yùn)動(dòng)又稱為螺旋運(yùn)動(dòng)，用來(lái)將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直污運(yùn)動(dòng)。絲杠運(yùn)動(dòng)可傳遞能量或動(dòng)力，同時(shí)也可傳遞運(yùn)動(dòng)或調(diào)整零件之間的相對(duì)位置。如螺茇玉力機(jī)、千斤頂以傳遞能量為主，而機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠則以傳遞運(yùn)動(dòng)為主。滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間放入適量滾珠，使絲杠和螺母之間的摩擦由滑動(dòng)摩擦變滾動(dòng)摩擦。根據(jù)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況，其傳動(dòng)方式也是多種多樣的。對(duì)于滾珠絲杠副，其結(jié)構(gòu)上最明顯的特征是：構(gòu)件間的可動(dòng)連接通常不是借助于運(yùn)動(dòng)副工身，而是在絲杠和螺母兩個(gè)構(gòu)件之間利用中間元件（滾珠來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這與滾動(dòng)軸承類似。當(dāng)螺母2或絲杠0轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠3依次沿螺紋滾道滾動(dòng)，同時(shí)滾珠3促使絲杠1或螺母2進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。為了防止?jié)L珠沿螺紋滾道滾出，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置向器）4，構(gòu)成一個(gè)滾珠循環(huán)通道。借助于這個(gè)返回裝置，可以使?jié)L珠沿滾道面運(yùn)動(dòng)后，4通道自動(dòng)地返回到工作的入口處，形成一條閉合通路。4.3.3