毕业设计俞斌杰

1、安徽机电职业技术学院毕业设计说明书课题名称立柱的设计 系 （部） 数控工程系 专 业 数控设备应用与维护 班 级 数设3132 姓 名 俞斌杰 学 号 1403133053 指导教师 张涛/安浩 2013 2015学年 第 1 学期目录摘要. .第1章 绪论1 1.1课题背景与研究意义1 1.2 国内外研究现状.2 1.2.1国外研究现状.2 1.2.2国内研究现状.3 1.3 机床设计发展现状.4 1.3.1 机床设计发展.的几个阶段.4 1.3.2 现代机床设计思想.5 第二章 机床立柱作用.6 第三章 数控机床立柱的三维CAD建模72.1 CAD的概念与特点8 2.2 三维几何造型法.9

2、 第四章 立柱的装配.10 第五章 关于立柱的一些问题.30 4.1立柱采用钢焊龙门结构式设计的优点.30 4.2 立柱为何采用有限元分析的方法.32 4.3立柱各部件的用途 优点 特性.34 4.3.1伺服电机.34 4.3.2滚珠丝杠.34 4.3.3带传动.35 第六章 总结与展望.37 参考文献.38摘 要 随着机械工程技术的发展，装备制造、交通运输、石油化工、航空航天及国防军工等对数控机床的需要越来越大，要求也显著提高。为了保证机床具有良好的静动刚度、动态特性、精度保持性及加工工艺性，降低成本获得较高的经济效益，需要在机床的设计过程中，对机床的结构进行动力学仿真，以便能准确的发现薄弱

3、环节，实现机床结构的动态设计和优化。立柱作为弹性系统的元素之一，它直接影响零件表面成形运动轨迹的准确性，因此它的静动态性能将直接影响零件的加工精度、表面质量和铣床的生产率。本文以数控立式铣床的立柱为研究对象，研究其结构的静动态特性和提高其抗振性和稳定性的主要方法。对数控立式铣床的立柱结构进行实体建模的基础上，对其进行了分析，找出立柱结构的薄弱环节，确定需要改进的地方。针对分析得出的结论，在分析软件中对数控立式铣床的立柱结构进行了参数化建模，然后在保证其精度要求和动态特性条件下，本着提高经济效益、节约成本的目的，对其进行针对性的结构优化，并对优化方案进行了比较验证。关键词：立式铣床；立柱；结构分

4、析；优化设计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 绪论1.1课题背景及研究的意义 当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需

10、求，四大国际机床展早已成为各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。 随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制造业现代化的关键设备，是国防军工装备发展的战略物资。数控机床的拥有量及其性能水平的高低，是衡量一个国家综合实力的重要标志。加快发展数控机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。根据中国机床工具工业协会组织用户调查表明，航天航空、国防军工制造业需要大型、高速、精密、多轴、高效数控机床；汽车、摩托车、家电制造业需求高效

11、、高可靠性、高自动化的数控机床和成套柔性生产线；电站设备、造船、冶金石化设备、轨道交通设备制造业需求高精度、重型为特征的数控机床；IT业、生物工程等高技术产业需求纳米级亚微米级超精密加工数控机床；工程机械、农业机械等传统制造行业的产业升级，特别是民营企业的蓬勃发展，需要大量数控机床进行装备。当今数控机床的发展，除了要求机床重量轻、成本低、使用方便和具有良好工艺可能性外，还着重要求机床具有愈来愈高的加工性能。随着现代数控机床日益向着高速化、高性能、高精度方向发展，传统的设计方法己无法满足数控机床发展的要求。 数控机床床属于大型机械设备，在整个机床的各个组成部分中, 机床立柱是一个极其重要的大件,

12、 它起着支撑工件和连接工作台、床身等关键零部件的作用。数控机床立柱结构的设计尺寸和布局形式, 决定了其本身的各个动态特性。往往由于立柱结构设计不合理, 导致立柱的刚度不足, 产生各种变形、振动,加工时刀具与工件间产生相对变形和振动, 也使零件加工精度降低。立式铣床用于加工径向尺寸大而轴向尺寸相对较小，形状复杂的大型和重型工件。如各种盘，轮和套类工件的圆柱面，端面，圆锥面，圆柱孔，圆锥孔等。亦可借助附加装置进行铣削螺纹，车球面，仿形，铣削和磨削等加工。与卧式铣床相比，立式铣床主轴轴线为垂直布局，工作台台面处于水平平面内，因此工件的夹装与找正比较方便。这种布局减轻了主轴及轴承的荷载，因此立式铣床能

13、够较长期的保持工作精度。大量加工实践证明，将卧式铣床立起来使用(变成了立式铣床)反倒显示出了更多的优越性，如占地面积小、排屑更加方便、承载能力增加等。同时立式铣床还具有很好的主轴旋转精度和较强的切削能力，更加有利于实现生产的自动化，所以对立式铣床的使用和需求也越来越多。立柱是数控立式铣床重要结构部件之一，其结构特性对立式铣床的性能影响很大，主要体现在加工精度、抗振性、切削效率、使用寿命等方面。因此，立柱结构的静、动态性能是决定整机性能的重要因素之一。由于立柱结构形状较复杂，采用一般方法对其进行静、动态特性计算比较困难。如何对立柱等部件进行精确、合理、科学可行的计算，是机床结构设计过程中需要迫切

14、解决的重要课题。 因此, 在设计数控机床立柱结构时, 考虑立柱的动态特性显得尤为重要。针对这些因素，有必要对数控机床的立柱部分进行结构优化，本课题对数控机床的立柱部分进行优化设计有重要的实际意义。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状 国外的机床结构优化领域的研究比较多，在结构优化、有限元分析、参数化设计方面都有不少研究，美国机械工程师学会“Optimal synthesis of compliant mechanisms using subdivision and commercial FEA”一文中，利用有限元软件分析机械结构，提出全程参数化设计，并对其进行拓扑优化，全面分析了设计变量

15、在优化程序中的变数。国外机床结构优化设计存在以下特点：(1)设计与分析平行。从以满足一定性能要求为目标的结构选型、结构设计，到具体设计方案的比较及确定、设计方案的模拟试验等。床身结构设计的各个阶段均有结构分析的参与。床身结构分析贯穿了整个设计过程，这样确定的床身结构设计方案，基本就是定型方案。(2)结构优化的思想被用于设计的各个阶段。(3)大量的虚拟试验代替实物试验。虚拟试验不仅可以在没有实物的条件下进行，而且实施迅速、信息量大。利用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案中选择最优，减少设计的盲目性，另一方面可以及早发现在设计中的问题。从而减少设计成本，缩短设计周期。随着工业的发展，对数控机床的要

16、求越来越高。在机床的设计中，需要对其组成部件进行严密的分析与计算。车床床身等支承件的重量要占车床总重量的20到30，因此对支承件的单位重量刚度提出较高的要求。在重量轻的条件下，需保证支承件具有足够的静刚度，所以对支承件材料的分布、支承件壁厚和开孔位置的合理性提出了要求，有必要进行分析计算。1.2.2国内研究现状 目前国内在机床结构优化领域的研究比较活跃，机床结构优化设计的内容十分丰富，涉及内容很多，包括静力学，结构非线性分析，拓扑优化，模态分析，动力学分析等。目前有限元方法在机床结构设计中的应用主要有以下几个方面：(1)静力学分析。这是对二维或者三维机床零件承载后的应力和应变的分析，是有限元在

17、机床设计中最基本、最常用的分析类型。(2)模态分析。这是动力学分析的一种，用于研究结构的固有频率和各振型等振动特性，进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷。(3)谐响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属于动力学分析，用于研究机床对周期载荷和非周期载荷的动态响应。 (4)热应力分析。用于研究结构内部温度的分布，以及机床内部的热应力。(5)接触分析。用于分析两个结构件接触时的接触面状态和法向力。国内的机床结构优化设计主要是应用在刚度和强度分析方面。广西大学陈文锋、毛汉领“MXBS1320型高速外圆磨床动态性能的试验研究一文中，对MXBS1320型高速外圆磨床的动态性能使用脉冲激振法

18、进行了试验研究，得到磨床前几阶模态的频率和振型图，寻找出机床振动的薄弱环节和主要振源，并提出一些机床改造的措施。此外还有对主要零部件进行有限元分析，优化零部件结构的设计。东南大学和无锡机床股份有限公司对内圆磨床M2120A床身结构进行有限元分析，得到床身前几阶的固有频率和振型，分析床身的内部筋板布置对结构动态特性的影响。张海伟，利用动态实验分析和理论模型分析两种方法对卧式加工中心的动态性能进行了分，通过实验测试数据与理论计算结果对比分析，验证了理论模型的合理性，找出了机床的薄弱环节，并进行了结构优化。优化后分析结果证明机床结构的最大变形值都相应降低。陈庆堂，运用工程软件ANSYS的优化设计模块

19、，根据主轴箱的实际工况及机床零件加工精度要求，在参数化建模及结构应力分析基础上，对XK713数控铣床轴箱结构以减轻重量为目标进行优化设计。通过优化设计及分析，主轴箱结构重量减轻了232，三个方向上刚度和应力得到了合理的分布。东南大学机械工程系，利用有限元法对机床床身进行静、动态分析，并使用渐进结构优化算法对床身结构进行基于基频约束和刚度约束的拓扑优化，为ESO方法在机床大件结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试。王艳辉、伍建国等人，在“精密机床床身结构参数的优化设计一文中，在确定精密机床床身合理结构的基础上，利用ANSYS有限元软件提供的APDL参数化设计语言和优化设计方法，以床身的肋板布置和肋板

20、厚度为设计参数，对床身进行结构设计参数的优化，确定了床身结构的合理参数。不仅大大提高了床身的动态性能：而且节省了材料，降低了生产成本。1.3机床设计的发展现状1.3.1机床设计发展的几个阶段 机床设计和其它机器设计一样，也经历了由静态分析向动态分析，由定性分析向定量分析，由线性分析向非线性分析，由安全设计向优化设计，由手工计算向自动化计算的发展过程。 (1)经验设计阶段：二十世纪40年代以前，因受当时理论水平和试验手段的限制，主要是用一些具有不同条件系数的经验公式进行计算，并辅以“类比法来确定零部件结构和尺寸。这种设计方法盲目性比较大，往往导致机床尺寸增加，重量偏大，特别是为了保证某些动态性能

21、，更会引起不应有的加大结构尺寸现象。 (2)理论分析计算与试验研究相结合的设计阶段：二十世纪40年代至60年代初期，它首先根据理论计算和局部试验确定结构尺寸，制造样机。再对样机进行整机和局部薄弱环节的各种试验，最后补充修改定型。 (3)计算机辅助设计阶段：二十世纪60年代中后期以来随着计算机的广泛应用和先进测试技术的发展，使得在机床设计中可以主要利用分析计算法来计算机床的静态和动态应力、变形等。机床设计思想的主要内容是，把实际问题简化为模型，根据提供的数据和选定的目标函数，用计算机进行分析、计算并选定最佳方案。1.3.2现代机床设计思想 本世纪初以来随着科学技术的飞速发展，对机床产品的质量要求

22、越来越高，新材科、新技术的应用也同时有了很大发展，国内外出现了许多新型设计理论和方法，这些都使得现代机床设计思想进入了一个以试验研究及理论计算为基础的较高级阶段。研究设计程序、规律及设计思维和工作方法，不仅寻求产品本身的最佳化，还要实现从产品设计到制造、试验、检验的全过程以至整个系统的最佳化。现代机床设计思想是与现代科技发展相适应的一种先进的设计思想。其主要内容包括： (1)设计对象系统化。把设计对象即机床产品视为一个系统不仅关注其组成单元要素，还要考虑边界、环境和输入输出等特征，避免传统设计的那种局部、孤立地处理问题，而是整体、系统地对待设计对象。这还有助于引入系统论、信息论和控制论等现代科

23、学理论，用系统观点进行全方位设计。 (2)设计内容完善化。现代机床设计思想已超出常规的运动设计、动力设计和结构设计范畴，扩展到概念设计，可靠性设计和宜人性设计等更加完善的内容。使机床产品实用、经济、美观及舒适，具有更强的竞争力。 (3)设计目标最优化。现代机床设计思想追求的是目标最优化，不仅是对某项设计参数的单一目标优化，而且要对系统的诸多参数进行多目标的整体优化，利用计算机求得理论上的精确解即最佳方案，使产品设计在各项技术性能、可靠性及经济性等方面实现最优效果。 (4)设计问题模型化。简化模型是对设计问题的高度概括和抽象，数学模型是最适于分析和研究的一种形式。通过数学模型就可把工程问题与数学

24、理论紧密结合起来，借助计算机对设计问题进行定量运算和优化处理，并可应用动态设计和动态仿真等现代设计技术。 (5)设计过程动态化。现代机床设计思想更加注重产品的动态性能，在设计阶段就要对产品动态性能进行预测和优化。动态设计首先要建立系统的动力学数学模型，并通过验算或实际测试加以验证。然后用计算机对模型进行动态分析，修改某项参数，比较相应结果。直至达到满意的动态性能，最后获得最优动态设计方案。3第二章 机床立柱的作用 芜湖瑞精机床有限责任公司专业生产各种机床，机床立柱是机床重要的结构件之一，起着机床上下运动及支撑作用。 机床立柱材质:常见的为HT250,这种材质强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性良

25、好，铸造性能较优，需进行人工时效处理.除此之外经常用到的还有HT200 HT300 或球墨铸铁，根据不同工作要求而定。机床立柱加工要求:机床立柱加工要求主要体现在其导轨面的精度及硬度，检验标准与机床床身导轨面相当，一般不超过3道，导轨硬度根据材质不同，淬火完成后分别为HT250-HRC4650 HT300-HRC4852 ，淬火深度2.5-3mm。 机床立柱的作用:加工中心立柱主要是对主轴箱起到支撑作用，满足主轴的Z向运动。目前普遍采用的是双立柱框架结构设计形式，对于大中型的移动立柱固定于滑座上。因为立柱是连接床身与主轴、刀库的重要部件，所以它的设计必须得到重视。对于主轴来讲，正确的安装立柱对

26、于加工中心加工出合格的零件有着不能忽视的作用，而立柱的安装主要反映在其与工作台的垂直度上。第三章 数控机床立柱的三维CAD建模2.1 CAD的概念与特点 计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)是从上世纪50年代开始的，随着计算机及其外围设备的发展而形成的一门技术，是计算机科学与工程科学技术之间跨学科的边缘科学，是现代设计方法的一个重要方面，也是近年来我国大力推广的一项新技术。 在传统设计中，设计者根据设计任务的要求，参考已有经验和资料，进行构思设计方案、建立设计模型计算、分析、绘图、反复修改等过程，最后设计出满足要求的方案，并绘出图样和编制设计文件。在设计过程中，有

27、创造性的思维劳动，有综合性的分析及判断，也有复杂的计算和精密的 绘图等，工作量大，而且要做很多重复性的繁琐劳动，要有设计者来完成所有环节的工作，设计效率低。 CAD是指设计者以有高速计算能力和显示图形的计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行的规划、分析计算、综合、模拟、评价、绘图和编写技术文件等设计活动的总称。设计者的创新能力、想象力、经验和计算机高速运算的能力、图形显示与处理能力相互有机结合，综合运用多学科的相关技术，进行产品描述及设计，极大的提高设计工作的效率，为无图纸化生产提供了前提。计算机辅助设计能利用计算机运算速度快、计算机精度高、存储信息量大、逻辑推理能力强等优点，代替人工进行计

28、算与绘图，并通过人机交互，最大限度地发挥设计人员的创造力，改变单独由设计者进行全部设计工作的情况，人与计算机密切配合，各尽所长，发挥人的主导作用，CAD的特点为： (1)大大的减少了设计计算、制图和制表所需的时间，提高了设计工作效率，缩短设计周期，加快产品的更新换代。 (2)可以从诸多设计方案中进行比较，选出最佳方案，提高设计质量，并可以在设计时预估产品的性能。 (3)图样输出格式统一，质量高，修改设计方便。 (4)使设计人员从繁琐重复的设计劳动解放出来，以便将精力投入到新技术开发、现代设计方法的研究之中，进行计算机所不能替代的创造性工作。 (5)有利于产品的标准化、系列化、通用化、加速产品的

29、开发和投产过程，使新产品更快的投入市场，提高市场的竞争能力。 (6)有利于计算机辅助制造的发展。通过CADCAM集成化，实现产品设计和制造的一体化。2.2三维几何造型方法 人类的现实世界是一个有众多类型三维几何形体构成的集合体，因此人们在设计某一物体时，其最初的构思是从三维空间出发的。但在以往设计中设计信息却是通过二维图纸来表达的，这对于复杂的物体来说，往往难以描述清楚。并且对后继的机构几何关系和运动关系的分析、应力应变和数控加工等方面无法提供强有力的支持。为了满足工程实际的需要，上世纪60年代以来人们开始致力于研究和发展三维几何造型技术。三维几何造型技术的发展主要经历了线框造型、曲面造型和实

30、体造型等几个阶段。而目前人们研究较多的特征造型以及参数化、变量化造型则是在实体造型的基础上发展起来的。 线框造型是CADCAM技术发展过程中最早应用的三维模型，这种模型是有一系列空间点、直线和曲面组合而成。用来描述产品的轮廓外形，并在计算机内部产生相应的三维映像。线框模型在计算机内部是以边表和点表表达和存储的，由于它仅仅给出物体的框架结构，没有表面信息，故不能显示物体的真实图像。 曲面造型是在线框造型的基础上增加面与边的有关信息，用物体的表面来表示其基本形状。它给出顶点的几何信息及边与顶点、面与边之问的二层拓扑信息。面造型表示的几何对象，其表面可以由若干块平面、二次曲面或参数自由曲面组成，包含

31、各个曲面片的类型、几何参数、插值和拟合的算法以及面间交线的计算方法。虽然曲面造型比线框造型具有较丰富的形体信息，但未指明物体是实心还是空心，某部分是内部还是外部，只能用于物体外壳的描述。 三维实体(UG)造型是关于物体几何信息和拓扑信息的完整描述。实体造型也称体素造型，主要研究如何方便地定义形状简单的几何形状(即体素)，以及如何经过适当的布尔几何运算造出所需的复杂形体，并在图形设备上输出其各种视图的方法。 三维模型代表了CAD技术发展的主流，与二维模型相比具有显著的优越性。波音飞机公司在777新型客机的设计中，全面应用了三维实体模型技术，到1991年约有半数零件(6万多件)的50细节采用的是三

32、维实体设计，在设计中排除了50的差错，省去了部分样机制造。美国麦道飞机用UG II软件来建立整个飞机的电子样机，完全省去了实物模拟和试切工序。国外历史较久的CAD软件，如CASAM、CATIA、UGII等，一般都有三维线框、曲面、实体三种建模方法，且出现了将三种模型有机结合起来。统一灵活使用，三维与二维模型相互协调一致的趋势。后起的软件如IDEAS、PROE等则侧重于实体模型，主要用体素拼合等局部操作来构造复杂的形体。本次三维造型全用UG造型第四章 立柱装配立柱 减速箱减速箱的作用主要是降低电动机的输出和提高电动机的输出。另外，动力源（发动机或柴油机）的转速一般是和我们需要的转速有差异的，输出

33、转速都很高，为了得到我们需要的转速或转矩，需要将动力源的转速降低，减速箱能到起这样的作用。但是减速箱还有改变运动方向、实现不同转速等多个用途。 减速箱箱体减速箱盖板光栅尺光栅尺，也称为光栅尺位移传感器（光栅尺传感器），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移 或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测， 来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。 光栅尺定义： 光栅尺通过摩尔条纹原理，通过光电转换，以数字方式表示线性位移量的

34、高精度位移传感器。光栅线位移传感器主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精确 显示和自动控制，广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和CNC加工中心位置环的控制。该产品已形成系列，供不同规格的各类机床量 50毫米至 30米，覆盖几乎全部金属切削机床的行程。光栅尺固定架滑块调整垫滑块调整垫的作用是弥补设备制造误差和基础偏差，使设备安装满足施工规范的要求。使设备满足正常使用的要求。. 小带轮调整块调整块.扩大接触面、降低紧固力对被紧固件的应力集中，防止损坏被紧固件，拧紧螺母时不会划伤被紧固件，材料一般为08F钢强度、硬度很低，而塑性、韧性极高，具有良好的冷变形性和焊接性，正火后切削加工性尚可，

35、退火后导磁率较高，剩磁较少，但淬透性、淬硬性极低。故冷加工时，应采用消除应力热处理，或水韧处理，防止冷加工断裂。08F钢的塑性很好，主要用来制造冷冲压件。锰的在钢中起到增加弹性强度的作用，因此在符合要求的情况下，含量可以有偏差。 压盖轴承座轴承座：轴承座是用来支撑轴承的，固定轴承的外圈，仅仅 让内圈转动，外圈保持不动，始终与传动的方向保持一致（比如电机运转方向），并且保持平衡；,轴承座的概念就是轴承和箱体的集合体,以便于应用,这样的好处是可以有更好的配合,更方便的使用,减少了使用厂家的成本.至于形状,多种多样,通常是一个箱体,轴承可以安装在其中Y轴上轴承座 Y轴下轴承座防护套 护防套垫圈垫圈

36、扩大接触面、降低紧固力对被紧固件的应力集中，防止损坏被紧固件，拧紧螺母时不会划伤被紧固件，花垫和弹簧垫还有防止螺松脱的作用大带轮平衡油缸安装架 右防护罩 Y轴滚珠丝杠左/右防护罩 蓄能器 拖链支架立柱总装第五章 关于立柱的一些问题4.1立柱为何采用钢焊龙门结构式设计1、铸造的特点铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛胚因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了时间铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一。铸造种类很多，按造型方法习惯上分为：普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂

37、型3类。特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。铸造是比较经济的毛坯成形方法，对于形状复杂的零件更能显示出它的经济性。如汽车发动机的缸体和缸盖，船舶螺旋桨以及精致的艺术品等。有些难以切削的零件，如燃汽轮机的镍基合金零件不用铸造方法无法成形。 另铸造的零件尺寸和重量的适应范围很宽，金属种类几乎不受限制；零件在具有一般机械性能的同时，还具有耐磨、耐腐蚀、吸震等综合性能，是其他金属成形方法如锻、轧、焊冲等

38、所做不到的。因此在机器制造业中用铸造方法生产的毛坯零件，在数量和吨位上迄今仍是最多的。 2、焊接的特点 （1）焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。所以焊接是一种把分离的金属件连接成为不可拆卸的一个整体的加工方法。在焊接被广泛应用以前，不同拆卸连接的主要方法是铆接。与铆接相比，焊接具有节省金属、生产率高、致密性好、操作条件好、易于实现机械化和自动化。所以现在焊接已基本取代连接铆接。（2）焊接的另一个特点是可以化大为小、以小拼大。在制造大型机件与结构件或复杂的机器零件时，可以化大为小、化复杂为简单的方法准备坏料，用铸焊、锻-焊联合工艺，用小型

39、铸、锻设备生产大或复杂零件。例如我国生产的大型水压机立柱或发电机主轴等。（3）焊接可以制造双金属结构。用焊接方法可制不同材料的复杂层容器，对焊不同材料的零件或工具（如较粗的钻头，就是用45号作钻柄，高速钢作钻头的切削部分）等。所以，焊接是进行金属构件、机器零件等的重要加工方法，如桥梁、建筑构件、船体、锅炉、车箱、容器等。此外，焊接还是修补铸、锻件的缺陷和磨损零件的重要方法。3、塑性加工的特点 1）金属塑性加工时在金属整体性得到保持的前提下，依靠塑性变形使物质发生转移来实现工件形状和尺寸变化的，不产生切削，因而材料的利用率高的多。 2)在塑性加工过程中，除尺寸和形状发生变化外，金属的组织性能也得

40、到改善和提高，尤其对于铸造坯料，经过塑性加工将使其结构致密、粗晶破碎细化和均匀。从而使其性能提高。此外塑性流动所产生的流线也能使其性能得到改善。3)塑性加工过程便于实现生产过程的连续化、自动化，适用于大批量生产，如扎制、拉拔加工等，因而劳动生产率高。所以选取钢焊机作为龙门式立柱材料是比较合理的。4、龙门式的结构 钢焊龙门结构式结构有极好的对称性和极佳的刚性， 它是高速切削设备的首选结构。与传统的C 型床身结构相比， 龙门架形式的床身刚性较高，受力平均， 工件只在一个轴向移动， 各运动轴及相对惯性低， 设计紧凑精密， 可确保高刚性， 高精度及高动态特性。机床的横梁可采用倾斜30结构， 使主轴鞍座

41、的的重心向后方移动， 并且使横梁的导轨间距尽量加大，如此可大大提高主轴的稳定性和刚性。由于立柱的质量远远大于主轴等移动部件的质量， 所以为机床的高速运动和主轴的高速运转及负荷切削提供了坚实的保证。 采用框架封闭结构，内部采用斜向肋板提高。立柱的抗弯、抗扭能力，而且单位重量的刚度比其他结构的刚度要高。主轴箱装在立柱中间，沿立柱导轨上下运动。这种结构符合刚度大、热对称性好和稳定性好的特点。整个结构也是采用Q235-A钢焊接实现。这种结构的特点是：（1）由于力的作用点在立柱的中央，因此立柱受扭矩力的因素少（2）热对称性好，主轴箱式机床的主要热源，而它正好处于框形中间，使立柱结构成为热对称结构，这就减

42、小了热变形的影响；（3）稳定性好，由于立柱结构采用框架结构箱式布置，立柱的抗弯、抗扭刚度以及构件的固有频率都能得到提高。4.2 立柱为何采用有限元分析的方法立柱是立式铣床最关键的受力构件,它的强度、刚度好坏将直接影响到机床的精度和寿命。若采用常规算法进行线形设计计算,则不易给出准确的计算结果，且无法了解立柱各部位的受力状态和变形情况。导致的结果虽然增加了结构重量,浪费了材料,并且难以提高产品的设计质量和水平。随着计算机与软件技术的日益普及和应用有限元分析等现代结构分析方法己受到工程设计人员的广泛认同和采用,并取得了显著的技术经济效益。本文采用有限元软件分析某立式铣床立柱为结构的合理设计与改造提

43、供了可靠的理论依据。通过有限元方法对立柱进行分析,并进一步讨论了结构的改进方法使其各部位应力尽量分布均匀、合理,提高强度和刚度,对提高立柱的寿命、加工精度、避免立柱断裂有很好的指导意义。铣床立柱主要是对主轴箱起到支承作用，满足主轴的Z向运动。因此，立柱应具有较好的刚性和热稳定性。分析过程可归纳为如下四步：(1)连续体的离散化： 有限元是一种离散化的数值计算方法，它将连续介质或结构划分成许多有限大小的字区域的集合。把每一个子区域称为单元，将单元的集合称为网络。而实际的连续介质看成是这些单元在它们节点上相互连接而组成的有效集体。因此，有限元方法是一种近似得数学计算方法，随着网络的加密，等效集合体将

44、逼近于实际结构，或者说有限元计算模型逼近实际求解域，收敛趋于精确。（2）进行单元特性分析，建立单元平衡方程： 在使用有限元方法对连续系统进行分析时，为了能用节点位移来表示单元体的位移、应变和应力，假设位移是坐标的某种简单函数，这种函数就是形函数。适当的选择形函数是有限元分析的关键。目前，一般采用多项式作为形函数，多项式的项数等于单元的自由度数。根据选定的形函数就可以用节点位移推出单元内任一点位移大小。其矩形式为：x=N K= 弹性体经过离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是作为实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一的，因而这种作用在单元边界的表面力以及作用在单元上的体

45、积力、集中力等都需要等效到相应的节点上去，也就是要用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力，其方法是基于作用在单元上的力和等效节点力在任何虚位移上虚功相等的原则进行的。（3）建立结构整体平衡方程，确定栽荷及边界条件： 将单元组合成总体的问题，构造总体栽荷矩阵F和刚度矩阵K,这个集合的过程包括单元的刚度矩阵集成为整个结构的总刚度矩阵和作用于各个单元的等效节点力矩阵组集成总栽荷矩阵。构造总体刚度矩阵和栽荷矩阵是基于所有相邻单元在公共节点出位移相等的原则由此得到的总体栽荷矩阵F和总体刚度矩阵K，以及整个物体的节点位移矩阵￥，从而得到整个结构的平衡方程.求解之前必须设定边界条件。所谓边界条件就是整个结

46、构受到的约束条件，以用来消除钢体位移。使用边界条件处理后的平衡方程，就可以解出未知节点位移。再根据形函数及应变矩阵，就可以进一步得出结构上任意一点的位移、应力等信息。（4）解方程组求解 求线性或非线性的微分方程组，以得到节点的应变、应力值。平衡方程组的解法主要有两类：直接解法和迭代解法。几乎在所有的实际引用中，直接解法是目前最有效的解法。（5）结果分析当一个分析完成后，需要查看分析结果的正确性，获得并输出有用结果。变形分析属线弹性系统的应变分析。线性结构的静态分析总的等效方程为： 通过有限元方程 式得出各节点位移矢量根据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移及应变和应力的关系，得到单元节点

47、的应变和应力的表达式,求解上式得到各节点应变和应力机床的静刚度主要决定于部件的材料、尺寸、形状和筋板的布置等因素，它是衡量机床立柱特性优劣的一个重要指标。提高立柱的静刚度对于提高加工效率、表面加工质量和加工精度是十分有效的。因此通过立柱有限元模型的静力分析，得出立柱的静刚度值及其分布是十分必要的。 4.3 立柱各部件的用途 优点 特性4.3.1伺服电机 首先我们来看一下伺服电机 (如步进电机)相比到底有什么优点：1、精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；2、转速：高速性能好,机器人示教器，rv减速机，rv减速器，谐波减速机，机器人控制器，示教器，减速机，行星减速机，

48、机器人本体，二手机器人，机器人线缆，伺服电机，一般额定转速能达到20003000转；3、适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；4、稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；5、及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；6、舒适性：发热和噪音明显降低。简单点说就是：我们平常看到的那种普通的电机，断电后它还会因为自身的惯性再转一会儿，然后停下。而伺服电机和步进电机是说停就停，说走就走，反应极快。但步进电机存在失步现象。 伺服电机的应用领域就太多了。只要是要有动力源的，而且对

49、精度有要求的一般都可能涉及到伺服电机。如：机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备电机4.3.2 滚珠丝杠滚珠丝杠是一种新型的螺旋传动元件，相比于其他传动机构，滚珠丝杠效率高，精度高，并具有优越的高速特性、耐磨性及运动可逆性等特性。滚珠丝杠副在机床工业、汽车工业、自动控制系统、航空工业、船舶工业和兵器工业等各个部门皆获得了日益广泛的应用。张紧力在钢带的设计中是一个非常重要的参数。张紧力过小，摩擦力小，容易打滑；张紧力过大，降低钢带寿命，同时，轴和轴承受力大。因此，应通过系统运行确定适当的张紧力，以在保证钢带在带

50、轮上不打滑为原则的基础上，取尽可能小的张紧力。丝杠运动又称为螺旋运动，用来将直线运动转化为旋转运动，也可将旋转运动转化为直污运动。丝杠运动可传递能量或动力，同时也可传递运动或调整零件之间的相对位置。如螺茇玉力机、千斤顶以传递能量为主，而机床工作台的进给丝杠则以传递运动为主。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间放入适量滚珠，使丝杠和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变滚动摩擦。根据丝杠和螺母相对运动的情况，其传动方式也是多种多样的。对于滚珠丝杠副，其结构上最明显的特征是：构件间的可动连接通常不是借助于运动副工身，而是在丝杠和螺母两个构件之间利用中间元件（滚珠来实现的。这与滚动轴承类似。当螺母2或丝杠0转动时，带动滚珠3依次沿螺纹滚道滚动，同时滚珠3促使丝杠1或螺母2进行直线运动。为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出，在螺母上设有滚珠循环返回装置向器）4，构成一个滚珠循环通道。借助于这个返回装置，可以使滚珠沿滚道面运动后，4通道自动地返回到工