数控专用磨床砂轮架部件设计50

上海理工大学毕业设计 论文 1 目 录 中文摘要 ABSTRACT 第一章 绪 论 2 1 1 概述 2 1 2 外圆磨床的发展概况和前景 3 1 3 外圆磨床典型部件的功能介绍 4 1 3 1 机床总体布局 4 1 3 2 主要部件结构 5 1 磨床的主要部件 5 2 外圆磨床外观图 5 1 4 课题任务和意义 6 第二章 数控专用磨床砂轮架设计 7 2 1 砂轮架设计要点 7 2 1 1 主轴旋转精度及提高措施 7 1 主轴旋转精度 7 2 提高主轴旋转精度的措施 8 2 1 2 主轴系统的振动 发热及其降低措施 9 1 主轴系统的振动与发热 9 2 减小振动措施 9 3 降低发热的措施 10 2 2 主轴设计及计算 10 2 2 1 主轴强度计算校核 10 1 选择轴的材料 确定许用应力 10 2 按扭矩强度估算轴的最小直径 10 3 主轴砂轮上的作用力的计算 10 4 主轴的结构设计 10 5 校核轴的强度 11 2 3 轴承的选择与计算 13 第三章 横向进给部件设计 15 3 1 横向进给部件的设计要求 15 3 2 横向进给部件的机械传动设计 15 3 3 滚珠丝杠的设计和计算 16 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 2 3 3 1 滚珠丝杠副传动特点与应用 16 3 3 2 滚珠丝杠副的结构形式 17 3 3 3 滚珠丝杠的支承与轴承 18 3 3 4 滚珠丝杠副的选用与计算 19 3 4 直线滚珠导轨的设计与寿命计算 21 3 4 1 直线滚珠导轨的设计 21 3 4 2 直线滚动导轨的寿命计算 21 3 5 横向进给部件装配图 22 第四章 数控专用磨床砂轮架及横向进给部件建模 23 4 1 SolidWorks 的介绍及相关的模块 23 4 1 1 SolidWorks 的介绍 23 4 1 2 SolidWorks 的特点 24 4 2 砂轮架及横向进给部件的建模 26 4 3 砂轮架及横向进给部件的装配 28 第五章 SOLIDWORKS运动仿真的简单介绍 30 5 1 Animator 具有如下特点 30 5 2 运动仿真的过程 31 5 2 1 爆炸视图动画 31 5 2 2 动画向导 32 第六章 SOLIDWORKS有限元分析 34 6 1 有限元分析方法概况 34 6 2 有限元分析法的运用 35 第七章 结束语 36 谢 辞 37 参考文献 38 上海理工大学毕业设计 论文 3 第一章 绪 论 1 1 概述 磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床 大多数的磨床是使用高速旋转的 砂轮进行磨削加工 少数的是使用油石 砂带等其他磨具和游离磨料进行加工 如珩磨 机 超精加工机床 砂带磨床 研磨机和抛光机等 外圆磨床是使用的最广泛的 能加工各种圆柱形和圆锥形外表面及轴肩端面的磨床 万能外圆磨床还带有内圆磨削附件 可磨削内孔和锥度较大的内 外锥面 不过外圆磨 床的自动化程度较低 只适用于中小批单件生产和修配工作 内圆磨床的砂轮主轴转速很高 可磨削圆柱 圆锥形内孔表面 普通内圆磨床仅适 于单件 小批生产 自动和半自动内圆磨床除工作循环自动进行外 还可在加工中自动 测量 大多用于大批量的生产中 平面磨床的工件一般是夹紧在工作台上 或靠电磁吸力固定在电磁工作台上 然后 用砂轮的周边或端面磨削工件平面的磨床 无心磨床通常指无心外圆磨床 即工件不用 顶尖或卡盘定心和支承 而以工件被磨削外圆面作定位面 工件位于砂轮和导轮之间 由托板支承 这种磨床的生产效率较高 易于实现自动化 多用在大批量生产中 大型曲轴磨床工具磨床是专门用于工具制造和刀具刃磨的磨床 有万能工具磨床 钻头刃磨床 拉刀刃磨床 工具曲线磨床等 多用于工具制造厂和机械制造厂的工具车 间 砂带磨床是以快速运动的砂带作为磨具 工件由输送带支承 效率比其他磨床高数 倍 功率消耗仅为其他磨床的几分之一 主要用于加工大尺寸板材 耐热难加工材料和 大量生产的平面零件等 专门化磨床是专门磨削某一类零件 如曲轴 凸轮轴 花键轴 导轨 叶片 轴承 滚道及齿轮和螺纹等的磨床 除以上几类外 还有珩磨机 研磨机 坐标磨床和钢坯磨 床等多种类型 我国生产的磨床走进了数字化的时代 而我们的社会也早已经走入了一个信息化的 社会 每天人们都要接受大量的信息和处理大量的数据 仅靠纸和笔已经不能适应这个 时代的要求 人们必须采取新的手段 于是信息技术进入我们的生活 计算机不再只是 简单的计算工具 它已成为我们生活中处理大量信息和解决工作难题不可缺少的手段 一个国家要强大 要繁荣就要靠工业的发展来推动经济的发展 而机械行业又是我国工 业的中流砥柱 随着我国机械行业的发展 机械设计必不可少而且越来越重要 设计师 在对一个产品进行设计时 头脑中的图像 翻译 出来 描绘到图纸上 用它来进行指 导生产和技术交流 这就是通常所说的二维工程图纸 二位工程图在手工和人控的机加 工环境中起着重要的作用 人们一直期待着能够有一种手段 在产品正式生产前 能够 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 2 直接把头脑重的三维图像模拟出来 以确认设计的可靠性 传统的方法是用模型的方法 把实体实际地制造出来 既费时又费事还浪费资金 计算机的三维软件产生 实现了设 计师的这一梦想 通过它把设计师头脑中的图像直接仿真到屏幕上 既形象又直观 可 以说 应用三维软件进行设计是设计师思想不经 翻译 的直接反映 是自然的思维过 程 因此 三维软件可以进行直观的交流 思想表达更准确 清晰 于是 CAD 的三维建 模软件 SolidWorks 就诞生了 的确 国内机床厂的图纸大部分还是二维图纸 无论设计者看起来 工人加工起来 还是学生学起来都要有很高水平的读图能力 这样便给设计和教学带来不便 然而这种 时代一去再不复返了 大家也再也不用为复杂的图纸感到困惑 是因为有了计算机 有 了 CAD Computer Aided Design 即计算机辅助设计和动态仿真 Dynamic Simulation 鉴于 这种情况 出现问题 解决问题 也是我这次毕业论文设计的基本目的 本次毕业设计 用著名 CAD 软件 SolidWorks 来进行三维建模 使磨床的三维模型一幕了然 不仅便于理 解数控磨床的功能和作用 而且便于尺寸修改和再次造型 然而设计者再设计磨床过程 中使不知道生产出来的磨床是否能使用 是否完美 是否能达到精度要求 是否还有零 件之间的干涉 1 2 外圆磨床的发展概况和前景 外圆磨床是以砂轮磨削各种轴类零件外圆的磨床 是现代精密机械加工必不可少的 重要设备 国外外圆磨床一般包括普通外圆磨床 万能外圆磨床 卡盘外圆磨床 无心 外圆没出 专门外圆磨床 曲轴 凸轮 轧騉磨床 其他外圆磨床等 国外的外圆磨床 生产历史较长 使用较广 第一台外圆磨床由美国布朗 夏普 Brown轴向窜动与轴向止推 润滑与密封 振动与平衡 发热与冷却 砂轮破碎与保护等 从表面上看 问题似乎很 多 又各不相同 实际上它们之间是有内在联系的 整体设计过程 就是如何使这些问 题在一只砂轮架上得到比较合理的解决 主轴与轴承是砂轮架的关键部分 因此对砂轮架设计提出的基本要求主要也是针对 主轴轴承部分的 砂轮架设计应满足下列四点基本要求 1 主轴旋转精度高且稳定 2 主轴轴承系统刚性好 3 振动小 发热低 不漏油 4 制造装配简单 调整维修方便 2 1 1 主轴旋转精度及提高措施主轴旋转精度及提高措施 1 1 主轴旋转精度 主轴旋转精度 砂轮架旋转精度是指主轴前端的径向跳动和轴向窜动大小 它直接影响工件的表面 光洁度和表面缺陷 如直波形和拉毛等 外圆磨床砂轮架 磨头的径向 轴向跳动允差 0 005 0 010 毫米 2 提高主轴旋转精度的措施 提高主轴旋转精度的措施 1 选择合适的主轴轴承 由于砂轮架主轴转速很高 且不需要经常变速 故目前绝大 部分使用滚动轴承 一般根据主轴前端要求的径向和轴向跳动允差 选取 级或更 高的 级精度 这里我采用了两对角接触球轴承 因为角接触球轴承即能承受径向力 又能承受轴向力及通过轴向移动内外圈来调整间隙实现预紧外 还能达到较高的转速 此外 在安装时采用了背对背的排列方式 这样轴承的接触角线向外扩散 加大了支撑 宽度 较稳定 刚性好 当转速较高时 内圈的轴向伸长量比外圈大 背对背排列不会 因此增加轴承的负载 从而保证了轴承的正常运转 上海理工大学毕业设计 论文 7 2 提高主轴的加工精度 主轴本身的加工精度 对旋转精度有直接的影响 因此必须 规定合理的技术要求 砂轮主轴除其主要尺寸有配合公差要求外 应规定主轴轴颈的几何形状允差 圆度 及圆锥度误差 前 后轴颈与前端定心锥面的同轴度误差 轴肩轴向支承面与轴颈中心 线的垂直度误差等 一般精度外圆磨床砂轮架的主轴轴颈圆度 圆锥度误差 0 002 0 003 毫米 前 后 轴颈与前端锥面的跳动误差和轴肩与轴颈中心线的垂直度误差 0 003 0 005 毫米 图 2 1 砂轮架主轴 3 正确选择主轴轴向止推形式 主轴轴向止推可分为单向 双向两种 双向止推支承 一般安装在主轴前轴承的外侧 由套及压紧环靠主轴轴肩两端 磨制中间调整垫圈 保 证留 0 01 毫米间隙 这种结构能承受两个方向的轴向力 且在很大轴向力的情况下能获 得较好的轴向定位精度 但制造 装配与调整比较复杂 一般用于需要双面磨削的大型 机床 单向止推支承装在前 后轴承外侧 改善了上述缺点 还减小了砂轮中心至前轴承 中心的距离 提高刚性 所以我选用了单向止推形式 4 采用提高旋转精度的其他措施 皮带轮不直接装在主轴上 而装在单独的支架上 并采用花键 平键或其他方式带动主轴旋转 因此我采用了卸荷皮带轮 虽然结构上比 较复杂 但这样减少了主轴变形和轴承受力 如图 2 2 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 8 图 2 2 卸荷机构 2 1 2 主轴系统的振动 发热及其降低措施主轴系统的振动 发热及其降低措施 1 主轴系统的振动与发热 主轴系统的振动与发热 由于砂轮主轴作高速旋转 所以振动和发热对砂轮架正常工作影响较大 振动会影响磨削工件表面光洁度 产生直波形缺陷 而且会使磨床精度很快丧失 图 2 2 卸荷机构 砂轮架的发热 会使砂轮主轴膨胀 伸长 位移 使工件产生几何形状误差 严重的 将直接影响砂轮主轴的正常工作以至发生 抱轴 现象 砂轮架一般要求正常运转 2 4 小 时后 温升 不大于 20 2 减小振动措施 减小振动措施 主轴轴承系统的振动 一般分强迫振动和自激振动两种 强迫振动是外界干扰力引 起的 因此他的振动频率和外界干扰里的频率相等 或是其倍数 自激振动是运转或磨 削过程中本身所引起并维持的振动 由于砂轮和高速旋转零件的不平衡 传动砂轮的电动机不平衡 传动皮带长短不 一致等 都会引起砂轮对工件的强迫振动 可采取下列相应措施来减小振动 a 静平衡砂轮 使砂轮在平衡架上任意转动一个角度都能静止下来 或采用砂轮 自动平衡装置 b 对传动砂轮的电动机进行平衡 最好将电动机连同皮带轮一起进行整机动平衡 c 电动机底座与砂轮架之间用硬橡皮 木板或其他吸振材料隔振 d 避免在主轴上装不对称零件 如销子 键等 主轴上高速旋转的零件的材质要 均匀 尺寸要对称 e 三角皮带要选长短 厚薄均匀 在功率允许的情况下减少皮带根数 高精度 高速度 宜采用皮带 丝织带或棉纶带 为了减小磨削时的自激振动 应选用合适的砂轮和磨削用量 3 3 降低发热的措施降低发热的措施 砂轮架在满足主轴刚性的条件下 选用粘度比较低的润滑油 一般滚动轴承的砂轮 架采用油浸式润滑 油池应考虑有适当容积 使油温不至于太高 上海理工大学毕业设计 论文 9 2 2 主轴设计及计算 2 2 1 主轴强度计算校核主轴强度计算校核 1 选择轴的材料 确定许用应力 选择轴的材料 确定许用应力 主轴的材料为 45 钢 调质处理 查书表 13 1 可知 650MP 360 MP b a s a 查表 13 6 可知 102 MP 60 MP 215 MP aaa 2 按扭矩强度估算轴的最小直径按扭矩强度估算轴的最小直径 砂轮架的主轴与电动机直接相接 由于是高速轴从机构要求考虑 输入端轴颈应最 小 最小直径为 d 2 1 式中 C 为轴的材料和轴承情况有关的系数 P 为轴的传递的功率 kW n 为轴的转 速 r m 查表 13 5 可得 45 钢取 C 118 则 d 118 mm 16 3 mm 3 280 75 0 取最小直径 d 17mm 3 主轴砂轮上的作用力的计算 主轴砂轮上的作用力的计算 砂轮所受的转矩为 T 9 55 10 P n 9 55 10 0 75 280 25580 N mm 2 2 66 砂轮的作用力 圆周力 F 2T d 2 25580 90 568N t 径向力 F 433Nr 轴向力 F 352Na 4 主轴的结构设计 主轴的结构设计 主轴结构设计时 需同时考虑轴系中相配零件的尺寸以及轴上零件的固定方式 按 比例绘制结构草图 1 确定轴上零件的位置及固定方式 将左 右弹簧座布置在箱体的中间部分 轴 承对称布置在弹簧做的两边 轴外伸的端安装砂轮和带轮 主轴带轮靠锥度和螺母实现轴向定位和固定 靠莫氏锥度配合实现周向固定 两 bb 1 bb 1 bb 0 3 npc 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 10 端轴承靠套筒 轴肩来实现轴向定位 靠过盈配合实现周向固定 主轴通过两端轴承端 盖实现轴向定位 砂轮安装在砂轮罩中 砂轮罩靠轴肩 平键和过盈配合分别实现轴向 定位和周向固定 2 确定各段轴的直径 将估算轴径 d 8mm 作为外伸出端最小直径 由于要与带轮 相配 故选取 d1 20mm 考虑到主轴带轮用锥度实现轴向定位 取第二段直径为 d2 25mm 右弹簧座和右端轴承从左侧装入 考虑装拆方便及零件固定的要求 装轴承 处轴径 d3 应大于 d2 考虑滚动轴承直径系列 取 d3 35mm 为便于弹簧座的拆装 与弹 簧座配合处轴径 d4 应大于 d3 取 d4 42mm d5 是安装左侧轴承 根据选定轴承型号确 定 左端轴承型号与左端轴承型号相同 取 d5 35mm 考虑到砂轮罩是用莫氏锥度和螺 母实现轴向定位的 取 d6 25mm d7 16mm 所以各段轴径 d1 20mm d2 25mm d3 35mm d4 42mm d5 35mm d6 25mm d1 16mm 3 选取轴承型号 初选轴承型号为角接触球轴承 代号 C46207 查机械手册可得 轴承宽度 B 27mm 安装尺寸 D1 35mm 故 d3 d5 选取正确 4 确定各段轴的长度 综合考虑轴上零件的尺寸及其箱体尺寸的关系 确定各段 轴的轴长 5 画出轴的草图 如图 2 3 图 2 3 5 5 校核轴的强度 校核轴的强度 1 画出轴的技算简图 计算支反力和弯矩 由轴的结构简图 可确定轴承支点跨 距 由此可画出轴的受力简图 水平面支反力 F F 1 2 F 1 2 1960 284 N 2 3 RBXRDX t 水平面弯矩 M F 88 284 88 N mm 24992 N mm 2 4 CH RBX 垂直面支反力由静力学平衡方程可求的 上海理工大学毕业设计 论文 11 F 395 N F 35 N 2 5 RAZ RDZ 垂直面弯矩 M F 88 395 88 N mm 34760 N mm 2 6 CV RBZ M F 88 35 88 N mm 3080 N mm 2 7 CV RDZ 合成弯矩 M 2 8 C N mm 42811 N mm 3476024992 22 M 2 9 C N mm 25181 N mm 2 计算当量弯矩 M 转矩按脉冲循环考虑 应力折合系数为 2 10 A 剖面最大当量弯矩为 M C 式中 2 11 折算系数 用以考虑扭转切应力 与弯曲正应力 循环特性不同的影响 根 据轴的工作特点 一般弯曲正应力 是对称循环变应力 当扭转应力 是脉动循环变 应力时 取 0 6 M C N mm 49871 N mm 3 校核轴径 由当量弯矩图可知 A 剖面上的当量弯矩最大 为了危险截面 校 M 2 CH 2 MCV M 2 CH 2 MCV 2 2 T MC 2 2 T MC 59 0 102 60 0 1 bb bb 308024992 22 2 2 2558059 0 42811 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 12 3 1 1 0 bCeM 核该轴截面直径 2 12 c mm 20mm 结构设计确定的直径为 25mm 强度足够 2 3 轴承的选择与计算 在此次砂轮架的设计过程中 主轴直接和电动机的转动轴连接 所以受到传动时的 周向力的作用 因此有必要在结构中加入卸荷机构 以减主轴在转动过程中的振动力 其中卸荷机构中最主要的零件就是轴承 轴承主要可以分为滑动轴承和滚动轴承两大类 此次由于该砂轮作圆弧进给的主轴 转速较高 因此采用滚动轴承 滚动轴承按其所能承受的载荷方向或公称接触角的不同 分为 1 向心轴承 主要用于承受径向载荷的滚动轴承 其公称接触角从 0 度到 45 度 按公称接触角不同 又分为 公称接触角定义为滚动轴承中套圈与滚动体接触处的法 线和垂直于轴承轴线的平面间的夹角 1 径向接触轴承 公称接触角为 0 度的向心轴承 2 角接触向心轴承 公称接触角为 0 45 度的轴承 2 推力轴承 主要用于承受轴向载荷的滚动轴承 其公称接触角为 45 90 度 按公 称接触角的不同 又分为 1 轴向接触轴承 公称接触角为 90 度的推力轴承 2 角接触推力轴承 公称接触角大于 45 度但小于 90 度的推力轴承 深沟球轴承最具代表性的滚动轴承 用途广泛可承受径向负荷与双向轴向负荷适用 于高速旋转及要求低噪声 低振动的场合带钢板防尘盖或橡胶密封圈的密封型轴承内预 先充填了适量的润滑脂外圈带止动环或凸缘的轴承 即容易轴向定位 又便于外壳内的 安装最大负荷型轴承的尺寸与标准轴承相同 但内 外圈有一处装填槽 增加了装球数 提高了额定负荷 由上所述 由于轴主要受到径向力和一定的轴向里作用 极限速度较高 因此在此 采用深沟球轴承 对于轴承的计算 轴承的当量动载荷 对于起固定作用的轴承受到周向力和径向力的作用 P Fr 因此就可以得到 P 2800N 查表后可以选择 C6202 GB T276 95 型轴承 3 601 049871 上海理工大学毕业设计 论文 13 轴承的寿命计算 轴承的使用寿命受到工作温度以及工作中受到的冲击和振动等因素的影响 所以在计 算寿命的时候我们引入温度系数 ft 和载荷系数 fp 表 2 1 温度系数 ft 轴承工 作温度 1 00 125150200250300 温度系 数 ft 10 950 900 800 700 60 表 2 2 载荷系数 fp 载荷系数无冲击或轻微 冲击 中等冲击强烈冲击 fp1 0 1 21 2 1 81 8 3 0 根据上表的两个修正参数就可以运用公式对轴承的寿命的进行计算 2 13 2 14 考虑到无损检测五维运动机构的工作温度并不高 以及运动机构整体以平稳为工作要 求 所以这里选择 ft 1 fp 1 0 根据以上两个公式就可以得到轴承的寿命约为4000 8000小时左右 6 10 60 t h p f C L nf P 1 6 60 10 p h t f P n CL f 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 14 第三章 横向进给部件设计 3 1 横向进给部件的设计要求 横向进给机构主要完成砂轮相对于工件位置的自动控制和进给速度的控制 是影响数 控机床各项性能的主要因素 横向进给机构所要实现的运动是在砂轮启动后 使砂轮架完成快进 慢进 间歇工进 快退 慢退等运动 因此横行进给机构的设计要求如下 1 横向进给机构所要完成的运动是直线运动 2 要使砂轮架完成快进 慢进 间歇工进 快退 慢退等运动 3 导轨的刚度和运动灵敏性要高 4 要保证砂轮架移动的平稳性和保持良好的直线性 5 横向传动系统要求简单 传动链短 传动数量件少 6 降低成本 方便维修 3 2 横向进给部件的机械传动设计 为了使整台数控水晶磨床制造简单 因此我们可以借用工作台进给机构的传动件 以达到减少机床零部件的要求 因为横向进给机构和工作台进给机构完成的都是将旋转 运动转换为直线运动 横向进给机构设计与工作台进给机构的相同点与不同点 相同点 横向进给机构与工作台进给机构都是将电机的旋转运动转化成工作台或砂 轮架的直线运动 不同点 工作台进给机构所要完成的运动是往复直线运动 其运动的直线精度对加 工工件的尺寸公差影响不大 所以没有采用高精度的传动机构 而横向进给机构完成的 是带动砂轮完成快进 慢进 间歇工进 快退 慢退等运动 直接对加工工件的尺寸公 差有着很大的影响 所以一定要使用高精度的传动件 保持其运动的直线精度和平稳性 上海理工大学毕业设计 论文 15 为了保证横向进给运动的直线精度和平稳性 我决定选用滚珠丝杠副与直线滚动导 轨等高精度传动件来实现此运动 因为滚动丝杠的特点是传动效率高 一般可达95 以上 运动平稳 摩擦力小 灵敏度高 低速无爬行 定位精度和重复定位精度高 而直线滚 动导轨的特点是运动灵敏度高 低速运动平稳性好 定位精度高 精度保持性好 磨损 少 寿命长 移动轻便 所以都符合直线传动高精度的要求 同步带轮 支架 套筒等 零件都可以借用工作台进给机构中的零部件 详见横向进给结构的装配图和零件图 横向进给系统是由步进电机 同步带轮 滚珠丝杠副和直线滚动导轨等零部件组成 其横向进给系统运动简图如图4 1所示 其中1为步进电机 2为同步带轮 3为一对角接触 球轴承 4为滚珠丝杠副 其工作原理是 步进电机带动小同步带轮旋转 通过同步齿形 带带动大同步带轮旋转 然后通过间带动滚珠丝杠旋转 从而带动螺母完成直线运动 图4 1 横向进给系统简图 3 3 滚珠丝杠的设计和计算 3 3 1 滚珠丝杠副传动特点与应用滚珠丝杠副传动特点与应用 滚动丝杠副传动与滑动丝杠传动相比其主要特点是 1 传动效率高 一般可达到 95 以上 是滑动丝杠传动的 2 4 倍 2 运动平稳 摩擦力小 灵敏度高 低速无爬行 3 可以预紧 调整丝杠副的间隙 提高轴向接触刚度 4 定位精度和重复定位精度高 5 使用寿命为普通滑动丝杠的 4 10 倍 6 同步性好 用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时 可获得 较好的同步性 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 16 7 使用可靠 润滑简单 维修方便 8 不自锁 可逆向运动 即螺母为主动 丝亢为被动 9 有专业厂生产 选用配套方便 滚珠丝杠副作为精密 高效的传动元件在精密机床 数控机床得到广泛应用 在机械工业 航天航空 军工产品等各个领域应用很普遍 3 3 2 滚珠丝杠副的结构形式滚珠丝杠副的结构形式 按螺纹滚道法向截面的形状 滚珠的循环方式的方法的不同 滚珠丝杠有以下几种 不同的结构形式 1 螺纹滚道法向截面形状和特点 1 单圆弧 加工简单 滚道与滚子的接触角随轴向载荷大小变化 影响传动精度 在施加较大的预紧力之前 丝杠刚度很低 消除及预紧必须采用双螺母 2 双圆弧 加工较复杂 间隙理论上为零 接触角稳定 不随载荷变化 消除和预 紧可采用双螺母 也可用单螺母结构 应用广泛 2 滚珠循环方式 特点及应用 1 外循环 结构如图 4 2 所示 结构简单 工艺性良好 适合成批生产 回珠管可设计 制造成较 理想的运动通道 适用于重载荷传动 高速驱动及精密定位系统 在大导程 小导程 多头螺纹显示出独特优点 是目前应用最广泛的结构 图4 2 外循环结构形式 2 内循环 结构如图4 3所示 结构紧凑 滚珠在螺母体内和端盖间循环 即使在高速下 噪音 也很低 滚珠在回管路和端盖交接处滚动增加摩擦损失 容易引起滚珠跳动 主要适用 于各种高灵敏 高刚度的精密定位系统 上海理工大学毕业设计 论文 17 图4 3 内循环结构形式 3 3 3 滚珠丝杠的支承与轴承滚珠丝杠的支承与轴承 为了满足高精度 高刚度进给系统的需要 除了应采用高精度 高刚度的滚珠丝杠 副外 还必须充分重视支承的设计 注意选用轴向刚度高 摩擦力矩小 运转精度高的 轴承 1 轴端的支承形式 1 一端固定 一端自由 一端固定 一端自由的结构简图如图4 4所示 其主要特点是结构简单 丝杠的轴向 刚度比两端固定低 丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低 适用于中小载荷 低速的场 合 适宜垂直安装 图4 4 一端固定 一端自由结构简图 2 一端固定 一端游动 一端固定 一端游动的结构简图图 4 5 所示 其主要特点是需保持螺母与两端支承同轴 故结构较复杂 工艺较困难 丝杠的轴向刚度比两端固定低 丝杠的压杆稳定性和临界 转速比一端固定 一端自由结构高 丝杠有热膨胀的余地 适用于高精度中速的场合 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 18 图 4 5 一端固定 一端游动结构简图 3 两端固定 两端固定的结构简图 其主要特点是需保持螺母与两端支承同轴 故结构较复杂 工 艺较困难 只要轴承无间隙 丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍 丝杠一般不会受压 无压杆稳定问题 固有频率比一端固定要高 可以预拉伸 预拉伸后可减小丝杠自重的 下垂和补偿热补偿 主要适用于高精度高速的场合 通过上述三种固定形式的比较 我选择一端固定 一端自由的固定方式 因为考虑到 横向进给的滚珠丝杠转速较慢 而一端固定 一端自由的方式通常适用于低速场合 另 外由于在磨削加工中 由于磨削力很小 所以轴上的载荷很小 所以也比较适用于一端 固定 一端自由的固定方式 另外由于此滚珠丝杠的行程较短 对刚性的要求不是很大 所以对一端固定 一端自由产生的刚性不足的缺点影响不大 此外 此种固定方式结构 简单 安装方便 也是我选此种固定方式的原因 2 滚动轴承的选用 丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷 径向除丝杠自重外 一般无外载荷 对丝杠轴承主 要要求轴向精度和刚度较高 摩擦力矩要尽量小 游动支承多采用深沟球轴承 固定支承采用的有60 角接触球轴承 双向推力角接 触球轴承 圆锥滚子轴承 滚针轴承和推力滚子组合轴承 推力球轴承和深沟球轴承的 组合以及圆锥滚子轴承和深沟球轴承的组合 这些轴承的特点比较如下表4 1 滚动轴承类型轴向刚度轴承安装预载调整摩擦力矩应用 60 接触角推力 角接触球轴承 大简单不需要小应用广泛 刚 度要求变动 双向推力角接 触球轴承 中简单不需要小轴承刚度要求 较高场合 圆锥滚子轴承小简单有时需要大轴向刚度要求 不高场合 滚针和推力滚 子组合轴承 特大简单不需要特大大牵引力高刚 度的机床 深沟球轴承和 推力轴承组合 大复杂麻烦小应用较少 表4 1 丝杠常用支承常用轴承特点及应用 3 3 4 滚珠丝杠副的选用与计算滚珠丝杠副的选用与计算 1 丝杠的导程和转速 步进电机的最大转速为 250r min 工作台的最大移动速度为 1000mm min 上海理工大学毕业设计 论文 19 所以 Ph 4mm 2 当量转速与当量载荷 nm 250 r min Fm 250N 3 初选滚珠丝杠副 Lh 106 60 nm Ca Fm ftfhfafk fw 3 3 1 查表得 ft 1 fh 1 fa 1 fk 0 53 fw 1 3 Lh 278 16 0 6 10 26688h 代入公式 26688 106 60 150 Ca 250 1 1 1 0 33 1 3 3 Ca 6122N 初选丝杠为内循环 d0 20 Ph 4 Dw 3 5 型号为 FFB2005 额定动负荷 Ca 6 5kN 大于算出的 Ca 值 所以这种丝杠是可用的 4 丝杠螺纹长度计算 Lu 80 60 30 170 3 2 5 临界转速 Nrc 9910f22d2 L22 3 3 其中 d2 d0 1 2Dw 3 4 20 1 2 3 5 15 8mm 查表得 f2 1 875 Nrc 9910 1 8752 0 0158 0 172 19000r min Ncr Nmax 所以符合要求 6 轴承的选择 选用的轴承型号为 7602020TVP 查表得 d 20 D 47 B 14 Z 15 Dw 5 953 Ca 19600N 1 预负荷 F Ft Fmax 2 3 5 517N 2 疲劳寿命计算 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 20 轴承要求的动负荷按下式计算 Cc fhKfK1KNKnP fN 3 6 考虑到数控机床的本身特点 上式中系数 KfK1KNKn 均取 1 当量转速 Nm 250r min 故 fn 0 632 若寿命为 1500h 则 fh 3 11 Cc 3 11 0 632 400 1968N Cc 小于轴承的额定动载荷 所以选用 3 4 直线滚珠导轨的设计与寿命计算 3 4 1 直线滚珠导轨的设计直线滚珠导轨的设计 以上几节中 我们针对水晶磨床套圈磨床的特点 分别对导轨副的选用 进给系统 的机械设计以及运动平稳性进行了系统的研究和分析 研究结果表明 导轨的设计主要 需满足以下的要求 1 刚度 新一代水晶磨床的正常磨削力不大 刚度计算主要应考虑传动机构的冲击力 颠覆力矩以及振动 所以在导轨设计时 应考虑预负荷导轨的滚子在承受颠覆力矩时 使受力最大的滚子的受力不能超过滚子的强度极限值 即不能使滚子与导轨面间有塑性 变形 而且应使受力最小的滚子的受力也超过理论的受力一变形曲线的非线性部分 即 能达到刚度要求 2 传给导轨分辨率 由于进给系统主要由传动机构和导轨拖板组成 若传动机构的刚度 一定 则进给系统的分辨率和灵敏性主要决定于导轨的分辨率和灵敏性 导轨起动力的 大小及其分布对其影响很大 而起动力的大小及其一致性在很大程度上取决于导轨的滚 动摩擦力Ff 研究还表明 导轨预紧力的大小和分布较大程度影响Ff 所以选取合适的预负 荷的大小和分布十分重要 根据前节的计算 给出导轨的分辨率要求 即可相应得出起 动力的大小 据此就可选取适当的预紧力的大小和分布 3 4 2 直线滚动导轨的寿命计算直线滚动导轨的寿命计算 滚动导轨寿命的计算已经成熟 普遍使用的公式如下 L f1 fw Ca Pc K 3 7 下面对我的磨床上的滚珠直线导轨的寿命进行计算 我设计的导轨的基本数据如下 工作台质量 m 200kg 负载 F 10kN 有效行程 l 0 16m 每分钟往复次数 n 8 查表得 fh 1 ft 1 上海理工大学毕业设计 论文 21 fc 0 66 fa 0 9 fw 1 8 寿命按每天工作 300 天 每天两班 每班 8h 开机率 80 算 Lh 10 300 2 8 0 8 3 8 38400h 参照上述滚动导轨寿命的公式 L 2ln 60Lh 1000 3 9 2 1 8 60 38400 1000 36864km 计算四个滑快的载荷 P1 P2 P3 P4 10 2 4 3kN 3 10 考虑各项系数 得 Ca 3 11 3 50 wc htca f PL f f f f 3 1 8 336864 1 1 0 66 0 950 80 21kN 所以符合要求 3 5 横向进给部件装配图 垫圈5 螺钉 螺钉 销 8 螺母 螺钉螺钉 轴承 螺钉 螺钉 键 6 螺母 同步带150 螺钉 垫圈6 2 导轨副 螺钉 螺钉 销8 图4 7 横向进给装配图 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 22 第四章 数控专用磨床砂轮架及横向进给部件建模 当拿到一张工程图或是一个零件样本时 首先应该去掉修饰部分 即圆角 倒角以 及拔模斜面等 然后查看零件的对称性及工程图上的剖面图 在认识零件的过程中 仔 细考虑 划分零件特征的种类及生成顺序 考虑对于每一个特征 采用什么造型手段 是使用实体还是使用曲面特征较为合适 最后按照既定顺序采用恰当手段来深成零件特 征 就这个外圆磨床的砂轮架部件来说 对我们的基本 SolidWorks 建模知识就是一个比 较好的考察 许多零件要求我们运用多样化的建模方法 以及较为全面的识图读图能力 需要我们拿到三视图后经过比较周全 细致的思考 再进行建模 4 1 SolidWorks 的介绍及相关的模块 4 1 1 SolidWorks 的介绍的介绍 SolidWorks 合作计划包括全球大约 400 多家公司 包括计算机辅助设计 CAD 计 算机辅助制造 CAM 计算机辅助分析 CAE 和产品数据管理 PDM 软件 Solidworks 功能强大 易学易用和技术创新是 SolidWorks 的三大特点 使得 SolidWorks 成为领先的 主流的三维 CAD 解决方案 SolidWorks 能够提供不同的设计方案 减少设 计过程中的错误以及提高产品质量 SolidWorks 不仅提供如此强大的功能 同时对每个 工程师和设计者来说 操作简单方便 易学易用 4 1 2 SolidWorks 的特点的特点 1 全 Windows 界面 操作非常简单方便 SolidWorks 是在 Windows 环境下开发的 简易方便的工作界面 利用 Windows 的 资源管理器或 SolidWorks Explorer 可以直观管理 SolidWorks 文件 上海理工大学毕业设计 论文 23 SolidWorks 软件非常容易学习 SolidWorks 采用内核本地化 全中文应用界面 SolidWorks 全面采用 Windows 的技术 支持特征的 剪切 复制 粘贴 操作 支 持拖动复制 移动技术 2 清晰 直观 整齐的 全动感 用户界面 全动感 的用户界面使设计过程变的非常轻松 动态控标用不同的颜色及说明提醒 设计者目前的操作 可以使设计者清楚现在做什么 标注可以使设计者在图形区域就给 定特征的有关参数 鼠标确认以及丰富的右键菜单使得设计零件非常容易 建立特征时 无论鼠标在什么位置 都可以快速确定特征建立 图形区域动态的预览 使得在设计过程中就可以审视设计的合理性 利用 FeatureManager 设计树设计人员可以更好地通过管理和修改特征来控制零件 装配和工程图 PropertyManager 属性管理器 提供了非常方便的查看和修改属性操作 PropertyManager 属性管理器 减少了图形区域的对话框 使设计界面简捷 明快 ConfigerationManager 属性管理器很容易地建立和修改零件或装配的不同形态 大大 提高了设计效率 3灵活的草图绘制和检查功能 草图绘制状态和特征定义状态有明显的区分标志 设计者可以很容易清楚自己的操 作状态 草图绘制更加容易 可以快速适应并掌握 SolidWorks 灵活的绘图方式 单击 单击式 或单击 拖动式 单击 单击式的绘制方式非常接近 AutoCAD 软件 绘制草图过程中的动态反馈和推理可以自动添加几何约束 使得绘图时非常清楚和 简单 草图中采用不同的颜色显示草图的不同状态 拖动草图的图元 可以快速改变草图形状甚至是几何关系或尺寸值 可以绘制用于管道设计或扫描特征的 3D 草图 可以检查草图的合理性 4 强大的特征建立能力和零件与装配的控制功能 强大的基于特征的实体建模功能 通过拉伸 旋转 薄壁特征 高级抽壳 特征阵 列以及打孔等操作来实现零件的设计 可以对特征和草图进行动态修改 功能齐备和全相关的钣金设计能力 利用钣金特征可以直接设计钣金零件 对钣金 的正交切除 角处理以及边线切口等处理非常容易 SolidWorks 提供了大量的钣金成形 工具 采用简单的拖动技术就可以建立钣金零件中的常用形状 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 24 利用 Feature Palette 窗口 只需简单地拖动到零件中就可以快速建立特征 管理和使 用库特征非常方便 利用零件和装配体的配置不仅可以利用现有的设计 建立企业的产品库 而且解决 了系列产品的设计问题 配置的应用涉及零件 装配和工程图 可以利用 EXCEL 软件驱动配置 从而自动地生成零件或装配体 使用装配体轻化 可以快速 高效地处理大型装配 提高系统性能 按照同心 重合 距离 角度 相切等关系的丰富多样的装配约束 动画式的装配和动态查看装配体运动 在装配中可以实现智能化装配 装配体操作非常简便 高效 可以进行动态装配干 涉检查和间隙检测 以及静态干涉检查 在装配中可以利用现有的零件相对于某平面产生镜像 产生一个新零件或使用原有 零件按镜像位置装配 5 工程图 使用 RapidDraft 工程图技术 可以将工程图与三维模型单独进行操作 以 加快工程 图的操作 但仍然保持与三维模型的相关性 可以为三维模型自动产生工程图 包括视图 尺寸和标注 灵活多样的视图操作 可以建立各种类型的投影视图 剖面视图和局部放大图 交替位置视图能够方便地显示零部件不同的位置 在同一视图中生成装配的多种不 同位置的视图 以便了解运动的顺序 SW2001 SP5 以后 增加了局部剖视图功能 6 数据交换 可以通过标准数据格式与其他 CAD 软件进行数据交换 提供数据输入诊断功能 允许用户对输入的实体执行几何体简化 模型误差重设以 及冗余拓扑移除 利用插件形式提供免费的数据接口 可以很方便地与其他三维 CAD 软件如 PRO Engineer UG MDT SolidEdges 等进行数据交换 DXF DWG 文件转换向导可以将用户通过其他软件建立的工程图文件转化成 SolidWorks 的工程图文件 操作非常方便 可以将模型文件输出成标准的数据格式 将工程图文件输出成 DXF DWG 格式 7 支持工作组协同作业 3D Meeting 是基于微软 NetMeeting 技术而开发的专门为 SolidWorks 设计人员提供的协 同工作环境 利用 3D Meeting 可以通过 Internet 实时地协同工作 支持 Web 目录 可以将设计数据存放在互联网的文件夹中 和存放在本地硬盘一样方 便 上海理工大学毕业设计 论文 25 将工程图输出成 eDrawings 文件格式 可以非常方便地交流设计思想 提供了自由 开放 功能完整的 API 开发工具接口 用户可以根据实际情况利用 VC VB VBA 或其他 OLE 开发程序对 SolidWorks 进行二次开发 8 SolidWorks 合作伙伴计划和集成软件 作为 基于 Windows 平台的 CAD CAE CAM PDM 桌面集成系统 的核心软件 SolidWorks 完整提供了产品设计的解决方案 对于产品的加工 分析以及数据管理方面 SolidWorks 公司 合作伙伴计划 则大大拓展了 SolidWorks 在整个机械行业中的应用 合作伙伴计划 提供了许多高性价比的解决方案 SolidWorks 用户可以从非常广泛的范围 内选择在产品开发 加工制造以及数据管理的各个方面的软件 4 2 砂轮架及横向进给部件的建模 零件的建模有许多的方式 比如最常用的拉伸 旋转 可变剖面扫描 边界混合工 具等等 在建模是还用到不少辅助工具 比如草绘 基准轴 基准平面 基准曲线 基 准点等 这些辅助工具对建一些较为复杂的模型来说是非常有用的 然后还有一些对模 型整体进行改造的工具 比如拔模 孔 筋板 抽壳 倒角等等 在这次的建模中可能 有很多工具还不一定用到 但是在今后的运用中同样将发挥很大的用途 通过这次的毕业设计课题还是可以多少增进我们对 SolidWorks 建模的认识和掌握 比如说下面的这个看似简单的皮带轮零件 图 3 1 CAD 的 2D 草绘 首先我们拿到图后会考虑到这是一个中心轴对称零件 用旋转工具可以快而准确地 得到大致形状 把能够用旋转工具得到的轮廓一并考虑在内 简化步骤 在草绘中得到 旋转图形 草绘中要注意中心轴确定 所有的旋转尺寸只有在与中心轴产生联系后才能 在旋转时得到 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 26 图 3 2 在 SolidWorks 中的草绘 因为零件中有一个不对称的槽 所以在旋转后再通过拉伸工具画出来 然后是零件 几个不同位置上的孔 通过孔工具得到 接着是再次通过旋转工具得到 4 个皮带轮槽中 的其中一个 然后通过阵列工具实现 4 个轮槽的实体化 大概的形态已经展现在我们面 前 最后只要将零件的毛刺或者加工需要的倒角通过不同大小的倒角工具就可以很快实 现 20 分钟左右一个简单零件的三维视图就呈现在我们面前 图 3 3 旋转零件模型 这是中心轴旋转得到主体部分的一个比较有代表性的零件 像这样的零件还有很多 比如主轴等等 上海理工大学毕业设计 论文 27 但是也有很多零件是无法通过旋转得到的 比如下面显示的底座模型的建模 就是 通过 拉伸工具 得到了底座下面的板面部分 然后上面的显示主轴空部分则是通过 切成拉伸工具 得到的 其中中间的 2 根支承是通过 筋板工具 得到后 利用 阵 列工具 通过以中心轴为参照得到的 其余的孔部分大多是利用 孔工具 如是有规律 地排列的同样规格的孔 同样可以利用 阵列工具 得到 只是在选择参照的时候要注 意标准 底座下面的板面部分周围有一圈不规则的边 这就需要利用 草绘工具 的精 确绘制 这其中选择参照很重要 要慎重选择 最后把草绘得到的部分激活直接拉伸 图 3 4 底座的 3D 建模 4 3 砂轮架及横向进给部件的装配 在的零件装配过程中 最基本 最重要的概念 就是装配的约束 零件的装配时通 过定义零件模型之间的装配约束来实现的 该装配约束诗世纪环境中零件之间的装配设 计关系在虚拟设计环境的映射 在 SolidWorks 中 系统对应于现实环境的装配情况定义了许多装配约束 如匹配 插入等等 因此 在 SolidWorks 中进行零件装配就必须定义零件之间的装配约束 装配 约束定义完成后 系统根据定义的约束自动进行零件装配 这是一个对我们来说比较方 便的地方 就是给出约束 外圆磨床砂轮架部分有 50 多个零件需要三维建模 不但要运用零件的建模知识 还 要通过装配 将所有零件组成一个大致的箱体模型 装配同样需要有一个全盘的考虑 在看过总装配图后 决定把装配分成几个部分分 别进行 然后再进行总的装配 我将装配分为 3 个部分 前 后以及下部 分别装配后 再进行总装配 因为我的主体零件是砂轮架 所以在绘制箱体时首先要注意的就是尺寸 的精确性 以免影响其他部分的装配 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 28 图 3 5 砂轮架装配体 图 3 6 砂轮架装配体 图 3 7 横向 进给系统装配 体 上海理工大学毕业设计 论文 29 图 3 8 总体装配图 由于在绘制零件时 默认的零件颜色都是灰色 在装配时会多少影响到外观和美观 在装配时也会带来少许的不便 于是在装配前对每个零件进行了着色处理以便区分 最后装配好的零件图呈现在眼前 建模部分的工作到此算告一段落 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 30 第五章 SolidWorks 运动仿真的简单介绍 利用 SolidWorks 的 Animator 插件的运动仿真功能可以使原来在二维图纸上难于表 达和设计的运动变得非常直观和易于修改 并且能够大大简化机构的设计开发过程 缩 短其开发周期 减少开发费用 同时提高产品质量 在 SolidWorks 的 Animator 插件 中 用户可以通过对机构添加运动副 驱动器使其运动起来 以实现技工的运动仿真 此外 完成机构运动仿真后 运用机构中的后处理功能可以查看当前机构的运动 并且可以对 机构进行运动轨迹