毕业设计（论文）-基于UG的三轴铣床运动仿真.doc

本科生毕业设计 毕毕 业业 设设 计计 说说 明明 书书 基于基于 ugug 的三轴铣床运动仿真的三轴铣床运动仿真 基于 ug 的三轴铣床的运动仿真 基于基于 ug 的三轴铣床运动仿真的三轴铣床运动仿真 摘要摘要：铣床是一种应用广泛的机床，：铣床是一种应用广泛的机床，铣床除能铣削平面、沟槽、铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿轮齿、螺纹螺纹和花键和花键 轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛高，在机械制造和修理部门得到广泛 应用。本课题设计的是一台实现三轴联动的铣床，并利用应用。本课题设计的是一台实现三轴联动的铣床，并利用 ug 软件进行运动仿真。软件进行运动仿真。 机床运动仿真分析已成为机床设计过程中重要的辅助手段，利用仿真可以及时发现机床运动仿真分析已成为机床设计过程中重要的辅助手段，利用仿真可以及时发现 存在的运动干涉、设计不合理等问题，这样可以在机床制造前及时解决，避免产生存在的运动干涉、设计不合理等问题，这样可以在机床制造前及时解决，避免产生 巨大的成本花费。巨大的成本花费。 首先，简单介绍课题来源，铣床的分类及发展历程。首先，简单介绍课题来源，铣床的分类及发展历程。 其次，对三轴铣床进行总体设计，确定各个零件的尺寸和定位关系并进行校其次，对三轴铣床进行总体设计，确定各个零件的尺寸和定位关系并进行校 核。使用核。使用 ugug 软件，建立铣床运动模型并进行简单的运动仿真。软件，建立铣床运动模型并进行简单的运动仿真。 最后，总结全文，并展望了计算机仿真技术在机床设计方面的前景。本课题最后，总结全文，并展望了计算机仿真技术在机床设计方面的前景。本课题 是涉及机械和计算机技术的研究型项目。文中对是涉及机械和计算机技术的研究型项目。文中对 ugnxugnx 软件的应用、铣床总体结构软件的应用、铣床总体结构 进行了一些探究，为机床设计与研制方面累积了一些经验。进行了一些探究，为机床设计与研制方面累积了一些经验。 关键词：关键词：三轴铣床；三轴铣床；ugug；运动仿真；运动仿真 本科生毕业设计 motion simulation of three-axis milling machine based on ug abstract:milling machine is a widely used machine, milling machine can mill plane, groove, teeth, thread, spline axis, and more complex surface machining . 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 基于 ug 的三轴铣床的运动仿真 本科生毕业设计 目录目录 1.绪论 .1 1.1 简介:.1 1.2 发展历程:.1 1.3 国内外现状综述：1 1.4 主要分类:.2 2.铣床机械部分设计 .4 2.1 总体设计要求 .4 2.2 运动轴的布置 .4 2.3 运动部件的行程范围 .4 2.4 导轨的选择4 2.5 联轴器的选择5 2.6 铣削力的计算5 2.6.1 主轴电机的选择6 2.6.2x、y 轴铣削力的计算6 2.7 步进电机的选择7 2.7.1 步进电机应用中的注意事项7 2.7.2 步进电机三因素的选择7 2.7.3 步进电机参数的计算选择8 2.8 滚珠丝杠的选择8 2.8.1 滚珠丝杠的选择计算9 2.8.2 滚珠丝杠的校核.10 2.9 轴承的选择.11 3.运动仿真 16 3.1 建模.16 3.2 装配.16 3.3 创建机床运动模型.18 3.3.1 定义机床基础部件.18 3.3.2 定义机床运动组件和分类.18 3.3.3 创建联接坐标系和分类.18 3.4 机床入库.21 4.结论 25 参考文献 26 致 谢 27 附 录 .28 基于 ug 的三轴铣床运动仿真 1.1.绪论绪论 1.11.1 简介简介: : 铣床是一种用途广泛的机床，在铣床上可以加工平面（水平面、垂直面） 、沟 槽（键槽、t 形槽、燕尾槽等） 、分齿零件（齿轮、花键轴、链轮乖、螺旋形表面 （螺纹、螺旋槽）及各种曲面。此外，还可用于对回转体表面、内孔加工及进行切 断工作等。 铣床在工作时，工件装在工作台上或分度头等附件上，铣刀旋转为主 运动，辅以工作台或铣头的进给运动，工件即可获得所需的加工表面。由于是多刀 断续切削，因而铣床的生产率较高。用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除能 铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床 高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。 1.21.2 发展历程发展历程: : 铣床最早是由美国人 e.惠特尼于 1818 年创制的卧式铣床。为了铣削麻花钻头 的螺旋槽，美国人 j.r.布朗于 1862 年创制了第一台万能铣床，是为升降台铣床的 雏形。1884 年前后出现了龙门铣床。20 世纪 20 年代出现了半自动铣床，工作台利 用挡块可完成“进给-快速”或“快速-进给”的自动转换。 1950 年以后，铣床在控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大提高了铣床 的自动化程度。尤其是 70 年代以后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在 铣床上得到应用，扩大了铣床的加工范围，提高了加工精度与效率。 随着机械化进程不断加剧，数控编程开始广泛应用与于机床类操作，极大的释 放了劳动力。数控编程铣床将逐步取代现在的人工操作。对员工要求也会越来越高， 当然带来的效率也会越来越高。 1.31.3 国内外现状综述：国内外现状综述： 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技 术， “七五”期间组织消化吸收“科技攻关” ，我国数控技术和数控产业取得了相当 大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004 年国产数控机床 产量和消费量的年平均增长率分别为 39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头 依然强劲，从 2002 年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口 第一大国，2004 年中国机床主机消费高达 94.6 亿美元，但进出口逆差严重，国产 机床市场占有率连年下降，1999 年是 33.6%，2003 年仅占 27.7%。1999 年机床进口 额为 8.78 亿美元（7624 台） ，2003 年达 27.1 亿美元（23320 台） ，相当于同年国内 数控机床产值的 2.7 倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开 发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖 进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究 其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识 与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。 毕业设计 2011 1 我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技 术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距 1.41.4 主要分类主要分类: : 一、按布局形式和适用范围加以区分： （1）升降台铣床：有万能式、卧式和立式等，主要用于加工中小型零件，应 用最广。 （2）龙门铣床：包括龙门铣镗床、龙门铣刨床和双柱铣床，均用于加工大型 零件。 （3）单柱铣床和单臂铣床：前者的水平铣头可沿立柱导轨移动，工作台作纵 向进给；后者的立铣头可沿悬臂导轨水平移动，悬臂也可沿立柱导轨调整高度。两 者均用于加工大型零件。 （4）工作台不升降铣床：有矩形工作台式和圆工作台式两种，是介于升降台 铣床和龙门铣床之间的一种中等规格的铣床。其垂直方向的运动由铣头在立柱上升 降来完成。 （5）仪表铣床：一种小型的升降台铣床，用于加工仪器仪表和其他小型零件。 （6）工具铣床：用于模具和工具制造，配有立铣头、万能角度工作台和插头 等多种附件，还可进行钻削、镗削和插削等加工。 （7）其他铣床：如键槽铣床、凸轮铣床、曲轴铣床、轧辊轴颈铣床和方钢锭 铣床等，是为加工相应的工件而制造的专用铣床。按控制方式，铣床又分为仿形铣 床（见仿形机床）、程序控制铣床和数字控制铣床（见数字控制机床） 二、按结构分： (1)台式铣床：小型的用于铣削仪器、仪表等小型零件的铣床。 (2)悬臂式铣床：铣头装在悬臂上的铣床，床身水平布置，悬臂通常可沿床身 一侧立柱导轨作垂直移动，铣头沿悬臂导轨移动。 (3)滑枕式铣床：主轴装在滑枕上的铣床，床身水平布置，滑枕可沿滑鞍导轨 作横向移动，滑鞍可沿立柱导轨作垂直移动。 (4)龙门式铣床：床身水平布置，其两侧的立柱和连接梁构成门架的铣床。铣 头装在横梁和立柱上，可沿其导轨移动。通常横梁可沿立柱导轨垂向移动，工作台 可沿床身导轨纵向移动，用于大件加工。 (5)平面铣床：用于铣削平面和成型面的铣床，床身水平布置，通常工作台沿 床身导轨纵向移动，主轴可轴向移动。它结构简单，生产效率高。 (6)仿形铣床：对工件进行仿形加工的铣床。一般用于加工复杂形状工件。 (7)升降台铣床：具有可沿床身导轨垂直移动的升降台的铣床，通常安装在升 降台上的工作台和滑鞍可分别作纵向、横向移动。 (8)摇臂铣床：摇臂装在床身顶部，铣头装在摇臂一端，摇臂可在水平面内回 转和移动，铣头能在摇臂的端面上回转一定角度的铣床。 基于 ug 的三轴铣床运动仿真 (9)床身式铣床：工作台不能升降，可沿床身导轨作纵向移动，铣头或立柱可 作垂直移动的铣床。 (10)专用铣床：例如工具铣床：用于铣削工具模具的铣床，加工精度高，加工 形状复杂。 三、按控制方式分： 铣床又可分为仿形铣床、程序控制铣床和数控铣床等。 我的课题是基于 ug 的三轴铣床运动仿真。内容是设计一台简易三轴铣床，并 利用 ug 的运动仿真功能实现铣床的三轴联动功能。设计思路为先根据机床加工运 动范围、特点，制定机床总体结构方案，然后具体零部件设计计算，确定各部件的 关键尺寸，最后设计计算运动幅，并编制零件数控程序驱动机床运动以实现运动仿 真。 在进行设计之前我们要做好以下几方面的工作： 首先，要有丰富的实践经验。整个设计，仅靠一些参考资料是远远不够的，这 样设计出来的三轴铣床只是结构完美，外形美观，但实用性差，因此，在设计工作 开始前，指导老师特地带我们到江淮动力集团、盐城长虹涂装有限公司、东风悦达 二厂等企业进行了实地参观考察，与企业工程技术人员共同讨论，积累了一些宝贵 的实践经验。 其次，运用四年来所学的专业知识，针对现实中遇到的实际情况，做到举一反 三。整个设计过程不仅涉及到以前所学的知识，还涉及到一些新的概念，这就要求 我们一边温习以前的知识，一边还要学习新的知识，可以说，整个设计过程就是我 们不断复习和学习的过程。 第三，通过自身的努力，理论联系实际，从合理性、经济性、工艺性、实用性 及对被加工零件的具体要求对现有机床进行研究和分析，找出可以进行改进的地方， 通过反复推敲对比，拟订较为合理的铣削组合机床的总体方案。 在设计过程中，由于铣床大部分是由标准零件构成，另外一些非标准件尽量适 应工厂的生产条件，使加工和维修方便，大大减少了设计工作量。限于本人知识水 平有限，又缺乏相应的实践经验，在设计中定存在不到之处，敬请老师批评指正， 提出宝贵意见，以便及时纠正。 毕业设计 2011 3 2.2.铣床机械部分设计铣床机械部分设计 2.12.1 总体设计要求总体设计要求 1铣床应能满足三轴联动加工要求，保证加工精度； 2铣床应运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整； 3铣床尽量用通用件以便降低制造成本； 4铣床各动力部件用电气控制。 2.32.3 运动部件的行程范围运动部件的行程范围 根据铣床的加工特点及参数，选择铣床 xyz 三轴的行程分别为: 300mm 300mm350mm 。 2.42.4 导轨的选择导轨的选择 铣床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等支撑件上的导轨进行 运动的，导轨的作用概括的说是对运动部件起导向和支承作用。在导轨副（如工作 台和床身导轨）中，运动的一方（如工作台导轨）叫做动导轨，不动的一方如床身 导轨叫支承导轨。 导轨选择考虑的因素： （1）导向精度 导轨在空载下运动和在切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。保证轴 承运动的准确性，是保证导轨工作质量的前提。 （2）几何精度 直线运动导轨的几何精度一般包括：导轨在竖直平面内的直线度；导轨在水平 平面内的直线度；两导轨面间的平行度。在前两项精度中，都规定了导轨在每米长 度上和导轨全长上，两导轨面间在横向每米长度上的扭曲值。 （3）接触精度 基于 ug 的三轴铣床运动仿真 磨削和刮研的导轨表面，接触精度按 jb2278 的规定，采用着色法进行检查。 用接触面所占的百分比或每 25 平方毫米面积内接触点数衡量。 （4）精度保持性 影响精度保持性的主要因素是磨损。 （5）低速运动平稳性 当导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性，即不出现滑移现 象。 （6）结构简单平稳性好 大多数机床的导轨都要淬硬，因此导轨的精加工不能淬硬。设计时应注意使导 轨的制造和维修方便，刮研量少。 由于其制造简单维修、检查方便的特点，选择矩形滑动导轨。 2.52.5 联轴器的选择联轴器的选择 联轴器是用来联接两进给机构的两根轴使之一起回转传递扭矩和运动的一种装 置。目前的联轴器类型繁多，有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最 为广泛。套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难（轴需作轴向移动） 。且 要求两轴严格对中不允许有径向或角度偏差，因此使用时受到一定的限制。绕行联 轴器则采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有方向间隙。凸缘式联轴器结构 简单，成本低，可传递较大扭矩，常用于转速低、轴的刚性大及对中性好的场合。 主要缺点是对两轴的对中性要求很高。 2.62.6 铣削力的计算铣削力的计算 现假设刀具材料为高速钢，工件材料为碳钢（） ab mp650 z 轴铣削工作时铣削力的计算： 最大铣削直径=10mm,最小直径。 max dmmd4 min 由实用机床手册得：铣削功率 (2-1) 4 106 vf p z m 铣削力 (2-2) fzowfpz zkdaaaf 86. 086 . 0 72. 0 642 铣削力修正系数 (2-3) rfzfzmfzfz kkkk 其中工件材料系数( mfz k006 . 1 ) 638 . 0 3 . 0 b 高速钢铣刀，前角系数 0 15 o r92 . 0 rfz k 主偏角 因此 0 75 k0 . 1 fz k0 . 192 . 0 006. 1 fz k 工件材料的抗拉强度； b 铣削深度； p a 每齿进给量； f a 铣削宽度； w a 毕业设计 2011 5 铣削直径； o d 铣刀齿数，z 现取 z=4 n=400r/min,zmmaf/05 . 0 mmap4mmdo10mmaw8 nfz 8 . 9079255 . 0 41085 . 04642 86 . 0 86 . 0 72 . 0 smmndv o /56.121000/4001014 . 3 1000/ kw vf p z m 19 . 0 60000/56.12 8 . 907 106 4 2.6.12.6.1 主轴电机的选择主轴电机的选择 选主轴电机时按切削计算，因为铣削时的最大切削力为： nfz 3 . 19969255 . 0 4485 . 04642 86 . 0 86 . 0 72 . 0 smmndv o / 1 . 201000/16001014 . 3 1000/ kw vf p z m 68 . 0 60000/ 1 . 20 3 . 1996 106 4 主轴功率 p=/0.88=0.68/0.88=0.77kw m p 所以选电动机为=1.1kw，型号：y90s4 型。 m p 2.6.2x2.6.2x、y y 轴铣削力的计算轴铣削力的计算 主转动中主轴功率 p=0.77kw，则7 . 01 . 1/77 . 0 电动机的额定功率。铣削力同样与道具材料、被铣削工件的材料、切削kwp1 . 1 0 量等因素有关，现以刀具材料为高速钢，工件材料为碳钢进行计算。 主传动功率包括铣削功率、空载功率、附加功率三部分。即： m p mo p mc p ,对于一般轻载高速的中、小型机床，取,故总功率为： mcmom ppppppmo5 . 0 ，,在进给传动中铣削功率 mm pppp)1 (5 . 0)2/(5 . 0ppm ,查机床设计手册得 k=0.85,)2/(5 . 0pkpa 那么kwpa36 . 0 )7 . 02/(1 . 15 . 085 . 0 切削时主轴上的扭矩为 (2-4) n p m ct n 97400 则主轴上的最大扭矩：)( 6 . 876400/36 . 0 97400 max cmnmn 铣刀的最大直径为：10mm。主切削力。铣削加工时主切削力nfc 6 . 8761/ 6 . 876 与铣削进给抗力之间的比值由机床设计手册查得为 1.01.2，取 1.2.则 ，垂直分力与之间的比值为 0.750.8,取 0.8，=841.5n。nfs 9 . 1051 z f c f z f 2.72.7 步进电机的选择步进电机的选择 步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。 基于 ug 的三轴铣床运动仿真 2.7.12.7.1 步进电机应用中的注意事项步进电机应用中的注意事项 1）步进电机应用于低速场合 2）步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 3）转动惯量大的负载应选用大机座号电机 4）电机在较高速或大惯量负载时，采用逐渐升频提速。 5）高精度时，应通过机械减速、提高电机速度或采用高细分数的电机来解决。 6）电机不应在振动区内工作 7）电机在 600pps 以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。 8）应遵循先选电机后选驱动的原则。 2.7.22.7.2 步进电机三因素的选择步进电机三因素的选择 步进电机由步距角、静转矩及电流三部分组成。一旦三大因素确定步进电机的 型号便确定了下来。 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求。将负载的最小分辨率换算到电机轴上， 每个当量电机应走多少角度，电机的步距角应等于或小于这个角度。 静力矩的选择 一般情况下静力矩应在摩擦负载的 23 倍内，静力矩一旦确定，电机的基座及 长度就能确定。 电流的选择 依据矩频特性，确定电流 力矩和功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用，功率是变化的，一般只用力矩来衡量， 力矩与功率换算如下： p=m (2-5) =2n/60 p=2nm/60 其中 p 为功率，单位为瓦；为每秒角速度，单位为弧度；n 为每分钟转速； m 为力矩，单位为牛顿米。 p=2fm/400（半步工作）其中 f 为每秒脉冲数。 混合式步进电机控制系统优缺点： 毕业设计 2011 7 混合式步进电机控制系统优点：稳定可靠，性能好，运行平稳。 混合式步进电机控制系统缺点：制造复杂，成本高；虽然共振区不明显，振荡 较小，但是仍然影响性能。 2.7.32.7.3 步进电机参数的计算选择步进电机参数的计算选择 1）步进电机转轴上启动力矩的计算 (2-6)2/()(36 bzspq fguft 铣削时： =841.5n，分别取 u=0.03 ,g=300n, ,nfs 9 . 1051 z fstepmm b /.81 =360.011051.9+0.03(300+841.5)/(21.80.7)=49.4n/cm q t 由手册可知：/，步进电机最大转矩 q t866 . 0 jm t /0.866=49.4/0.866=57n/cm jm t q t 2）确定步进电机最高工作频率 ,假定=0.025m/s p vf/1000 maxmax max v hzf125002 . 0 /025 . 0 1000 max 根据以上参数，初选混合式步进电机 57bygh6403。采用两相四拍通电方式。相数， 3；步距角，；电流，2.5a；静力矩，110ncm；转动惯量，280;引线数， 0 8 . 1 2 gcm 4。 2.82.8 滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的选择 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动， 这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变 成滚动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精 密仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋 转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆 性和高效率的特点。 滚珠丝杠主要由丝杠螺母副完成运动转换，滚珠丝杠螺母副的特点： 滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构。它的机构效（= 0.92-0.96）比滑动丝杠（= 0.20-0.40）高 3-4 倍。滚珠丝杠螺母副的动（静） 摩擦系数基本相等，配以滚动导轨，启动力矩很小，运动极灵敏，低速时不会 出 现爬行。滚珠丝杠螺母副可以完全消除间隙并可预紧，故有较高的轴向刚度， 且反向无空程死区，反向定位精度高。滚珠丝杠螺母摩擦系数小，无自锁，能实现 可逆传动。滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分内循环和外循环两种。 基于 ug 的三轴铣床运动仿真 在设计滚珠丝杠时，首先要确定其名义直径、螺距及滚珠直径等。确定滚珠丝 杠的上述参数时，目前采用的方法是，在防止疲劳点蚀的基础上，即滚珠丝杠在工 作过程中受轴向负载时，在滚珠和滚道型面间使产生接触应力。在这种交变接触应 力的作用下，经过一定的应力循环次数后就要使滚珠或滚道型面产生疲劳剥伤，而 使滚珠副丧失其工作性能，这是滚珠丝杠副的主要破坏形式。在设计滚珠丝杠副时， 必须保证在一定的轴向负载作用下，这种名义直径 d 和螺距 t 的滚珠丝杠在回转一 百万次后，在它的滚道上由于受滚珠的压力而不致有点蚀现象，这个负载的最大值 称为这个滚珠丝杠能承受的最大动负载。 在选用滚珠丝杠时, 应从以下几个方面考虑： 滚珠丝杠的安装方式： 一端固定、一端自由的安装方式适用于转速较低、滚珠丝杠较短的情况。 两端游动是一种常见的安装方法, 适用于中等转速的情况。 一端固定、一端游动则适用于中等转速、需要高精度运行的场合。 而两端固定的安装则适用于高速运转、需要高精度运行的场合。 丝杠的最小底径尺寸： 滚珠丝杠在正常使用时, 须保证在轴向方向上被施加的最大压缩负荷不能使丝 杠发生弹性变形, 这就确定了丝杠的最小底径尺寸。 允许转速： 随着滚珠丝杠转速的提高, 会逐渐接近丝杠的固有振动频率, 进而会发生共振 以至不能继续转动。因此滚珠丝杠一定要在临界转速共振点以下使用。 2.8.1 滚珠丝杠的选择计算滚珠丝杠的选择计算 动载荷 c 的计算 (2-7) max 3 ffflc hn 其中载荷系数取为 1.0 n f 硬度系数取为 1.2 h f 最大工作负载 max f l使用寿命 工作负载 f 是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠轴上的轴向压力，它的数据 可以用进给牵引力的实验公式计算： 对于类似燕尾型导轨的机床 (2-8)2( max gfffkff yzx 毕业设计 2011 9 x 方向的切削力 x f y 方向的切削力 y f z 方向额切削力 z f g移动部件的重量 导轨上的摩擦系数f 考虑颠覆力矩影响的实验系数k 正常润滑情况下，对类似燕尾型导轨 ,4 . 1k03 . 0 f 在铣削过程中，=841.5n，=0，=1051.9n，g=300n z f x f y f nf4 .97)30002 5 . 841(03 . 0 04 . 1 max 而 式中 n滚珠丝杠的转速，t使用寿命 对于铣床，n 一般取 6 10/60ntl 1250r/min, t 一般取 15000h,因为 l=60125015000/=1125 6 10 c=n 9 . 1181 7 . 942 . 10 . 11125 3 根据以上参数，选择规格为 32055 的内循环浮动式法兰型单螺母制滚珠丝杠 副。名义直径为 32mm；基本导程 5mm；滚珠直径 3.5mm；丝杠大径 31.5mm。螺 母内径 50mm;螺母外径 80mm；螺母长度 56mm。 2.8.22.8.2 滚珠丝杠的校核滚珠丝杠的校核 效率计算： 从 基于 ug 的三轴铣床运动仿真 故此丝杠不致失稳。 2.92.9 轴承的选择轴承的选择 机床传动轴的滚动轴承的主要失效形式，是循环接触应力下的作用，滚动体和 滚道表面出现疲劳剥落。而丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，对丝杠轴承的主要要 求是轴向精度和刚度要高，摩擦力矩要小，所以选用六十度角接触球轴承该轴承是 与滚珠丝杠配合的专用轴承，其主要特点如下： 1）接触角大，钢球数多承载能力高，刚度高。 2）既能承受轴向载荷，又能承受径向载荷，支承结构可以简化。 3）轴承启动摩擦矩小，降低丝杠副的驱动功率，提高进给系统灵敏度。 现选用 7000c 型号，基本尺寸为：d=10mm,外径 d=26mm,宽度 b=8mm,基本额 定动负荷，基本额定静载荷，极限转速为 2800r/min。 kncr29. 4 kncor25 . 2 对轴承的疲劳寿命进行校核：由机械设计可知， 轴 所以该轴承的选用是合格的。 2.102.10 轴的校核轴的校核 a.轴系零件的轴向固定 为使轴和轴上零件在机器中有正确的位置，防止轴系轴向窜动和正确传递轴向 力，轴系零件应予轴向固定。常见的轴向固定方式有三种： (1)两端单向固定的支承结构； (2)一端双向固定，一端游动的支承结构； (3)两端游动的支承结构。 轴系零件不论采取哪种固定方式，都是根据具体情况通过选择轴承的内圈与轴， 外圈与轴承座孔的固定方式来实现的。轴承内外圈的周向固定主要由配合来保证， 轴承内圈和轴的轴向固定，其原则及方法与一般轴系的轴向固定方式基本相同，外 圈与轴承座孔的轴向固定形式主要是利用轴承盖、孔用弹性垫圈、套孔的凸肩以及 轴承座孔的凸肩。具体选择时要考虑轴向载荷的大小，方向，转速高低，轴承的类 型，支承的固定型式等情况。根据上面的要求，结合本设计情况，主轴箱内的轴系 零件的轴向固定方式采用两端单向固定的支承结构。 b.轴的结构 毕业设计 2011 11 轴的结构主要取决于：轴在机器中的安装位置及形式；轴上零件的类型，尺寸 及配置，定位和固定方式；载荷的性质，大小，方向及分布情况；轴的加工和装配 工艺性等。由于影响轴结构的因素较多，其结构随具体条件不同而灵活变化，所以 轴一般并无标准的结构形式。但不论何种具体条件，轴的结构均须满足：足够的强 度和刚度；轴和装在轴上的零件应有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调 整；轴应该具有良好的制作工艺性。 c.轴的校核 作出轴的弯扭矩如图 3-1 所示。 1、求出传动轴上的转矩 t： 传动轴上的传递功率：kw （2-85.277.90.57pp传 13） mm 截面 b 处垂直弯矩nmm32.2817117716.159 11 lfm nvv 截面 c 处的垂直弯矩 nmm745.40916 5 . 5599.1403 5 . 23216.159)( 21211 lfllfm rnvv 截面 b 处的合成弯矩nmm69.82362 22 vhb mmm 截面 c 处的合成弯矩 nmm62.119623 22 vhc mmm 2、弯矩合成强度校核 通常只校核轴上受最大弯矩和扭矩的截面的强度，由以上计算得，危险截面 为截面 c。 考虑启动、停机影响，扭矩为脉动循环变硬力，6 . 0 n mm （2-81.228256)3240006 . 0(62.119623)( 222 3 2 tmm cca 15） 截面 c 处计算应力mpa （2-67.35 401 . 0 81.228256 3 w mca ca 16） 根据文献12表 11.2，轴的常用材料及其主要力学性能表可得 45 号调质钢的 mpa。60 1 1 ca 所以该轴的强度满足设计要求。用同种方法校核其他轴，均满足要求。 基于 ug 的三轴铣床运动仿真 图 3-1 轴的弯扭矩图 毕业设计 2011 13 3.3.运动仿真运动仿真 根据课题要求，使用 ug 软件进行运动仿真。ug 是 unigraphics 的缩写，这是 一个交互式 cad/cam(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可 以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着 pc 硬件的发展和个人用户的迅速增长，在 pc 上的应用取得了迅猛的增长，目前已 经成为模具行业三维设计的一个主流应用。nx 包括了世界上最强大、最广泛的产 品设计应用模块。 nx 具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高 性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。 nx 优于通用的设计工具， 具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计 所需的专业应用程序。ug nx 加工基础模块提供联接 ug 所有加工模块的基础框架， 它为 ug nx 所有加工模块提供一个相同的、界面友 好的图形化窗口环境，用户可 以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨 迹进行延伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的 点位加工编程功能，可用于 钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修 改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板 库使初加工、半精加工、 精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。ug 软件所有 模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实 体模型全相关。 ug nx 的 加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目 前世界上几乎所有主流 nc 机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明 适用于轴或更多轴的铣削加工、轴的车削加工和电火花线切割。 仿真过程 由于铣床的结构和装配悬系复杂，不宜进行单次建模，而是创建若干零部件， 在装配界面中将这些部件装配成完整的铣床。 3.13.1 建模建模 在确定了铣床各个零部件的尺寸形状后，在 ug 的草图界面中选择创建部件的 一个剖面，通过拉伸、旋转、镜像等操作画出零部件的三维实体图。 3.23.2 装配装配 在 nx 中，装配只是 part file，其中不包括实际的几何体，而是用于管理几 何体，其中只包含组件，是指针的集合。 装配时，从开始进入装配界面，选择装配和加载选项，选择添加组件选项，选 择合适的定位方式添加组件。按此方法逐一添加组件，组件之间选择接触对齐 平行、垂直等装配约束方式进行相互间的定位。 基于 ug 的三轴铣床运动仿真 图 1.ug 创建的导轨三维图 图 2.部件间的装配 毕业设计 2011 15 3.33.3 创建机床运动模型创建机床运动模型 完成装配后，就有了机床的整体视图。进入机床构造器 mtb 进行机床运动模 型的定义并在机床导航器中重新命名新添机床名 mill3ax.运动模型是用来描述机床 运动的，定义了运动模型后各组件的运动方式才得以确定。 3.3.13.3.1 定义机床基础部件定义机床基础部件 机床基础部件是定义机床运动关系的基础是机床导航器中关系树的根，一般定 义机床床身。 3.3.2 定义机床运动组件和分类定义机床运动组件和分类 根据机床部件和装配关系在上级部件下插入所要添加的 k 组件定义，k 组件的 父子关系决定了它们的依存关系。当定义 part、blank、fixture 等设备组件 时只需先定义名称并分类，不必指定几何对象。分类的目的是在进行碰撞干涉检查 时，可以按照类进行检查。通常对毛坯、工件和夹具进行分类。 3.3.3 创建联接坐标系和分类创建联接坐标系和分类为了便于描述机床各运动副之间的相对运动关系分别在 机床原点、工件和刀具上建立同向平行的坐标体系，并且使机床处于初始状态时， 工件坐标系、刀具坐标系坐标方向均与机床坐标系一致。 1)首先必须在机床基础件上定义机床坐标系和机床原点，用于指定机床各组件 图 3.创建机床运动模型 基于 ug 的三轴铣床运动仿真 的运动方向，因此机床坐标系轴的方向的确定很重要，但原点的位置可以定义在机 床的任意位置。创建一个名为 machine_zero，分类为 machinezero 的连接坐标 系。 2)在机床工作台上创建一个名为 part_mount_jct 的连接，用于在模拟仿真 时，安装加工工件将零件安装坐标系定在当前坐标系位置。part_mount_jct 实 际上定义工件在机床上安放时的参考点，即装卡原点。同样方式在刀具主轴端面创 建一名为 toll_mount_jct 的连接，用于模拟仿真时安装刀具。应注意坐标系 方向，x 轴为刀具安装轴。 图 4.建立机床原点 毕业设计 2011 17 3)创建机床运动轴：该功能的作用机床组件的运动形式，定义 xyz 轴的运动 行程和连接关系。 图 5.创建刀具安装连接 基于 ug 的三轴铣床运动仿真 3.43.4 机床入库机床入库 建好运动模型后，用机床模型文件路径将设置好的机床加入机床库以便调用。 修改机床库文件 在.machresourcelibrarymachineasciimachine_data_dat 下添加新机床入口 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 使机床库指向 mill3ax.dat 文件以便在该.dat 文件中，定义将用的机床后处理器。 图 6.定义机床运动轴 毕业设计 2011 19 执行完以上操作步骤将生成一个完整的虚拟机床，当需要时就可以在机床库中 调出并可实现该机床仿真运动和生成加工 nc 程序。 虚拟机床仿真加工与验证 将建立好的机床添加到虚拟仿真机床库之后就可以通过后置处理实现加工过程 仿真及验证。 a)首先在加工环境下打开要验证的以生成刀具路径的加工件，使导航器切换到 刀具导航器，并载入建立好的机床运动模型。 b)定义加工件及夹具，打开机床构造导航器在载入的虚拟机床上定义机床加工 件、毛坯及夹具等。 图 7.调入虚拟机床 基于 ug 的三轴铣床运动仿真 c)定义加工刀具，在 mtb 环境下对加工所需的刀具装配模型进行运动模型定 义，方法与机床运动模型的定义类似。如果不提供刀具运动模型，系统可以根据加 工模型中的刀具参数自动创建一个加工刀具，因此这一步不是必须有的。 d)定义机床驱动器，为了模拟真实的机床 nc 控制器行为，需要定义虚拟 nc 控制器来控制虚拟机床，在 post builder