基于UG的三軸銑床運動仿真設計【說明書+CAD+仿真】

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Its higher efficiency than the planer , it has been widely used in the machinery manufacturing and repair sector . The project is designed to achieve a linkage axis milling machine, and using motion simulation by UG. Analysis of machine tool motion simulation has become an important adjunct in theMachine tool design process.This simulation can be used to detect the existence of the movement interference, design issues such as unreasonable. This can be resolved in time for the machine tool manufacturers, to avoid spending huge cost. Firstly,in this paper,it introduces a brief subject sources, classification and development process of milling. Secondly, it makes the overall design of three-axis milling machine, determines the size and location of each part and checks them between.,Confirm a simple motion model and motion simulation by UG software. Finally, it concluds remarks and prospects of the computer simulation in the design of future machines.This issue is related to mechanical and computer technology research projects, In this paper, application of UGNX software and the overall structure of milling machines has be explored,it accumulats some experience in design and development of machine tools . Key words：Three-axis milling machine;UG; Motion simulation 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 基于 UG 的三軸銑床的運動仿真 6 目錄 1.緒論 .1 1.1 簡介: .1 1.2 發(fā)展歷程: .1 1.3 國內外現(xiàn)狀綜述： .1 1.4 主要分類: .2 2.銑床機械部分設計 .4 2.1 總體設計要求 .4 2.2 運動軸的布置 .4 2.3 運動部件的行程范圍 .4 2.4 導軌的選擇 .4 2.5 聯(lián)軸器的選擇 .5 2.6 銑削力的計算 .5 2.6.1 主軸電機的選擇 .6 2.6.2X、Y 軸銑削力的計算 .6 2.7 步進電機的選擇 .7 2.7.1 步進電機應用中的注意事項 .7 2.7.2 步進電機三因素的選擇 .7 2.7.3 步進電機參數(shù)的計算選擇 .8 2.8 滾珠絲杠的選擇 .8 2.8.1 滾珠絲杠的選擇計算 .9 2.8.2 滾珠絲杠的校核 .10 2.9 軸承的選擇 .11 3.運動仿真 .16 3.1 建模 .16 3.2 裝配 .16 3.3 創(chuàng)建機床運動模型 .18 3.3.1 定義機床基礎部件 .18 3.3.2 定義機床運動組件和分類 .18 3.3.3 創(chuàng)建聯(lián)接坐標系和分類 .18 3.4 機床入庫 .21 4.結論 .25 參考文獻 .26 致 謝 .27 附 錄 .28 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 1 1.緒論 1.1 簡介: 銑床是一種用途廣泛的機床，在銑床上可以加工平面（水平面、垂直面） 、溝 槽（鍵槽、T 形槽、燕尾槽等） 、分齒零件（齒輪 、花鍵軸、鏈輪乖、螺旋形表面 （螺紋、螺旋槽）及各種曲面。此外，還可用于對回轉體表面、內孔加工及進行切 斷工作等。 銑床在工作時，工件裝在工作臺上或分度頭等附件上，銑刀旋轉為主 運動，輔以工作臺或銑頭的進給運動，工件即可獲得所需的加工表面。由于是多刀 斷續(xù)切削，因而銑床的生產率較高。用銑刀對工件進行銑削加工的機床。銑床除能 銑削平面、溝槽、輪齒、螺紋和花鍵軸外，還能加工比較復雜的型面，效率較刨床 高，在機械制造和修理部門得到廣泛應用。 1.2 發(fā)展歷程: 銑床最早是由美國人 E.惠特尼于 1818 年創(chuàng)制的臥式銑床。為了銑削麻花鉆頭 的螺旋槽，美國人 J.R.布朗于 1862 年創(chuàng)制了第一臺萬能銑床，是為升降臺銑床的 雛形。1884 年前后出現(xiàn)了龍門銑床。20 世紀 20 年代出現(xiàn)了半自動銑床，工作臺利 用擋塊可完成“進給-快速”或“快速-進給”的自動轉換。 1950 年以后，銑床在控制系統(tǒng)方面發(fā)展很快，數(shù)字控制的應用大大提高了銑床 的自動化程度。尤其是 70 年代以后，微處理機的數(shù)字控制系統(tǒng)和自動換刀系統(tǒng)在 銑床上得到應用，擴大了銑床的加工范圍，提高了加工精度與效率。 隨著機械化進程不斷加劇，數(shù)控編程開始廣泛應用與于機床類操作，極大的釋 放了勞動力。數(shù)控編程銑床將逐步取代現(xiàn)在的人工操作。對員工要求也會越來越高， 當然帶來的效率也會越來越高。 1.3 國內外現(xiàn)狀綜述： 我國數(shù)控技術的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技 術， “七五”期間組織消化吸收“科技攻關” ，我國數(shù)控技術和數(shù)控產業(yè)取得了相當 大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產業(yè)發(fā)展迅速，19982004 年國產數(shù)控機床 產量和消費量的年平均增長率分別為 39.3%34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭 依然強勁，從 2002 年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口 第一大國，2004 年中國機床主機消費高達 94.6 億美元，但進出口逆差嚴重，國產 機床市場占有率連年下降，1999 年是 33.6%，2003 年僅占 27.7%。1999 年機床進口 額為 8.78 億美元（7624 臺） ，2003 年達 27.1 億美元（23320 臺） ，相當于同年國內 數(shù)控機床產值的 2.7 倍。國內數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開 發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴 進口。由此可以看出國產數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究 其原因主要在于國產數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務意識 與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產應用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 2 我們應看清形勢，充分認識國產數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術，加大技 術創(chuàng)新與培訓服務力度，以縮短與發(fā)達國家之間的差距 1.4 主要分類: 一、按布局形式和適用范圍加以區(qū)分： （1）升降臺銑床：有萬能式、臥式和立式等，主要用于加工中小型零件，應 用最廣。 （2）龍門銑床：包括龍門銑鏜床、龍門銑刨床和雙柱銑床，均用于加工大型 零件。 （3）單柱銑床和單臂銑床：前者的水平銑頭可沿立柱導軌移動，工作臺作縱 向進給；后者的立銑頭可沿懸臂導軌水平移動，懸臂也可沿立柱導軌調整高度。兩 者均用于加工大型零件。 （4）工作臺不升降銑床：有矩形工作臺式和圓工作臺式兩種，是介于升降臺 銑床和龍門銑床之間的一種中等規(guī)格的銑床。其垂直方向的運動由銑頭在立柱上升 降來完成。 （5）儀表銑床：一種小型的升降臺銑床，用于加工儀器儀表和其他小型零件。 （6）工具銑床：用于模具和工具制造，配有立銑頭、萬能角度工作臺和插頭 等多種附件，還可進行鉆削、鏜削和插削等加工。 （7）其他銑床：如鍵槽銑床、凸輪銑床、曲軸銑床、軋輥軸頸銑床和方鋼錠 銑床等，是為加工相應的工件而制造的專用銑床。按控制方式，銑床又分為仿形銑 床（見仿形機床）、程序控制銑床和數(shù)字控制銑床（見數(shù)字控制機床） 二、按結構分： (1)臺式銑床：小型的用于銑削儀器、儀表等小型零件的銑床。 (2)懸臂式銑床：銑頭裝在懸臂上的銑床，床身水平布置，懸臂通?？裳卮采?一側立柱導軌作垂直移動，銑頭沿懸臂導軌移動。 (3)滑枕式銑床：主軸裝在滑枕上的銑床，床身水平布置，滑枕可沿滑鞍導軌 作橫向移動，滑鞍可沿立柱導軌作垂直移動。 (4)龍門式銑床：床身水平布置，其兩側的立柱和連接梁構成門架的銑床。銑 頭裝在橫梁和立柱上，可沿其導軌移動。通常橫梁可沿立柱導軌垂向移動，工作臺 可沿床身導軌縱向移動，用于大件加工。 (5)平面銑床：用于銑削平面和成型面的銑床，床身水平布置，通常工作臺沿 床身導軌縱向移動，主軸可軸向移動。它結構簡單，生產效率高。 (6)仿形銑床：對工件進行仿形加工的銑床。一般用于加工復雜形狀工件。 (7)升降臺銑床：具有可沿床身導軌垂直移動的升降臺的銑床，通常安裝在升 降臺上的工作臺和滑鞍可分別作縱向、橫向移動。 (8)搖臂銑床：搖臂裝在床身頂部，銑頭裝在搖臂一端，搖臂可在水平面內回 轉和移動，銑頭能在搖臂的端面上回轉一定角度的銑床。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 3 (9)床身式銑床：工作臺不能升降，可沿床身導軌作縱向移動，銑頭或立柱可 作垂直移動的銑床。 (10)專用銑床：例如工具銑床：用于銑削工具模具的銑床，加工精度高，加工 形狀復雜。 三、按控制方式分： 銑床又可分為仿形銑床、程序控制銑床和數(shù)控銑床等。 我的課題是基于 UG 的三軸銑床運動仿真。內容是設計一臺簡易三軸銑床，并 利用 UG 的運動仿真功能實現(xiàn)銑床的三軸聯(lián)動功能。設計思路為先根據(jù)機床加工運 動范圍、特點，制定機床總體結構方案，然后具體零部件設計計算，確定各部件的 關鍵尺寸，最后設計計算運動幅，并編制零件數(shù)控程序驅動機床運動以實現(xiàn)運動仿 真。 在進行設計之前我們要做好以下幾方面的工作： 首先，要有豐富的實踐經驗。整個設計，僅靠一些參考資料是遠遠不夠的，這 樣設計出來的三軸銑床只是結構完美，外形美觀，但實用性差，因此，在設計工作 開始前，指導老師特地帶我們到江淮動力集團、鹽城長虹涂裝有限公司、東風悅達 二廠等企業(yè)進行了實地參觀考察，與企業(yè)工程技術人員共同討論，積累了一些寶貴 的實踐經驗。 其次，運用四年來所學的專業(yè)知識，針對現(xiàn)實中遇到的實際情況，做到舉一反 三。整個設計過程不僅涉及到以前所學的知識，還涉及到一些新的概念，這就要求 我們一邊溫習以前的知識，一邊還要學習新的知識，可以說，整個設計過程就是我 們不斷復習和學習的過程。 第三，通過自身的努力，理論聯(lián)系實際，從合理性、經濟性、工藝性、實用性 及對被加工零件的具體要求對現(xiàn)有機床進行研究和分析，找出可以進行改進的地方， 通過反復推敲對比，擬訂較為合理的銑削組合機床的總體方案。 在設計過程中，由于銑床大部分是由標準零件構成，另外一些非標準件盡量適 應工廠的生產條件，使加工和維修方便，大大減少了設計工作量。限于本人知識水 平有限，又缺乏相應的實踐經驗，在設計中定存在不到之處，敬請老師批評指正， 提出寶貴意見，以便及時糾正。 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 4 2.銑床機械部分設計 2.1 總體設計要求 1銑床應能滿足三軸聯(lián)動加工要求，保證加工精度； 2銑床應運轉平穩(wěn)，工作可靠，結構簡單，裝卸方便，便于維修、調整； 3銑床盡量用通用件以便降低制造成本； 4銑床各動力部件用電氣控制。 2.2 運動軸的布置 銑床的布置形式分立式和臥式，兩種形式各有其優(yōu)點。選擇立式布置形式，主 軸升降為 Z 軸，水平方向進給為 X、Y 軸。選擇合適的滾珠絲杠安裝方式，步進電 機選擇等。由于垂向滑臺窗洞升降機構在安裝滾珠絲杠后會因為失去自鎖而自動下 滑，必須增加平衡裝置和制動裝置。 水平方向，選擇十字滑臺作為運動部件。其采用滾珠絲杠和直線導軌副的傳動 方式，因而具有精度高,效率高,壽命長,磨損小,節(jié)能降耗,結構緊湊,通用性較強的特 點，符合總體設計要求。 豎直方向，選擇機械滑臺，機械滑臺具有如下優(yōu)點： 1.進給量穩(wěn)定，慢速無爬行，高速無振動，可以降低加工工件的表面粗糙度。 2.具有較好的抗沖擊能力，斷續(xù)切削、鉆頭鉆通孔將要出口時，不會因沖擊而 損壞刀具。 3.運行安全可靠，易發(fā)現(xiàn)故障，調整維修方便。 4.沒有液壓驅動管路泄露、噪聲和液壓占地的問題。 2.3 運動部件的行程范圍 根據(jù)銑床的加工特點及參數(shù)，選擇銑床 XYZ 三軸的行程分別為: 300mm 300mm350mm 。 2.4 導軌的選擇 銑床上的直線運動部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁等支撐件上的導軌進行 運動的，導軌的作用概括的說是對運動部件起導向和支承作用。在導軌副（如工作 臺和床身導軌）中，運動的一方（如工作臺導軌）叫做動導軌，不動的一方如床身 導軌叫支承導軌。 導軌選擇考慮的因素： （1）導向精度 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 5 導軌在空載下運動和在切削條件下運動時，都應具有足夠的導向精度。保證軸 承運動的準確性，是保證導軌工作質量的前提。 （2）幾何精度 直線運動導軌的幾何精度一般包括：導軌在豎直平面內的直線度；導軌在水平 平面內的直線度；兩導軌面間的平行度。在前兩項精度中，都規(guī)定了導軌在每米長 度上和導軌全長上，兩導軌面間在橫向每米長度上的扭曲值。 （3）接觸精度 磨削和刮研的導軌表面，接觸精度按 JB2278 的規(guī)定，采用著色法進行檢查。 用接觸面所占的百分比或每 25 平方毫米面積內接觸點數(shù)衡量。 （4）精度保持性 影響精度保持性的主要因素是磨損。 （5）低速運動平穩(wěn)性 當導軌作低速運動或微量位移時，應保證導軌運動的平穩(wěn)性，即不出現(xiàn)滑移現(xiàn) 象。 （6）結構簡單平穩(wěn)性好 大多數(shù)機床的導軌都要淬硬，因此導軌的精加工不能淬硬。設計時應注意使導 軌的制造和維修方便，刮研量少。 由于其制造簡單維修、檢查方便的特點，選擇矩形滑動導軌。 2.5 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是用來聯(lián)接兩進給機構的兩根軸使之一起回轉傳遞扭矩和運動的一種裝 置。目前的聯(lián)軸器類型繁多，有液力式、電磁式和機械式。機械式聯(lián)軸器的應用最 為廣泛。套筒聯(lián)軸器構造簡單，徑向尺寸小，但裝卸困難（軸需作軸向移動） 。且 要求兩軸嚴格對中不允許有徑向或角度偏差，因此使用時受到一定的限制。繞行聯(lián) 軸器則采用錐形夾緊環(huán)傳遞載荷，可使動力傳遞沒有方向間隙。凸緣式聯(lián)軸器結構 簡單，成本低，可傳遞較大扭矩，常用于轉速低、軸的剛性大及對中性好的場合。 主要缺點是對兩軸的對中性要求很高。 2.6 銑削力的計算 現(xiàn)假設刀具材料為高速鋼，工件材料為碳鋼（ ）abMP650 Z 軸銑削工作時銑削力的計算： 最大銑削直徑 =10mm,最小直徑 。maxdmd4in 由實用機床手冊得：銑削功率 (2-1)106VFPz 銑削力 (2-2)Zowfpz KF86.0.72.064 銑削力修正系數(shù) (2-3)rFmZF 其中工件材料系數(shù) (.)3.0b 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 6 高速鋼銑刀 ，前角系數(shù)015or92.0rFZK 主偏角 因此7k.FZ 0.161 工件材料的抗拉強度；b 銑削深度；pa 每齒進給量；f 銑削寬度；w 銑削直徑；od 銑刀齒數(shù)，Z 現(xiàn)取 Z=4 n=400r/min,Zmaf/05.ap4mdo10aw8NFZ .9725.10846286.6.72. sndVo /31/kWPm .5.904 2.6.1 主軸電機的選擇 選主軸電機時按切削計算，因為銑削時的最大切削力為： NFZ 3.19625.0485.046286.0.72 smndVo /1/13/kWPm .94 主軸功率 P= /0.88=0.68/0.88=0.77Kwm 所以選電動機為 =1.1kW，型號：Y90S 4 型。P 2.6.2X、Y 軸銑削力的計算 主轉動中主軸功率 P=0.77KW，則 7.01/. 電動機的額定功率 。銑削力同樣與道具材料、被銑削工件的材料、切削KW1.0 量等因素有關，現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，工件材料為碳鋼進行計算。 主傳動功率包括銑削功率 、空載功率 、附加功率 三部分。即：mPmomcP ,對于一般輕載高速的中、小型機床，取 ,故總功率為：mcoP o5.0 ， ,在進給傳動中銑削功率)1(5.0)2/(5.0 ,查機床設計手冊得 k=0.85,2/ka 那么 kW36.)7/(.8. 切削時主軸上的扭矩為 (2-4)nPMctn940 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 7 則主軸上的最大扭矩： )(6.8740/36.97max cmNMn 銑刀的最大直徑為：10mm。主切削力 。銑削加工時主切削力Fc1. 與銑削進給抗力之間的比值由機床設計手冊查得為 1.01.2，取 1.2.則 ，垂直分力 與 之間的比值為 0.750.8,取 0.8， =841.5N。NFs9.105zc zF 2.7 步進電機的選擇 步進電動機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。 2.7.1 步進電機應用中的注意事項 1）步進電機應用于低速場合 2）步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 3）轉動慣量大的負載應選用大機座號電機 4）電機在較高速或大慣量負載時，采用逐漸升頻提速。 5）高精度時，應通過機械減速、提高電機速度或采用高細分數(shù)的電機來解決。 6）電機不應在振動區(qū)內工作 7）電機在 600PPS 以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。 8）應遵循先選電機后選驅動的原則。 2.7.2 步進電機三因素的選擇 步進電機由步距角、靜轉矩及電流三部分組成。一旦三大因素確定步進電機的 型號便確定了下來。 步距角的選擇 電機的步距角取決于負載精度的要求。將負載的最小分辨率換算到電機軸上， 每個當量電機應走多少角度，電機的步距角應等于或小于這個角度。 靜力矩的選擇 一般情況下靜力矩應在摩擦負載的 23 倍內，靜力矩一旦確定，電機的基座及 長度就能確定。 電流的選擇 依據(jù)矩頻特性，確定電流 力矩和功率換算 步進電機一般在較大范圍內調速使用，功率是變化的，一般只用力矩來衡量， 力矩與功率換算如下： P= M (2-5) 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 8 =2 n/60 P=2 nM/60 其中 P 為功率，單位為瓦； 為每秒角速度，單位為弧度；n 為每分鐘轉速； M 為力矩，單位為牛頓米。 P=2 fM/400（半步工作）其中 f 為每秒脈沖數(shù)。 混合式步進電機控制系統(tǒng)優(yōu)缺點： 混合式步進電機控制系統(tǒng)優(yōu)點：穩(wěn)定可靠，性能好，運行平穩(wěn)。 混合式步進電機控制系統(tǒng)缺點：制造復雜，成本高；雖然共振區(qū)不明顯，振蕩 較小，但是仍然影響性能。 2.7.3 步進電機參數(shù)的計算選擇 1）步進電機轉軸上啟動力矩的計算 (2-6)2/()(36bzspqFGuT 銑削時： =841.5N，分別取 u=0.03 ,G=300N, ,N9.105 stepmb/.81 =360.011051.9+0.03(300+841.5)/(2 1.80.7)=49.4N/cmq 由手冊可知： / ，步進電機最大轉矩qT86.jm /0.866=49.4/0.866=57N/cmjmTq 2）確定步進電機最高工作頻率 ,假定 =0.025m/spVf/10maxax maxHz1250. 根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進電機 57BYGH6403。采用兩相四拍通電方式。相數(shù)， 3；步距角， ；電流，2.5A；靜力矩，110Ncm ；轉動慣量，280 ;引線數(shù)，08.1 2gcm 4。 2.8 滾珠絲杠的選擇 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動， 這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滑動動作變 成滾動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精 密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋 轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆 性和高效率的特點。 滾珠絲杠主要由絲杠螺母副完成運動轉換，滾珠絲杠螺母副的特點： 滾珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機構。它的機構效（= 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 9 0.92-0.96）比滑動絲杠（= 0.20-0.40 ）高 3-4 倍。滾珠絲杠螺母副的動（靜） 摩擦系數(shù)基本相等，配以滾動導軌，啟動力矩很小，運動極靈敏，低速時不會 出 現(xiàn)爬行。滾珠絲杠螺母副可以完全消除間隙并可預緊，故有較高的軸向剛度， 且反向無空程死區(qū)，反向定位精度高。滾珠絲杠螺母摩擦系數(shù)小，無自鎖，能實現(xiàn) 可逆?zhèn)鲃?。滾珠絲杠螺母副的滾珠循環(huán)方式一般分內循環(huán)和外循環(huán)兩種。 在設計滾珠絲杠時，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲 杠的上述參數(shù)時，目前采用的方法是，在防止疲勞點蝕的基礎上，即滾珠絲杠在工 作過程中受軸向負載時，在滾珠和滾道型面間使產生接觸應力。在這種交變接觸應 力的作用下，經過一定的應力循環(huán)次數(shù)后就要使?jié)L珠或滾道型面產生疲勞剝傷，而 使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾珠絲杠副的主要破壞形式。在設計滾珠絲杠副時， 必須保證在一定的軸向負載作用下，這種名義直徑 D 和螺距 t 的滾珠絲杠在回轉一 百萬次后，在它的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點蝕現(xiàn)象，這個負載的最大值 稱為這個滾珠絲杠能承受的最大動負載。 在選用滾珠絲杠時, 應從以下幾個方面考慮： 滾珠絲杠的安裝方式： 一端固定、一端自由的安裝方式適用于轉速較低、滾珠絲杠較短的情況。 兩端游動是一種常見的安裝方法, 適用于中等轉速的情況。 一端固定、一端游動則適用于中等轉速、需要高精度運行的場合。 而兩端固定的安裝則適用于高速運轉、需要高精度運行的場合。 絲杠的最小底徑尺寸： 滾珠絲杠在正常使用時, 須保證在軸向方向上被施加的最大壓縮負荷不能使絲 杠發(fā)生彈性變形, 這就確定了絲杠的最小底徑尺寸。 允許轉速： 隨著滾珠絲杠轉速的提高, 會逐漸接近絲杠的固有振動頻率, 進而會發(fā)生共振 以至不能繼續(xù)轉動。因此滾珠絲杠一定要在臨界轉速共振點以下使用。 2.8.1 滾珠絲杠的選擇計算 動載荷 C 的計算 (2-7)max3FfLhn 其中 載荷系數(shù)取為 1.0 硬度系數(shù)取為 1.2hf 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 10 最大工作負載maxF L使用壽命 工作負載 F 是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠軸上的軸向壓力，它的數(shù)據(jù) 可以用進給牽引力的實驗公式計算： 對于類似燕尾型導軌的機床 (2-8)2(maxGfkyz X 方向的切削力F Y 方向的切削力y Z 方向額切削力z G移動部件的重量 導軌上的摩擦系數(shù)f 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)k 正常潤滑情況下，對類似燕尾型導軌 ,4.103.f 在銑削過程中， =841.5N， =0， =1051.9N，G=300NzFxyF N4.97)3025.841(.max 而 式中 n滾珠絲杠的轉速，T 使用壽命 對于銑床，n 一般取60/nTL 1250r/min, T 一般取 15000h,因為 L=60125015000/ =1125610 C= N9.187.420.153 根據(jù)以上參數(shù)，選擇規(guī)格為 32055 的內循環(huán)浮動式法蘭型單螺母制滾珠絲杠 副。名義直徑為 32mm；基本導程 5mm；滾珠直徑 3.5mm；絲杠大徑 31.5mm。螺 母內徑 50mm;螺母外徑 80mm；螺母長度 56mm。 2.8.2 滾珠絲杠的校核 效率計算： 從機械原理中得知，滾珠絲杠副的傳動效率 （2-9）)(/tg 式中 螺紋的螺旋升角； 005.416arctDtrc 摩擦角；滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) f=0.0030.004,其摩擦角約為 ，故 01 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 11 96.0 剛度的檢驗 從材料力學中得知滾珠絲杠受工作負載 P 的作用而引起的一個螺距 T 的變 化量 261 5.1430.297EFPt 滾珠絲杠受扭矩 M 作用而引起的一個螺距 t 的變化量 2t 其中 在扭矩 M 的作用下，滾珠絲杠每一螺距長度兩截面上的相對扭轉角； cGJt cmNPt 43.695.014327 G扭轉彈性；對鋼而言，G=841 N/ 2 滾珠絲杠載面積的極慣性矩 =c cJ)(/44d =J448.93/1.cm =cMt mN1506.20613512 75.8984. t 如果 Y 方向的滾珠絲杠的長度為 100cm，則整個工作長度上的螺距變形總誤差：ct/0.3.0/161 查表得，對 E 級絲杠，允許誤差 ，故絲杠滿足要求。m/15 穩(wěn)定性驗算 機床的進給絲杠通常是一種受軸向壓力的壓桿，如果軸向壓力過大，可使絲杠 失去穩(wěn)定性而產生翹曲。長柱壓桿失穩(wěn)時的臨界負載 ，可用材料力學中的歐kP 拉公式計算： （2-2)(ulEJPk 10） 對鋼而言，彈性模數(shù) 27/10.2cmN 對實心圓桿而言，截面慣性矩 ；絲杠的工作長度4 44156.3cmdJcml30 絲杠軸端系數(shù) u=1 NPk 8272 105.)01(4. 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 12 =4 故此絲杠不致失穩(wěn)。6 8107.4.95Pnk kn 2.9 軸承的選擇 機床傳動軸的滾動軸承的主要失效形式，是循環(huán)接觸應力下的作用，滾動體和 滾道表面出現(xiàn)疲勞剝落。而絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，對絲杠軸承的主要要 求是軸向精度和剛度要高，摩擦力矩要小，所以選用六十度角接觸球軸承該軸承是 與滾珠絲杠配合的專用軸承，其主要特點如下： 1）接觸角大，鋼球數(shù)多承載能力高，剛度高。 2）既能承受軸向載荷，又能承受徑向載荷，支承結構可以簡化。 3）軸承啟動摩擦矩小，降低絲杠副的驅動功率，提高進給系統(tǒng)靈敏度。 現(xiàn)選用 7000C 型號，基本尺寸為：d=10mm,外徑 D=26mm,寬度 B=8mm,基本額 定動負荷 ，基本額定靜載荷， ，極限轉速為 2800r/min。KNCr29.4 KNCor25. 對軸承的疲勞壽命進行校核：由機械設計可知， 軸承的基本額定壽命為： （2-)(601PnLh 11） 式中：P當量動載荷； 基本額定壽命；hL10 壽命指數(shù)一般球軸承為 3； 軸承工作轉速，n=1250r/min;n C基本額定動載荷，C=2250N； 其中： （2-)(ardYFXfP 12） 沖擊載荷系數(shù)，取 1.1；df 徑向載荷；rF X、Y徑向動載荷系數(shù)。X=0.44 ，Y=1; NP1.074.9).0(1hLh 503268.52630 所以該軸承的選用是合格的。 2.10 軸的校核 a.軸系零件的軸向固定 為使軸和軸上零件在機器中有正確的位置，防止軸系軸向竄動和正確傳遞軸向 力，軸系零件應予軸向固定。常見的軸向固定方式有三種： 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 13 (1)兩端單向固定的支承結構； (2)一端雙向固定，一端游動的支承結構； (3)兩端游動的支承結構。 軸系零件不論采取哪種固定方式，都是根據(jù)具體情況通過選擇軸承的內圈與軸， 外圈與軸承座孔的固定方式來實現(xiàn)的。軸承內外圈的周向固定主要由配合來保證， 軸承內圈和軸的軸向固定，其原則及方法與一般軸系的軸向固定方式基本相同，外 圈與軸承座孔的軸向固定形式主要是利用軸承蓋、孔用彈性墊圈、套孔的凸肩以及 軸承座孔的凸肩。具體選擇時要考慮軸向載荷的大小，方向，轉速高低，軸承的類 型，支承的固定型式等情況。根據(jù)上面的要求，結合本設計情況，主軸箱內的軸系 零件的軸向固定方式采用兩端單向固定的支承結構。 b.軸的結構 軸的結構主要取決于：軸在機器中的安裝位置及形式；軸上零件的類型，尺寸 及配置，定位和固定方式；載荷的性質，大小，方向及分布情況；軸的加工和裝配 工藝性等。由于影響軸結構的因素較多，其結構隨具體條件不同而靈活變化，所以 軸一般并無標準的結構形式。但不論何種具體條件，軸的結構均須滿足：足夠的強 度和剛度；軸和裝在軸上的零件應有準確的工作位置；軸上的零件應便于裝拆和調 整；軸應該具有良好的制作工藝性。 c.軸的校核 作出軸的彎扭矩如圖 3-1 所示。 1、求出傳動軸上的轉矩 T： 傳動軸上的傳遞功率： KW （2-85.27.905P傳 13） 則 N mm （2-66 14.32.715.905.9nT 14） 2、求作用在齒輪上的力： mm684.31mzd N14.357021TFt N9.4tanr mm2570.32mzd N90.6412TFt N7.920tanr 3、軸的受力分析 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 14 a. 畫出傳動軸的受力簡圖（如圖 3-1） b. 計算支承反力 在水平方向上 N26.43721lFttNH N8.04)(2132ltt 在垂直方向上 N6.59213lFrrNV N57.20)(2132lrrV c. 畫出彎矩圖（如圖 3-1） 截面 B 處水平彎矩 Nmm02.39516.41lFMNH 截面 C 處的水平彎矩 Nmm32.148.4.875.23.7)( 211 llFtNH 截面 B 處垂直彎矩 Nmm321691NV 截面 C 處的垂直彎矩 Nmm75.0965.9.0.5)( 2121llMrNv 截面 B 處的合成彎矩 Nmm82VHBM 截面 C 處的合成彎矩 Nmm62.13C 4、彎矩合成強度校核 通常只校核軸上受最大彎矩和扭矩的截面的強度，由以上計算得，危險截面 為截面 C。 考慮啟動、停機影響，扭矩為脈動循環(huán)變硬力， ，6.0 N mm （2-81.25)346.0(2.193)(232 TMca 15） 截面 C 處計算應力 Mpa （2-7.5.813Wcac 16） 根據(jù)文獻12 表 11.2，軸的常用材料及其主要力學性能表可得 45 號調質鋼的 MPa。6011ca 所以該軸的強度滿足設計要求。用同種方法校核其他軸，均滿足要求。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 15 圖 3-1 軸的彎扭矩圖 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 16 3.運動仿真 根據(jù)課題要求，使用 UG 軟件進行運動仿真。UG 是 Unigraphics 的縮寫，這是 一個交互式 CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助制造 )系統(tǒng)，它功能強大，可 以輕松實現(xiàn)各種復雜實體及造型的建構。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著 PC 硬件的發(fā)展和個人用戶的迅速增長，在 PC 上的應用取得了迅猛的增長，目前已 經成為模具行業(yè)三維設計的一個主流應用。NX 包括了世界上最強大、最廣泛的產 品設計應用模塊。 NX 具有高性能的機械設計和制圖功能，為制造設計提供了高 性能和靈活性，以滿足客戶設計任何復雜產品的需要。 NX 優(yōu)于通用的設計工具， 具有專業(yè)的管路和線路設計系統(tǒng)、鈑金模塊、專用塑料件設計模塊和其他行業(yè)設計 所需的專業(yè)應用程序。UG NX 加工基礎模塊提供聯(lián)接 UG 所有加工模塊的基礎框架， 它為 UG NX 所有加工模塊提供一個相同的、界面友 好的圖形化窗口環(huán)境，用戶可 以在圖形方式下觀測刀具沿軌跡運動的情況并可對其進行圖形化修改：如對刀具軌 跡進行延伸、縮短或修改等。該模塊同時提供通用的 點位加工編程功能，可用于 鉆孔、攻絲和鏜孔等加工編程。該模塊交互界面可按用戶需求進行靈活的用戶化修 改和剪裁，并可定義標準化刀具庫、加工工藝參數(shù)樣板 庫使初加工、半精加工、 精加工等操作常用參數(shù)標準化，以減少使用培訓時間并優(yōu)化加工工藝。UG 軟件所有 模塊都可在實體模型上直接生成加工程序，并保持與實 體模型全相關。 UG NX 的 加工后置處理模塊使用戶可方便地建立自己的加工后置處理程序，該模塊適用于目 前世界上幾乎所有主流 NC 機床和加工中心，該模塊在多年的應用實踐中已被證明 適用于軸或更多軸的銑削加工、軸的車削加工和電火花線切割。 仿真過程 由于銑床的結構和裝配懸系復雜，不宜進行單次建模，而是創(chuàng)建若干零部件， 在裝配界面中將這些部件裝配成完整的銑床。 3.1 建模 在確定了銑床各個零部件的尺寸形狀后，在 UG 的草圖界面中選擇創(chuàng)建部件的 一個剖面，通過拉伸、旋轉、鏡像等操作畫出零部件的三維實體圖。 3.2 裝配 在 NX 中，裝配只是 PART FILE，其中不包括實際的幾何體，而是用于管理幾 何體，其中只包含組件，是指針的集合。 裝配時，從開始進入裝配界面，選擇裝配和加載選項，選擇添加組件選項，選 擇合適的定位方式添加組件。按此方法逐一添加組件，組件之間選擇接觸對齊 平行、垂直等裝配約束方式進行相互間的定位。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 17 圖 1.UG 創(chuàng)建的導軌三維圖 圖 2.部件間的裝配 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 18 3.3 創(chuàng)建機床運動模型 完成裝配后，就有了機床的整體視圖。進入機床構造器 MTB 進行機床運動模 型的定義并在機床導航器中重新命名新添機床名 mill3ax.運動模型是用來描述機床 運動的，定義了運動模型后各組件的運動方式才得以確定。 3.3.1 定義機床基礎部件 機床基礎部件是定義機床運動關系的基礎是機床導航器中關系樹的根，一般定 義機床床身。 3.3.2 定義機床運動組件和分類 根據(jù)機床部件和裝配關系在上級部件下插入所要添加的 k 組件定義，k 組件的 父子關系決定了它們的依存關系。當定義 PART、 BLANK、FIXTURE 等設備組件 時只需先定義名稱并分類，不必指定幾何對象。分類的目的是在進行碰撞干涉檢查 時，可以按照類進行檢查。通常對毛坯、工件和夾具進行分類。 3.3.3 創(chuàng)建聯(lián)接坐標系和分類為了便于描述機床各運動副之間的相對運動關系分別在 機床原點、工件和刀具上建立同向平行的坐標體系，并且使機床處于初始狀態(tài)時， 工件坐標系、刀具坐標系坐標方向均與機床坐標系一致。 1)首先必須在機床基礎件上定義機床坐標系和機床原點，用于指定機床各組件 圖 3.創(chuàng)建機床運動模型 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 19 的運動方向，因此機床坐標系軸的方向的確定很重要，但原點的位置可以定義在機 床的任意位置。創(chuàng)建一個名為 MACHINE_ZERO，分類為 MachineZero 的連接坐標 系。 2)在機床工作臺上創(chuàng)建一個名為 PART_MOUNT_JCT 的連接，用于在模擬仿真 時，安裝加工工件將零件安裝坐標系定在當前坐標系位置。PART_MOUNT_JCT 實 際上定義工件在機床上安放時的參考點，即裝卡原點。同樣方式在刀具主軸端面創(chuàng) 建一名為 TOLL_MOUNT_JCT 的連接，用于模擬仿真時安裝刀具。應注意坐標系 方向，X 軸為刀具安裝軸。 圖 4.建立機床原點 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 20 3)創(chuàng)建機床運動軸：該功能的作用機床組件的運動形式，定義 XYZ 軸的運動 行程和連接關系。 圖 5.創(chuàng)建刀具安裝連接 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 21 3.4 機床入庫 建好運動模型后，用機床模型文件路徑將設置好的機床加入機床庫以便調用。 修改機床庫文件 在.MACHresourcelibrarymachineasciimachine_data_dat 下添加新機床入口 DATA|mill3ax_fanuc_mm|1|3- AxMillVertical|Fanuc|Example|$UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_MACHINES_ DIRmill3axmill3ax_fanuc_mm.dat|1.000000|$UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_ MACHINES_DIRmill3axgraphicsmill3ax 使機床庫指向 mill3ax.dat 文件以便在該.dat 文件中，定義將用的機床后處理器。 圖 6.定義機床運動軸 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 22 執(zhí)行完以上操作步驟將生成一個完整的虛擬機床，當需要時就可以在機床庫中 調出并可實現(xiàn)該機床仿真運動和生成加工 NC 程序。 虛擬機床仿真加工與驗證 將建立好的機床添加到虛擬仿真機床庫之后就可以通過后置處理實現(xiàn)加工過程 仿真及驗證。 a)首先在加工環(huán)境下打開要驗證的以生成刀具路徑的加工件，使導航器切換到 刀具導航器，并載入建立好的機床運動模型。 b)定義加工件及夾具，打開機床構造導航器在載入的虛擬機床上定義機床加工 件、毛坯及夾具等。 圖 7.調入虛擬機床 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 23 c)定義加工刀具，在 MTB 環(huán)境下對加工所需的刀具裝配模型進行運動模型定 義，方法與機床運動模型的定義類似。如果不提供刀具運動模型，系統(tǒng)可以根據(jù)加 工模型中的刀具參數(shù)自動創(chuàng)建一個加工刀具，因此這一步不是必須有的。 d)定義機床驅動器，為了模擬真實的機床 NC 控制器行為，需要定義虛擬 NC 控制器來控制虛擬機床，在 Post Builder 中為機床創(chuàng)建 POST 處理器時，可以自動 生成機床驅動文件。 e)進行 ISV 仿真（載入刀具運動模型與 ISV 的設置和實現(xiàn)） 最后刀具導航器或幾何體導航器選擇具體操作點右鍵激活仿真即可實現(xiàn)對應程 序的仿真加工。 圖 8.定義加工刀具、加工工件 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 24 圖 9.進行運動仿真 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 25 4.結論 利用計算機仿真技術，建立數(shù)控機床的運動學、動力學仿真模型，在此基礎上， 建立起提高數(shù)控機床運動精度的優(yōu)化仿真模型同時運用現(xiàn)代測量技術，通過實驗手 段掌握數(shù)控機床在加工狀態(tài)下的動態(tài)性能和運行規(guī)律，驗證數(shù)控機床仿真模型的正 確性，從而為數(shù)控機床虛擬建模提供技術支持，是數(shù)控系統(tǒng)網絡化以及實現(xiàn)數(shù)控設 備遠程監(jiān)控稱為可能。構建了 MILL3AX 三軸聯(lián)動銑床虛擬模型，實現(xiàn)了數(shù)控編程 的虛擬制造，比一些 CADCAM 單純?yōu)槲募抡娓鼮檎鎸?、直觀、更為接近實際加 工情況。仿真后的 NC 程序不用試切，可直接輸入機床進行加工，極大地提高了數(shù) 控編程的效率和品質。 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 26 參考文獻 1 黃鶴汀等. 機械制造裝備M.機械工業(yè)出版社，2001. 2 吉衛(wèi)喜等.機械制造技術J.機械工業(yè)出版社，2001. 3 李洪.實用機床設計手冊M.遼寧科技出版社，1999. 4 葉偉昌.機械工程及自動化簡明設計手冊(下冊)M.機械工業(yè)出版社，2001. 5 艾興.金屬切削用量手冊M.機械工業(yè)出版社，1996. 6 李益民.機械制造工藝設計手冊M.機械工業(yè)出版社，1995. 7 徐錦康.機械設計M.高等教育出版社，2004. 8 韓敬禮等.機械電氣設計簡明手冊M.機械工業(yè)出版社，1994. 9 胡家秀.機械零件設計實用手冊M.機械工業(yè)出版社，1999. 10 周建方等.材料力學M.機械工業(yè)出版社，2002. 11 朱龍英等.機械原理M.西安電子科技大學出版社，2009. 12 魯屏宇. 工程圖學M北京：機械工業(yè)出版社，2005. 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計 2011 27 致 謝 本次設計是基于 UG 的三軸銑床的運動仿真，旨在利用 UG 的仿真運動功能對所 設計的銑床進行運動干涉，設計不合理等方面的檢查，完善機床設計。三個月多月 的努力，已經較好的完成了這次畢業(yè)課程設計。 設計初，我們在指導老師的帶領下，進行為期四周畢業(yè)實習，收集相關的設計 資料。完成實習后，對所收集的相關資料進行加工整理，初步討論、理定設計方案。 隨即將擬定的方案一步步的轉化為實際成果，即繪制好該方案的圖紙，并參考各方 面的資料，不斷的修正完善該設計方案。最后，完成該方案的設計說明書。 為期三個多月的畢業(yè)設計已結束，回顧整個過程，我覺得受益匪淺。畢業(yè)設計 是檢查學生綜合設計能力的一個重要環(huán)節(jié)，是對學生獨立設計能力的一次考驗，也 是第一次較全面的實踐機會。這次設計使我的理論知識與實踐很好的結合在一起， 也顯示出了我在設計中的一些經驗不足和知識欠缺之處，加深了我對理論知識的理 解，強化了畢業(yè)設計中的感性認識，提高了獨立設計能力。深入了解機械產品生產 的全過程及新技術、新設備在機械制造業(yè)中的應用，了解生產的組織管理、企業(yè)改 革的情況。深入實踐，體會到理論聯(lián)系實際的必要性，認識到學校學過的許多知識 與解決實際生產問題還有很大的差距，而縮短差距的方法只有到實踐中去。利用一 切方法和手段了解本課題所涉及的研究、生產、銷售、使用等方面的實際情況以及 有關的數(shù)據(jù)、圖表、文獻資料。向生產實踐學習，了解與課題有關的生產線、設備、 工藝等實際知識。 總的說來，這次畢業(yè)設計，使我在基本理論的綜合運用及正確解決實際問題等 方面得到了一次較好的鍛煉。同時提高了我創(chuàng)新設計能力，鍛煉了我認真工作的作 風，為即將走上工作崗位打下了良好的基礎。 在這次畢業(yè)設計期間,得到了指導老師的悉心指導、同組同學的幫助，在這里 表示真誠的感謝意！ 基于 UG 的三軸銑床運動仿真 28 附 錄 序號 名 稱 圖樣大小 張 數(shù) 圖號 1 三軸銑床總裝圖 A0 1 SZXC-00 2 十字滑臺裝配圖 A1 1 SZXC-00-01 3 主軸箱裝配圖 A1 1 SZXC-00-02 4 滾珠絲杠零件圖 A3 1 SZXC-00-01-01 5 銑床 UG 截圖 A3 1 SZXC-01