機械制造專業(yè)畢業(yè)設計小型龍門加工中心主軸系統模塊化設計ANSYS模態(tài)分析PROE建模

1、第一章 概述隨著全球化經濟競爭的愈演愈烈，產品小批量、客戶化、快速交貨要求的不斷加強，迫切要求企業(yè)具有快速響應市場能力。企業(yè)對市場響應速度的快慢、產品開發(fā)一次成功率的高低，不僅決定了企業(yè)在市場上所占份額的大小，而且決定了企業(yè)能否立足市場的命運。如何在短期內設計出符合客戶的個性化要求、質量可靠、性能優(yōu)良、成本低廉的優(yōu)質產品，是企業(yè)在市場競爭中占據有利地位的關鍵。目前，國內大部分制造業(yè)企業(yè)的設計、制造手段比較落后，與發(fā)達國家的差距較大。隨著市場競爭日益激烈，如何使企業(yè)的產品快速響應市場，在較短時間內以較高性能價格比的產品占領市場，是企業(yè)得以生存和發(fā)展的關鍵。模塊化、并行設計等快速設計技術的發(fā)展和應

2、用，大大縮短了機床新產品開發(fā)的周期;有限元分析、仿真技術、虛擬樣機技術等新技術不斷地運用到新產品的開發(fā)過程中，極大地提高了新產品的性能，并降低了開發(fā)的費用。結構的動態(tài)特性分析理論經過科學工作者多年努力，發(fā)展到一定程度，隨著有限元方法的應用，為數控機床結構設計理論建模提供了必要的數據和結構修改依據，使基于理論模型的新產品性能預測和優(yōu)化設計變得可能。1.1 模塊化設計研究現狀模塊化設計是在對一定范圍內的產品或系統進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能獨立、結構獨立的基本單元模塊，并使模塊系列化、標準化，通過模塊的選擇和組合可以構成不同的產品或系統，以滿足不同的需求的設計方法。模塊化設計方法已

3、經在機械、電工電子、船舶、建筑、電力、武器裝備等行業(yè)中得到廣泛應用，并取得了顯著的效益。因此，模塊化設計理論研究也得到學術界和工業(yè)界的廣泛關注。1.1.1 模塊化設計與制造的意義模塊化設計是快速響應設計的核心，它用功能模塊組成產品，模塊的可互換性和可組合性是實現產品快速設計的基礎。根據模塊化思想，產品將由傳統產品一部件一零件的構成模式轉變?yōu)橐阅K和模塊單元組成產品的模式。模塊化制造是用模塊化的概念構造整個生產系統圈，即以模塊化裝備構造模塊化生產系統(MPS)，以產品模塊組織生產和管理，形成企業(yè)的經營模式。從產品設計、制造系統設計，制造過程的實施和管理，均采用模塊化技術，按這一原則組成的制造系統

4、稱為模塊化制造系統網。模塊化設計與制造具有以下優(yōu)點:(1)縮短產品的設計與制造周期。據統計，在設計過程中利用模塊化設計能節(jié)約時間50%。在新產品開發(fā)時，由于系統中存在大量通用模塊，產品設計時間可大為縮短;進行新產品開發(fā)時，只要增加少量專用模塊就可組成滿足用戶所需的特定產品品種。(2)有利于提高新產品的開發(fā)質量。因為模塊為獨立單元，可根據科技發(fā)展的情況和可能，將新技術用于模塊的設計，并進行實驗考核，待結構可靠、性能穩(wěn)定后，取代老的模塊結構，以加速產品更新換代。(3)有利于降低成本，增強產品的競爭能力。由于按模塊組織生產，使得大多數的零部件由單件、小批量生產轉變?yōu)榕炕a，于是便于采用先進工藝和

5、專用設備組織專業(yè)化生產。在提高產品質量的同時，有助于提高勞動生產率，降低制造成本和減小廢品率。(4)適于產品的大規(guī)模定制和滿足產品客戶化的需求。大規(guī)模定制是企業(yè)采用各種技術和管理手段在大規(guī)模生產模式下實現產品對顧客的個性化定制，并要滿足預定的成本和時間目標。采用模塊化設計，建立合理的產品族結構，用大批量生產的成本實現產品的多品種、小批量個性化生產。因此模塊化設計是實現大規(guī)模定制的前提和條件?；谀K化方法的機床設計有著重要的技術經濟意義，主要體現在:1、節(jié)約設計時間，縮短供貨周期:采用模塊化設計方法，企業(yè)產品系列中已有很多通用模塊，在用戶提出要求后，可用己有模塊或設計制造少量專用模塊便可組成用

6、戶所要求的產品。如德國SCHIESS公司，其機床產品采用模塊化設計后，從訂貨到供貨一般只需四個月時間。2、便于產品更新換代，發(fā)展變型產品:根據用戶需要，設計新的功能模塊，組合成具有新功能的模塊系統.用新技術設計性能好的模塊，取代原有功能模塊，發(fā)展性能好的變型產品。3、提高產品質量，降低生產成本:模塊精心設計，批量加工，有利于組織專業(yè)化生產，既提高質量又降低成本。模塊化不僅是設計方法的改革，而且是推動整個工廠技術、生產、管理及組織體制的改革。4、便于維修:由于產品由相對獨立的模塊組成，因此，很便于維修，必要時可更換模塊，而不致影響生產。5、便于實現標準化功能模塊:傳統的標準化建立在零件級基礎上，

7、而模塊化則是根據產品的不同建立在模塊級上的標準化，是一種趨向于宏觀的標準化。它具有兩個特點:一是面向功能，而不是具體的形狀、結構和制造上的標準化;二是注重結合面的標準化，從而把標準化管理部分地從細節(jié)中解脫出來，分層次、有側重。1.2課題的提出及論文的結構體系現代加工技術日益向著高速、大切削量的方向發(fā)展，這就要求所設計的機床具有高速、高剛度、高精度的優(yōu)良勝能。為了適應生產線的快速可重組性，現代數控機床對地基的要求越來越弱，或者根本就不需要特殊的地基，數控機床加工中的振動不僅產生噪音，還將嚴重影響零件加上表面的質量。由于我國數控機床結構設計技術和手段落后，因此有進行數控機床結構研究的必要性。本課題

8、研究的目的在于采用先進、科學的CAD手段，根據“模塊化設計”階段提出的方案設計，對加工中心的三種主軸系統進行結構設計，關鍵部位的計算。直至零部件和整機的各項性能指針都能滿足現在的高效率、高精度的要求，使機床在工作過程中實現低速、準高速、高速三種主軸系統之間的快速調換，以增強機床的生產效率和競爭力。本課題的研究成功，可以為加工中心主軸系統部分提出有普遍意義的結構設計方案，必將有助于縮短新產品開發(fā)周期、保證新產品特性、降低設計費用。為推動機床工業(yè)的發(fā)展起到一定的促進作用。論文研究的主要內容論文主要的章節(jié)和內容：1.第一章綜述了龍門加工中心主軸系統模塊化設計的發(fā)展狀況，闡述課題提出的目的和意義，明確

9、了本文研究的主要內容。2.第二章對小型龍門加工中心的總體進行研究，進行總體布局設計。3.第三章對加工中心的三種主軸系統進行整體的設計，進行關鍵部件的設計與計算。4.第四章對加工中心主軸系統進行總體的裝配，完善各個主軸系統的整體設計。5.第五章對三種主軸系統進行三維設計建模。6.第六章結束語。第二章 龍門加工中心總體設計機床設計從常用的功能設計進一步發(fā)展為機床結構的剛度設計、精度設計、高速化設計、誤差補償技術、壽命設計和可靠性設計等現代先進機床設計技術。為了實現精密機床設計要求，在機床設計中要對各方面進行綜合考慮。數控機床造型設計強調功能與造型的統一,造型以功能為基礎并體現外觀美。過分強調功能而

10、忽視外觀美的創(chuàng)造,或者在不體現功能的條件下追求外觀美,都會影響產品的功能。數控機床是一種具有強烈的時代感和技術特征的產品,造型應充分體現加工中心高技術、高效率、多功能、高精度、高可靠性、高自動化等特點,也就是通過理性、嚴謹、整體的造型語言表達產品品質優(yōu)異、工藝技術精湛,以及高效率的內在品質。具體到產品設計上就是處理好形體線型、形體之間的過渡、表面肌理和裝飾、色彩搭配等,并把握好產品造型的視覺情感。圖2-1 龍門加工中心整體布局2.1、機床支承大件的功能要求機床大件通常指床身、立柱、工作臺、橫梁、箱體、底座等部件，它們是其他零、部件賴以連接、固定和運動的基礎。機床的整體功能，在很大程度上取決于其

11、支撐大件的結構功能。一般機床支撐大件的功能要求如下表2-1：支承大件功能技術經濟要求1尺寸容量支承大件的形體尺寸，如鏜床、車床等機床，應能容納加工零件的最大輪廓尺寸；但如龍門刨床、平面磨床等機床，不僅要包容工件的輪廓尺寸，還用考慮刀具與工件之間相對運動所涉及的最大行程。2性能要求支承大件的性能要求，旨在為實現整機功能提供可靠的剛度和強度支承，其結構功能應保證在工作情況下的工作應力、變形、撓度和位移保持在規(guī)定范圍以內。因此要滿足以下要求：1靜剛度要高，在承受最大載荷時，變形量不超過規(guī)定值；在大件本體移動時，或者其他部件在大件上移動時，靜剛度的變化要小2動剛度要好，在預定的切削條件 工作時，其振動

12、和躁聲應在允許范圍內3溫度分布合理，工作時的熱變形對加工精度的影響小4導軌的受力合理,耐磨性良好3技術及其經濟效率1.保證造作者在最安全合最方便的情況下進行機床調整和操作2.保證機床維護和修理具有滿意的條件,易于安全運輸和裝卸3.結構的總重量與元件重量的分布,要滿足技術和經濟要求,并能低成本,高效率地進行制造和安裝4外觀造型要求 要考慮到諸多的人機關系和時代的審美要求.現代科學和工藝的高速發(fā)展,機床產品的造型情趣,一般崇尚明快,簡潔的直線方角造型,提倡古典魅力與現代造型和技術的巧妙柔和,以突出獨立自主的,有自我個性的造型情趣.2.2、機床大件的結構特征、形體結構特征 機床的床身、立柱、工作臺、

13、橫梁、箱體、底座等支承大件,就其形體結構有如下兩個特征:從形體上看,是空間板系結構;從載荷上看，是空間立系的載體。見下表2-2：結構特征簡要說明1、空間板系組合結構機床支承大件屬于空間板系結構或者板、梁等空間組合結構。2。、空間力系載體機床在靜態(tài)和動態(tài)中可能產生的各種作用力，都直接或間接的由大件來承受。機床大件的設計，通常把各種力歸納為靜態(tài)力和動態(tài)力，再分別研究結構的靜剛度和動剛度。對于大型、重型、高速精密機床的大件，還要考慮到沖擊或振動干擾力的作用下，可能產生位移、速度和加速度，以及由于板壁失穩(wěn)而出現的結構斷面形狀畸變和躁聲等動力響應問題；對于高速精密機床，如磨床，由于加工過程中產生大量的切

14、削熱，以及電動機和液壓系統的發(fā)熱，因此還應考慮到大件的熱變形問題。所以，機床支承大件的設計需要進行受力、變形和剛度分析。、結構工藝性特征 結構工藝性是指在一定生產規(guī)模條件下，實現產品特定功能所需的材料、加工和裝配方法的經濟性原則。以傳統的鑄造結構作為比較的基礎，機床大件的結構工藝性特征，見下表2-3：表2-3機床大件的結構工藝性特征結構工藝類別材料生產方法周期經濟性原則市場適應性生產規(guī)模產品類型產品精度鑄造結構灰鑄鐵鑄造工藝長大、中批量中、小型普通、精密一般焊接結構鋼板與型鋼焊接工藝短單件、小批大、中型精密、高精度好復合結構鋼與鑄鐵綜合工藝長單件、小批大、中型高精度不好金屬與金屬鋼、鐵與混凝土

15、、環(huán)氧樹脂混凝土、花崗巖金屬與非金屬、機床搭建的組合與支承機床支承搭建，主要之床身、底座、橫梁、橫臂和定量等。根據機床的不同功能要求，對它們進行不同的組合和布局。目前，機床整體布局的設計還沒有一套規(guī)范化的構建方法。一般以同類型機床的響應部件作為參考，然后再對主要問題進行一些力學的定性分析和比較，即采用類比設計的方法。布局設計時要注意以下幾個方面：1、盡量減少固定結合面 支承大件在靜力和力矩作用下，除了會發(fā)生本體彈性變形、斷面畸變和局部變形以外，還會在大件與大件之間的結合面上產生接觸變形。大件與大件之間的結合面，有固定結合面和活動結合面，如車床主軸箱與床身的連接，是固定結合面；尾坐與床身的連接，

16、是活動結合面。在作用力傳遞回路內的結合面越多，產生接觸變形的地方就越多。所以，在機床設計時應盡量減少固定結合面的數量，即構成機床整機的支承大件數越少越好。但不可避免的固定結合面的面積應盡量加大。2、改善大件的支承條件在確定采用的大件后，要考慮通過改善支承條件，減少外力及自重引起的彈性變形等提高大件剛度的問題。改善支承條件，首先通過提高支承條件常數來提高支承剛度。其次，使加工工件的作用力點盡量靠件支承大件，也是提高支承剛度的有效方法。2.3、機床結構特點：1、床身床身是機床的基礎部件，是支承機床其它各部位的部件，是整個機床的支撐部分。為了避免機床重量過大，應該將床身設計為空心結構，中間加上肋板保

17、證機床剛度強度等。裝有滑座的橫梁落座在床身上，并在床身上完成Y軸進給運動，本機床Y軸采用雙邊驅動方式，這可以保證機床在Y軸的兩個方向上不至于因為受力不均勻造成精度不好等問題。Y軸由直線滾柱導軌副支承和導向。Y軸伺服電機通過驅動滾珠絲杠螺母旋轉機構實現驅動。此外，工作臺還要放置在床身上，為了保證和工作臺配合一致，應將床身和工作臺設計為一致。2、工作臺 工作臺是固定、加工工件的部分。它要承受切削力并能保證一定定位精度。應選用優(yōu)質材質，應用先進工藝鑄造成型，承載能力大。3、橫梁橫梁是實現機場縱向加工的部件，主軸箱的移動是實現機床在Z軸方向的運動。為提高剛度，采用直線滾珠導軌副。由于本機床要求的加工精

18、度較高，所以對橫梁的要求比較高，尤其是橫梁的重量及其受力分析。4、主軸系統本機床的主軸系統能夠快速的在三種即：低速主軸3000轉/min;準高速主軸8000轉/min;高速電主軸1.8萬轉/min三種主軸的互換。從而使本機床在加工過程中能在各個轉速情況下保持很高的加工精度。5、潤滑本機床軸承采用油脂潤滑，絲杠、導軌均采用自動潤滑站供油，油脂潤滑。6、機床冷卻和防護機床采用大流量高揚程水冷和油霧冷卻兩套冷卻系統，適用于鋁合金和鈦合金等多種金屬加工。冷卻效率高，提供切削時對刀具、工件的冷卻，排屑清洗，并將切屑沖送到自動排屑器上，以便自動回收切屑。切屑由兩個鏈式排屑器傳送到集屑小車里。本機床是一種工

19、作臺固定，A、C兩軸的運動由雙擺銑頭實現，這樣的設計其動態(tài)響應特性好。機床工作臺和工件均固定不動，避免了質量大的工作臺和工件對動態(tài)性能的影響，還避免了工件質量變化造成的動態(tài)性能變化。機床移動部份為質量較輕的橫梁、滑座和主軸滑枕，同時X、Y、Z向導軌采用滾柱直線導軌，摩擦阻力小，使機床具有很好的動態(tài)響應特性。并且成功地應用了雙驅技術，大大提高了機床性能。機床基礎鑄件采用薄壁多筋結構，結構緊湊，使機床具有高的剛度。滾珠絲杠安裝時，進行了預拉伸，提高傳動剛度，消除熱膨脹誤差，確保高精度。結構上采用了絲杠螺母旋轉技術，避免了長絲杠旋轉的諸多弊病。第三章 主軸系統模塊化設計及計算主軸系統是一個機床的重要

20、部件。由于機床對不同工件的加工，要保持很高的加工精度，刀具就要在加工不同工件時選用不同的轉動速度，在保證加工精度的情況下就不能通過一種主軸系統的傳動，因為在轉速大幅度變化下會使加工精度受到很大的影響。所以在模塊化的理念下對加工中心的主軸系統也進行模塊化設計。模塊化設計能夠使機床快速的在三種主軸系統件快速的互換，為了能夠實現這一目的，所設計的三種主軸系統的外型尺寸相同，在同一卡具下能夠快速的裝載和卸載。確定三中主軸系統的傳動方式；低速主軸采用帶輪傳動，準高速采用電機與主軸直連方式傳動，高速主軸直接選用型號合適的電主軸。機床設計的基本要求：1、設計的加工中心刀具主軸最高轉速1.8萬轉/min；30

21、00轉/min；8000轉/min；主軸功率15KW；2、設計的加工中心的加工范圍為1.2mX1.6m；3、設計的機床要求可以進行粗加工、半精加工和精加工。定位精度0.003mm.3.1、主軸系統結構設計的原則軸的結構設計的原則是：（1）受力合理，有利于提高州的剛度和強度；（2）軸和軸上零件有確定的工作位置。即保證軸相對與機架定位可靠性，軸上零件的軸向定位可靠；（3）軸有良好的結構公益性包括：便于加工制造，軸上應力集中小，材料省、重量輕；軸上零件裝、拆和調整方便，保證每個零件裝配到周上市，不論其配合性質如何，均能自由地通過前面各軸段，而不損傷其表面。3.2主軸部件精度加工中心主軸部件由主軸動力

22、、傳動及主軸組件組成，它是加工中心成型運動的重要執(zhí)行部件之一，因此要求加工中心的主軸部件具有高的運轉精度、長久的精度保持性以及長時 期運行的精度穩(wěn)定性。加工中心通常作為精密機床使用，主軸部件的運轉精度決定了機床加工精度的高低考核機床的運轉精度一般有動態(tài)檢驗和靜態(tài)檢驗兩種方法。靜態(tài)檢驗是指在低速或手動轉動主軸情況下，檢驗主軸部件各個定位面及工作表面的跳動量。動態(tài)檢驗則需使用一定的儀器在機床主軸額定轉速下采用非接觸的檢測方法檢驗主軸的回轉精度。由于加工中心通常具有自動換刀功能，刀具通過專用刀柄由安裝在加工中心主軸內部的拉緊機構緊固。因此主軸的回轉精度要考慮由于刀柄定位面的加工誤差所引起的誤差。加工

23、中心主軸軸承通常使用C級軸承，在二支承主軸部件中多采用4-1、2-2組合使用，即前支承和后支承分別用四個向心推力軸承和一個向心球軸承，或前、后支承都使用兩個向心推力軸承組成主軸部件的支承體系對于輕型高精度加工中心，也有前、后支承各使用一個向心推力軸承組成主軸部件的支承體系，該種結構適宜高精度、高速主軸部件的場合。簡單的主軸軸承組合，可以大大降低主軸部件的裝配誤差和熱傳導引起的主軸隙喪失，但主軸的承載能力會有較大幅度的下降。3.3主軸部件結構主軸組件的設計計算應按如下程序進行：（1）根據機械傳動方案的整體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案（2）選擇軸的合適材料 （3）初步估算軸的直徑（4）進行軸

24、系、零部件的結構設計 （5）進行強度設計（6）進行剛度設計 （7）校核鍵的聯接強度（8）驗算軸承 （9）根據計算結果修改設計（10）繪制軸的零件工作圖3.4傳動方案設計常見的傳動形式有如下三種：即變速齒輪傳動，皮帶傳動和調速電機直接驅動。如圖3-1所示。圖3-1 傳動方案 本設計采用皮帶傳動和聯軸器直接傳動，由于同步齒形帶傳動時沒有滑動，故加工出現故障時容易燒毀電機，所以采用平帶傳動;聯軸器的傳動精度高,對于中級轉速的傳動較為合適。3.5主軸材料的選擇軸的材料種類很多，選擇時應主要考慮如下因素：1、軸的強度、剛度及耐磨性要求；2、軸的熱處理方法及機加工工藝性的要求；3、軸的材料來源和經濟性等。

25、合金鋼具有比碳鋼更好的機械性能和淬火性能，但對應力集中比較敏感，且價格較貴，多用于對強度和耐磨性有特殊要求的軸。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼，經滲碳處理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAlA等合金鋼，有良好的高溫機械性能，常用于在高溫、高速和重載條件下工作的軸。由表3-1選擇38CrMoAlA材料，并經氮化處理850-1000HV。表3-1 主軸材料材料牌號 熱處理毛坯直徑（mm） 硬度(HBS) 抗拉強度極限b 屈服強度極限s 彎曲疲勞極限 -1 剪切疲勞極限 -1 許用彎曲應力-1 備注 Q235A熱軋或鍛后空冷 100 400420 225170 105 40 用

26、于不重要及受載荷不大的軸 100250 375390 215 45 正火回火1017021759029522514055應用最廣泛 100300162217570285245135調質2002172556403552751556040Cr 調質100100300 241286735685 540490 355355 200185 70用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸 40CrNi 調質 100100300 270300240270 900785 735570 430370 260210 75用于很重要的軸 38SiMnMo調質100100300 229286217269 735685 590

27、540 365345 210195 70用于重要的軸，性能近于40CrNi 38CrMoAlA調質 6060100100160 293321277302241277 930835785 785685590 440410375 280270220 75 用于要求高耐磨性，高強度且熱處理（氮化）變形很小的軸 20Cr 滲碳淬火回火 60 滲碳5662HRC640 390 305 160 60 用于要求強度及韌性均較高的軸3Cr13 調質 100 241 835 635 395 230 75 用于腐蝕條件下的軸 1Cr18Ni9Ti 淬火 100 192 530 195 190 115 45 用于高

28、低溫及腐蝕條件下的軸 180 110 100200 490 QT600-3 190270 600 370 215 185 用于制造復雜外形的軸 QT800-2 245335 800 480 290 250 3.6主軸結構設計基于CMC3000加工中心的自身情況，主軸前端設有錐孔，用于裝夾BT50的刀柄。加工中心的主軸支承形式很多。其中立式加工中心的主軸前支承采用四個向心推力球軸承，后支承采用一個向心球軸承，這種支承結構使主軸的承載能力較高，且能適應高速的要求。主軸支承前端定位，主軸受熱向后伸長，能較好地滿足精度需要，只是支承結構較為復雜。3.7 刀具自動夾緊機構加工中心可以白動換刀，所以，主軸

29、系統應具備自動松開和夾緊刀具的功能。各類數控機床的自動換刀裝置的結構取決于機床的形式、工藝范圍及其刀具的種類和數量，其基本類型有以下幾種：轉刀架換刀、換主軸換刀、更換主軸箱換刀及帶刀庫的自動換刀系統。本加工中心采用鋼球拉緊油缸松開結構，如圖3.3所示。圖3-2 鋼球拉緊機構3.8主軸參數設計（1） 軸頸直徑的確定初選前軸頸直徑為170mm，后軸頸直徑為120mm，主軸平均直徑D=(+)=145mm主軸內孔作用： 1.通過棒料、夾緊刀具或工件用的拉桿、冷卻管等 2.大型、重型機床的空心主軸，減輕重量初選內孔直徑為45mm。（2） 前懸量及跨距的選擇主軸懸伸量指主軸前支承徑向反力作用點到主軸前端受

30、力作用點之間的距離，主軸懸伸量a值愈小愈能提高主軸組件剛度。在滿足結構要求的前提下，盡可能取小值。一般a主要取決于以下幾點： 主軸端部的結構形狀和尺寸 工件或刀具的安裝方式 前軸承的類型及組合方式 潤滑與密封裝置的結構等由表7初定前懸量，a=1.6x170=272mm表3-2 前懸量與前軸徑關系如圖3.3所示，L即為跨距，即前后兩支承點之間的距離。當主軸組件的D、a、 和為定值時，必存在一個能使主軸軸端撓度y=的跨距（對應于曲線c的最低點）。當所設計的主軸支承跨距L=L0時，可使主軸組件的剛度K，稱為“最佳跨距”。在具體設計時，常由于結構上的限制，實際跨距LL0，這樣就造成主軸組件的剛度損失，

31、當L/=0.751.5時，剛度損失不大（5左右），應認為在合理范圍之內，稱為合理跨距。合理跨距=（0.751.5），是一個區(qū)間，最佳跨距只是一個點。圖3-3 跨距計算前支承剛度 =1700=22.55Nmm ，后軸承直徑小于前軸承， 取/=1.4, 則=16.10xNmm。計算綜合變量=0.3376 此處彈性模量E=2Nm,I=/64(-)由圖3-4可知，/a=2.2 則有=2.2x272=598.4mm所以=（0.751.5）=（448.8897.6）mm 取=460mm圖3-43.9主軸組件的剛度計算機床主軸往往有較高的剛度要求, 因此, 軸承直徑的尺寸往往較大, 根據這些軸承直徑尺寸所選

32、定的滾動軸承, 其疲勞壽命往往是富裕的, 因此常常不需要作疲勞壽命的計算, 這類軸承的選擇主要取決于其精度和剛度。而主軸的軸向剛度完全取決于軸承的軸向剛度, 下面主要對主軸組件的徑向剛度進行校核計算。（1） 軸承的選擇本加工中心主軸是裝在前后支承之間, 通過后端皮帶輪傳動運動的。而影響主軸部件旋轉精度的主要因素有主軸的制造精度、軸承的制造精度與支承座孔的制造精度、調整螺母與襯套隔圈等的制造精度、主軸裝配與調整質量以及工作時的溫升等, 其中起決定性作用的是軸承的精度, 尤其是前軸承, 故將前軸承精度取為P4 級, 后軸承精度取為P5 級。影響主軸組件剛度的主要因素有主軸的結構尺寸、軸承類型與配置

33、形式、軸承間隙的大小、傳動件的布置方式、主軸組件的制造和裝配質量等。由于該機床主軸要求高剛度、高轉速, 因此前軸承采用雙列圓柱滾子軸承, 內孔為錐面, 型號為61919, 主要承受徑向載荷; 軸向載荷由一對背靠背組配A= 30、型號為100BA 10XDBEL 推力角接觸球軸承承受, 由于一對背靠背角接觸球軸承支承點的距離較大, 因而能產生一個較大的抗彎力矩。主軸后軸承采用30230 雙列圓柱滾子軸承, 主軸運轉發(fā)熱后膨脹, 該軸承外圈是可分的,膨脹主軸帶著內圈及滾子, 沿軸向方向上在外圈滾道上自由移動, 減小了主軸的軸向受力。由于運動是由電機通過皮帶直接傳給主軸, 減少了產生熱變形和振動的因

34、素, 這樣就保證了主軸的旋轉精度和剛度。（2） 支承的簡化先將主軸組件簡化為主軸組件計算模型, 由于一對背對背角接觸球軸承只承受軸向力, 故可將支承點簡化為雙列圓柱滾子軸承中心, 見圖3-5。圖3-5主軸組件計算模型（3） 主軸剛度計算已知主軸前軸承61919內徑=150mm , 后軸承32030內徑= 130mm , 跨距L= 460mm , 主軸前懸伸a=2720mm , 主軸孔直徑=45mm , 前軸承預緊量= 3m, 后軸承預緊量= 0,主軸前端加載F = 6000N , 則主軸的徑向剛度為:K = F/= F/(+)式中: 主軸的前端撓度, m 前軸承的徑向彈性變形量, m 后軸承的

35、徑向彈性變形量, m(1) 計算軸承支反力：前軸承支反力 為: = F ( l+ a)/l= 9547.83N。后軸承支反力 為: = - F = 3547.83N。(2) 主軸前端撓度的計算主軸的當量直徑d 為:d = (+)/2= 140mm。在軸端載荷F 的作用下, 主軸前端撓度Ds 可按下式計算:Ds= Fl/30 (-)。將有關數據代入計算得Ds= 5.015m(3) 軸承徑向彈性變形量計算前軸承徑向彈性變形量計算：由公式可以計算，=221.93 則有=404.49N其中， 軸承預緊量, m; 滾子所受預載荷,N; 滾動體有效長度,mm=4853.88N 則前軸承所受載荷為：=7.1

36、16m =12672N軸承徑向彈性變形為：=5.363m同理推出后軸承徑向彈性變形量=0.413m（4） 主軸組件的徑向剛度主軸組件的徑向剛度K為: =551.42N/m圖3-6 軸承內徑與徑向剛度曲線與圖3.7相比較，軸承剛度合適。3.10 主軸強度計算（1） 機床主要技術參數表3-5 機床主要技術參數行程:橫梁移動行程(X向)主軸滑座移動行程(Y向)主軸滑枕上下移動行程(Z向)6000mm3000mm1250mm主軸轉速25-2500 r/min主電機功率連續(xù)/30分鐘22/30KW主軸扭矩1150NM主軸錐孔BT50工作臺進給速度： X Y Z58000mm/min58000mm/min

37、58000mm/min快速進給速度： X Y Z20000mm/min20000mm/min20000mm/min機床外形（長寬高）1060078004800 mm位置控制全閉環(huán)表8 機床技術參數（2） 強度計算1、初算最小直徑 由得：232.5r/min取C=140，則軸的最小直徑為：69.1mm最小直徑是安裝聯軸器處的直徑，該處有兩個鍵槽，故=69.1x(1+10%)=76mm.取d=80mm2、選擇聯軸器取載荷系數=1.3，則聯軸器的計算轉矩為：=1.31150=1495 根據計算轉矩、最小軸徑、軸的轉速，查標準GB5014-85或手冊，選用彈性膜片聯軸器，其型號為：JMC93、 計算軸

38、上的彎矩，并畫彎、轉矩圖轉矩按脈動循環(huán)變化計算, 取 , 則0.6x1150=690 以右端截面為例 = =715897=716 考慮鍵槽影響， 圖3-7 軸的彎、轉矩圖=42 MP 故安全3.11帶傳動設計帶傳動是由兩個帶輪和一根緊繞在兩輪上的傳動帶組成，靠帶與帶輪接觸面之間的摩擦力來傳遞運動和動力的一種撓性摩擦傳動。本設計中，電機通過平帶同步驅動主軸運動。在加工出現故障時，平帶會出現打滑現象，但不會燒毀電機，優(yōu)于同步齒形帶。3.12聯軸器設計聯軸器屬于機械通用零部件范疇，用來聯接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯軸器還有緩沖

39、、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯接。一般動力機大都借助于聯軸器與工作機相聯接，是機械產品軸系傳動最常用的聯接部件。20世紀后期國內外聯軸器產品發(fā)展很快，在產品設計時如何從品種甚多、性能各異的各種聯軸器中選用能滿足機器要求的聯軸器，對多數設計人員來講，始終是一個困擾的問題。常用聯軸器有膜片聯軸器 鼓形齒式聯軸器，萬向聯軸器，安全聯軸器，彈性聯軸器及蛇形彈簧聯軸器。本設計使用的聯軸器為鍵固定方式的聯軸器，如圖3-8所示。由于聯軸器已經有國家標準，所以直接選用與本設計使用的聯軸器型號方可。根據傳遞的轉速數值（8000r/min）以及電機的尺寸選擇YL6型聯

40、軸器。圖3-8 剛性聯軸器3.13伺服電動機的選擇本設計中主軸的動力來源是有電動機提供的，由于對轉速的要求不同但輸出功率相同來選擇不同的電動機。伺服電動機分交、直流兩類。交流伺服電動機的工作原理與交流感應電動機相同。在定子上有兩個相空間位移90電角度的勵磁繞組Wf和控制繞組WcoWf接一恒定交流電壓，利用施加到Wc上的交流電壓或相位的變化，達到控制電動機運行的目的。交流伺服電動機具有運行穩(wěn)定、可控性好、響應快速、靈敏度高以及機械特性和調節(jié)特性的非線性度指標嚴格（要求分別小于1015和小于1525）等特點。所以在本設計中選用交流伺服電動機。圖3-9為SY型伺服電動機的實物圖片。圖3-9 SY交流

41、伺服電動機本設計中要求低速主軸系統轉速3000r/min，準高速主軸系統是8000r/min；所以選擇的電機的數據如表3-6所示；表3-6 伺服電動機參數型號空載轉速（r/min）輸出功率（kw）低速主軸系統電動機70SL003480015準高速主軸系統電動機55SL002900015各電動機的外型尺寸如圖3-10所示；圖3-10 伺服電機機座的外形尺寸示意圖第四章 主軸系統的結構分析數控加工中心主軸系統的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，將直接到影響工件的加工精度。因此，加工中心主軸系統必須滿足穩(wěn)定性高、傳動精度高、運動部件慣量小等要求。下面我來介紹一下本設計中三種主軸系統的結構:4.1低速主軸系統本設

42、計中的低速主軸系統的傳動方式為帶輪傳動,如圖4-1所示；圖4-1 低速主軸系統裝配圖圖中所示的就是主軸系統的裝備圖，圖紙中中的傳動方式就是帶傳動方式；電機和主軸之間用皮帶輪連接，用箱體把電機和主軸一起固定；通過帶輪傳動系統電機將動力傳送到主軸。圖中主軸是通過兩個聯軸器將上半軸、中間軸、下半軸連接在一起的。主軸外面是用滑枕包裹住的，為了使主軸的冷卻系統能夠正常工作，保持主軸內部的清潔，滑枕的密封效果應該較好。 圖中主軸所選的軸承為深溝球軸承,該軸承的特點是深溝球軸承的摩擦系數很小，極限轉速也很高， 特別是在軸向載荷很大的高速運轉工況下，深溝球軸承比推力球軸承更有優(yōu)越性；如圖4-2所示；圖4-2

43、深溝球軸承深溝球軸承結構簡單，與別的類型相比易于達到較高的制造精度，所以便于成系列大批量生產， 制造成本也較低， 使用極為普遍。深溝球軸承除基本型外， 還有各種變型結構，如：帶防塵蓋的深溝球軸承；帶橡膠密封圈的深溝球軸承；有止動槽的深溝球軸承；有裝球缺口的大載荷容量的深溝球軸承；雙列深溝球軸承。系統中拉到系統的工作原理是通過油缸受到外界壓力對拉桿產生壓力，使拉桿向下運動，在拉桿的另一端有彈簧頂住拉桿；當油缸受到的眼里消失時，彈簧就會使拉桿恢復到初始位置完成拉到過程。圖4.1中主軸系統通過滑枕可以做垂直運動，圖4-3為滑枕的零件示意圖；圖4-3 滑枕4.2準高速主軸系統準高速主軸體統的傳動方式為

44、直連，用聯軸器直接連接。圖4-4為直連系統的裝配圖；圖4-4 準高速主軸系統裝配圖準高速主軸系統的結構與低速主軸系統的結構大體相同，但是在電機與主軸連接的過程中所用的是聯軸器連接。圖中的拉到系統是通過主軸系統側面的進油孔進入導油環(huán)，從而對油缸產生壓力，使拉桿向下運動，在完成松刀后撤銷壓力，利用拉桿另一端的彈簧恢復到初始位置完成送拉刀。在這過程中，系統的在松拉刀過程中應保持良好的密封性。套筒聯軸器結構簡單，制造容易，徑向尺寸小，成本低，但裝差事需要沿軸向移動較大的距離，而且只能用與連接兩周直徑相同的援助行軸伸，一般用于工作平穩(wěn)的小功率傳動軸系。凸緣聯軸器結構簡單，制造容易，工作可靠，裝拆方便，剛

45、性好，傳遞轉矩大，但不能吸收沖擊。當兩周對中精度較低時，將引起較大的的附加載荷，適用于工作平穩(wěn)的一般傳動，高速傳動時需要有高的對中和制造精度。如圖4-5所示；圖4-5 凸緣聯軸器4.3高速電主軸系統由于電主軸的結構復雜，國內所用的電主軸大多是從國外引進；所以本設計中就不對電主軸進行整體設計。選擇合適型號電主軸對其冷卻系統進行設計方可。圖4-6所示的就是一種高頻電主軸的三維結構示意圖：圖4-6 高頻電主軸由于電主軸是用于高速切削的，轉速非常的高，所以產生的熱量也會隨之增加，為了使電主軸的使用周期長，壽命長久，工作過程穩(wěn)定，需要配備完善的冷卻系統；圖4-7為電主軸的冷卻系統，其選擇的冷卻方式為油-

46、水冷卻。本設計只對電主軸的內部冷卻進行設計；圖4-8為冷卻示意圖。 圖4-7 主軸冷卻系統圖4-8 軸心、軸殼冷卻第五章 三維建模5.1、三維建模通過建立正確的模型來描述和表現事物的各種屬性,是現代科學探索事物本身發(fā)展、運行規(guī)律的一個普遍而且重要的方法。不論是在應用領域還是在科學領域,對整個世界進行三維建模研究,都是一個不斷興起的領域。對現實世界的建模和模擬,就是根據研究的目標和重點,在數字空間中對其形狀、材質、運動等屬性進行數字化再現的過程。隨著先進的數字化儀器及設備不斷投入實際應用,計算機輔助下的三維建模技術已經從最初費時費力的基于幾何的手動建模,發(fā)展到包括三維掃描儀、基于圖像的建模與繪制

47、( IBMR) 等多種方法在內的三維建模。建模對象也從簡單的幾何體建模,發(fā)展到比較復雜的人臉、肢體、發(fā)絲等建模,甚至是流體的模擬。在完成總體設計，概念設計與尺度綜合以及初步機械設計后，采用三維建模軟件完成機床的三維造型和裝配。5.2、三維建模軟件經過多方面的調查，總結出了幾種現在機械領域比較常用的幾種三維建模軟件：（1）CATIACATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的縮寫。 是世界上一種主流的CAD/CAE/CAM 一體化軟件。它是法國Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，居

48、世界CAD/CAE/CAM領域的領導地位，廣泛應用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子電器、消費品行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋所有的產品設計與制造領域，其特有的DMU電子樣機模塊功能及混合建模技術更是推動著企業(yè)競爭力和生產力的提高。CATIA 提供方便的解決方案，迎合所有工業(yè)領域的大、中、小型企業(yè)需要。包括:從大型的波音747飛機、火箭發(fā)動機到化妝品的包裝盒，幾乎涵蓋了所有的制造業(yè)產品。在世界上有超過13,000的用戶選擇了CATIA。CATIA 源于航空航天業(yè)，但其強大的功能以得到各行業(yè)的認可，在歐洲汽車業(yè)，已成為事實上的標準。CATIA 的著名用戶包括波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳等一大批

49、知名企業(yè)。其用戶群體在世界制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。波音飛機公司使用CATIA完成了整個波音777的電子裝配，創(chuàng)造了業(yè)界的一個奇跡，從而也確定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行業(yè)內的領先地位。（2）UGUG軟件是Unigraphics Solutions公司(簡稱UGS)開發(fā)的主要CAD產品，它在航空航天、汽車、通用機械、工業(yè)設備、醫(yī)療器械以及其它高科技應用領域的機械設計和模具加工自動化的市場上得到了廣泛的應用。UG具 有豐富的曲面建模工具。包括直紋面、掃描面、通過一組曲線的自由曲面、通過兩組類正交曲線的自由曲面、曲線廣義掃掠、標準二次曲線方法放樣、等半徑和變半 徑倒圓、廣義二次曲線倒圓、兩張及多張曲面間的光順橋接、動態(tài)拉動調整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁減、編輯、點云生成、曲面編輯。（3）3DS MAX3D Studio Max，常簡稱為3ds Max或M