典型零件的数字化设计及加工

任务书设计题目：典型零件的数字化设计及加工1设计的主要任务及目标通过本次毕业设计使学生了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序，通过对数字化加工和手工编程数控加工技术的学习，了解并合理应用计算机辅助设计与制造技术（CAD/CAM），探索二者之间的差异，结合一些典型零件，完成零件的工艺设计，通过手工编程数控加工和数字化加工，研究二者之间的相关关系。2设计的基本要求和内容选定并设计由多个典型零件装配组成的机械结构，通过数字化设计及加工和手工编程加工完成各零件的设计及加工并按设计装配进行比较两者差异。设计主要完成以下工作：学习数字化加工和手工编程加工相关加工要求和加工技术；结合一些典型零件，完成相关的加工工艺设计；通过人工加工和数字化加工技术，完成零件的加工；比较二者加工的相同点和差异点；3主要参考文献1孙桓,陈作模.机械原理M.7版.北京：高等教育出版社,20102董昌利,孙传祝，李家鹏.差速器的设计与加工J.职大学报,2006年04期3宁涛,余强.PRO/E机械设计基础教程M.北京：清华大学出版社，20064孙江宏,黄小龙。Proe/engineerwildfire(野火版)数控加工教程M.北京：清华大学出版社，2005.4进度安排设计各阶段名称起止日期1查阅相关的文献资料完成开题报告2014.3.01-2014.3.102完成机构整体设计及其各零部件设计2014.3.10-2014.4.203数字化加工和人工加工各零部件并装配2014.4.20-2014.5.204完成加工方法异同比较2014.5.20-2014.5.255整理毕业设计相关资料,准备毕业答辩2014.5.25-2014.6.10典型零件的数字化设计及加工摘要：随着计算机技术和信息技术的发展，CAD/CAM（计算机辅助设计与制造）技术在全球迅速普及开来。CAD/CAM技术提高了产品设计品质和制造品质、缩短了产品开发周期，降低了产品开发成本的强有力手段，已成为企业赢得市场的制胜法宝。目前，工业发达国家的机械制造企业几乎都使用了CAD/CAM技术，但在我国的企业中普及率较低，特别是在数字化铣削、车削、电火花线切割方面，该技术的应用还有大幅度提升的可能。本设计利用了该技术中应用较广的PRO/E、CAD实现典型零件的数字化设计、数字化加工，并与传统手工编程数控加工比较，从而深入了解该技术。关键词：数字化制造,数字化设计,数字化加工,典型零件DigitaldesignoftypicalpartsandprocessingAbstract:Withthedevelopmentofcomputertechnologyandinformationtechnology,CAD/CAM(computeraideddesignandmanufacturing)technologyarespreadingquicklyallovertheworld.CAD/CAMtechnologytoimprovethequalityofproductdesignandmanufacturingquality,shortentheproductdevelopmentcycle,reducethecostofproductdevelopmentofthepowerfulmeans,hasbecomeawinningstrategyofenterprisewinthemarket.Atpresent,almostallindustrialmachinerymanufacturingenterprisesinthedevelopedcountriesusetheCAD/CAMtechnology,butlowpenetrationintheenterprisesofourcountry,especiallyinthecaseofdigitalmilling,turning,wirecutting,theapplicationofthistechnologyandcouldsignificantlyincrease.ThisdesignuseawideapplicationinthetechnologyofPRO/E、CAD,therealizationofdigitaldesign,digitalprocessingoftypicalparts,andcomparedwiththetraditionalmanualprogrammingNCmachining,soastounderstandthetechnology.Keywords:ComputerAidedDesign/ComputerAidedManufacture,Digitaldesign,Digitalprocessing,Thetypicalparts目录1绪论.11.1研究的意义.11.2数字化设计.11.3手工编程与数字化数控加工.21.4本设计的主要任务.32典型零件的数字化设计.42.1典型零件的分类.42.2典型零件选择和整体结构方案的拟定.42.3基于PRO/E的零件数字化设计.62.3.1壳体数字化设计.72.3.2齿轮数字化设计.82.3.3轴、键的数字化设计.152.3.4固定架及轴承座的数字化设计.172.4零件数字化装配设计及运动仿真.173典型零件的加工.223.1加工平台与加工方案的拟定.223.2壳体的加工.243.3齿轮的加工.293.4轴的加工.313.5固定架的加工.334不同加工方式零件个体及装配的比较.364.1典型零件的比较.364.2典型零件的装配比较.385成果与展望.405.1设计成果.415.2前景与展望.41参考文献.42致谢.43附录零件加工工序卡片.4401绪论1.1研究的意义伴随着信息时代的来临，数字化在我们这个时代已经不是一个陌生的词语，而且在某种意义上也可以认为现在去全球正在进入数字化时代。所谓数字化时代，就是数字化技术在生产、生活、经济、社会、科技、文化、教育和国防等各个领域不断扩大的应用并取得日益显著的效益时代。但是，在不同的行业，数字化的具体含义又有不同，在本文中提到的数字化是指：利用计算机信息技术把声、光、电、磁等信号转换成数字信号，或把语音、文字、图像等信息转变成数字编码，用于传输与处理的过程。数字化具有很多突出的优点，例如：具有传输速度快、容量大、抗干扰能力强、安全性好，便于计算机操作和处理等众多优点。因为它的这些优点，在我们现今的社会中，数字化广泛的应用于工作和生活的各个领域。所谓的数字化技术，是指以计算机硬件、软件、信息存储、通信协议、外部设备和互联网等为技术手段，以信息科学为理论基础的科学技术集合。它包括信息离散化表述、描述、处理、存储、传递、传感、执行、物化、支持、集成和联网等领域。数字化技术作为一种通用信息工程技术，具有分辨率高、表述精度高、可编程处理、处理迅速、信噪比高、传递可靠迅速、便于存储、提取和集成、联网等重大技术优势、这些技术优势给各个领域专业技术的改造、革新提供了暂新的手段。数字化技术的大力应用可以大大提高企业的产品开发能力，缩短产品研制周期，降低开发成本，实现最佳设计目标和企业间的协作，使企业能在短时间内组织全球范围的设计和制造资源开发出新产品，大大提高企业竞争能力。随着计算机技术和信息技术的发展，CAD/CAM技术在全球迅速普及开来。对制造业来说，CAD/CAM是提高产品设计品质和制造品质、缩短产品开发周期，降低产品开发成本的强有力手段，已成为企业赢得市场的制胜法宝。因此，研究CAD/CAM技术应用现状，探讨其发展前景，对加快我国机械行业CAD/CAM技术推广应用步伐，提高我国机械制造业的国际竞争力具有深远意义。1.2数字化设计1数字化设计是以实现新产品设计为目标，以计算机软硬件技术为基础，以数字化信息为辅助手段，支持产品建模、分析、修改、优化以及生成设计文档的相关技术的有机集合.广义的数字化设计技术涵盖以下内容:(1)利用计算机进行产品的概念化设计、几何造型、虚拟装配、工程图生成及设计相关文档。(2)利用计算机进行产品外形、结构、材质、颜色的优选及匹配，以满足顾客的个性化需求，实现最佳的产品设计效果。(3)利用计算机分析产品公差、计算质量特性、计算体积和表面积、分析干涉现象等。(4)利用计算机对产品进行有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学仿真验证等，以实现产品拓扑结构和性能特征的优化。与传统的产品开发相比，数字化设计建立在计算机技术之上。它充分利用了计算机的优点，如强大的信息存储能力、逻辑推理能力、重复工作能力、快速准确的计算能力、高效的信息处理功能等，极大地提高了产品开发的效率和质量。1.3手工编程与数字化数控加工1.3.1手工编程数控加工手工编程就是从分析零件图样、确定加工工艺过程、数值计算、编写零件加工程序单、制作控制介质到程序校验都是人工完成。它要求编程人员不仅要熟悉数控指令及编程规则，而且还要具备数控加工工艺知识和数值计算能力。对于加工形状简单、计算量小、程序段数不多的零件，采用手工编程较容易，而且经济、及时。因此，在点位加工或直线与圆弧组成的轮廓加工中，手工编程仍广泛应用。对于形状复杂的零件，特别是具有非圆曲线、列表曲线及曲面组成的零件，用手工编程就有一定困难，出错的概率增大，有时甚至无法编出程序，必须用自动编程的方法编制程序。手动编程零件加工阶段：（1）工艺处理:即分析图纸、选择零件加工方案、设计零件装夹方式、确定走刀路线等;（2）数学处理:计算刀具运动轨迹的坐标数据;2（3）后置处理:按照数控机床指令格式将计算的走刀路线数据编写成相应的程序段;1.3.2数字化数控加工(1)数字化加工的过程被加工零件采用线架、曲面、实体等几何体来表示，确定加工工艺（装卡、刀具等），CAM系统在零件几何体基础上生成刀具轨迹，经过后处理生成加工代码，将加工代码通过传输介质传给数控机床，数控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。其过程如下所示：零件信息CAD系统造型CAM系统生成加工代码数控机床零件(2)数字化加工过程中的工艺在分析零件图的基础上，进行工艺分析，确定零件的加工方法（如采用的工夹具、装夹定位方法等）、加工路线（如对刀点、换刀点、进给路线）及切削用量（如主轴转速、进给速度和背吃刀量等）等工艺参数。数控加工工艺分析与处理是数控编程的前提和依据，而数控编程就是将数控加工工艺内容程序化。制定数控加工工艺时，要合理地选择加工方案，确定加工顺序、加工路线、装夹方式、刀具及切削参数等；同时还要考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的效能；尽量缩短加工路线，正确地选择对刀点、换刀点，减少换刀次数，并使数值计算方便；合理选取起刀点、切入点和切入方式，保证切入过程平稳；避免刀具与非加工面的干涉，保证加工过程安全可靠等。1.4本设计的主要任务在制定相同加工工艺的前提下,借助基于三维造型软件Pro/E的设计及后置处理自动编程完成典型零件数字化设计及加工,同时不借助软件通过手工编程完成典型零件数控加工。通过加工程序、加工过程、加工效率、加工效果等比较两者之间的差异，最后将两种不同加工方法加工出来的零件按设计要求装配起来，通过装配结构效果进一步比较两者之间的差异，进而得出两者之间的相关关系。设计主要完成以下工作：（1）学习数字化加工和手工编程加工相关加工要求和加工技术；3（2）结合一些典型零件，完成相关的加工工艺设计；（3）通过人工加工和数字化加工技术，完成零件的加工；（4）比较二者加工的相同点和差异点；42典型零件的数字化设计2.1典型零件的分类零件的种类很多，结构形状也千差万别。通常根据结构和用途相似的特点及加工制造方面的特点，将一般零件分为：轴套、轮盘、叉架、箱体等四类典型零件。（1）轴套类零件：轴一般是用于支撑传动零件和传递动力。套一般是装在轴上，起轴向定位、传动或连接等作用。（2）轮盘类零件：轮盘类零件可包括手轮、胶带轮、端盖等。轮一般用来传递动力和扭矩，盘主要起支撑、轴向定位以及密封等作用。（3）叉架类零件：叉架类零件包括拨叉和支架。拨叉主要用在机床、内燃机的操纵机构上，操纵机器、调节速度。支架主要起支撑和连接的作用。2.1.4箱体类零件（4）箱体类零件多为铸造件。一般可起支撑、容纳、定位和密封等作用。2.2典型零件选择和整体结构方案的拟定2.2.1典型零件选择本设计为了更好地体现典型零件数字化设计及加工的特点拟定选取包括各个类型零件类型，并且设计一机械结构是由这些选定零件组成装配的。该结构是由包括轴套类、轮盘类零件、叉架类零件、箱体类在内的几种典型零件组成，对该结构的零件进行数字化设计及加工。2.2.2整体结构方案的拟定通过综合考虑，本设计拟定设计齿轮式差速器（如图2.1所示），该结构包括了轴套类、轮盘类零件、叉架类零件、箱体类在内的几种典型零件，具体零件类型如下：（1）轴套类零件包括：带键槽阶梯轴;（2）轮盘类包括：直齿锥齿轮、直齿圆柱齿轮;（3）箱体类零件包括：壳体;5（4）叉架类零件：轴承座、固定底板;图2.1差速器示意图2.2.3齿轮式差速器的组成及作用齿轮式差速器：一种能使旋转运动自一根轴传至两根轴，并使后者相互间能以不同转速旋转的差动机构。差速器位于后桥内，由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。差速器的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地摩擦,差速器作用如图2.2所示：图2.2差速器作用示意图差速器工作：动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速6减小，外侧轮转速增加。2.3基于PRO/E的零件数字化设计本设计中应用的三维造型软件是PRO/E。Pro/ENGINEER（简称Pro/e）是由美国PTC公司推出的一套博大精深的三维CAD/CAM参数化软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成品的全过程，其中还包含了大量的电缆及管道布线、模具设计与分析等实用模块，应用范围实际航空、汽车、机械、数控（NC）加工、电子等诸多领域。由于Pro/ENGINEER具有强大而完美的功能，因此几乎成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和标准。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。pro/e软件具有以下特点：（1）参数化设计：相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。（2）基于特征建模：Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。（3）单一数据库：Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；7组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。2.3.1壳体数字化设计（1）壳体结构和尺寸的设计齿轮式差速器壳体通常有圆柱体形和长方体形两种。其作用是固定各传动部件。由于实际加工条件有所限制，为了加工方便，设计差速器壳体结构形状为长方体，壳体形状如图2.3所示：a)b)图2.3壳体形状a)圆柱体形壳体b)长方体形壳体由于齿轮式差速器内部装的直齿锥齿轮在现有条件下无法加工，直接进行采购。按照提供的锥齿轮啮合尺寸可以初步制定出壳体尺寸，如图2.4所示：齿轮参数为：m=1.5z=16d=8D1=21D=26K=13H=17h=10E=5M=6S=7B=25根据B=25可以设计出差速器壳体内轮廓尺寸；根据锥齿轮内孔直径d=8选择轴承规格为内径8外径14的轴承；根据锥齿轮中心孔直径可以设计出轴直径为8；8图2.4壳体尺寸设计（2）壳体三维模型建立由于壳体属于简单规则模型，不需要参数化设计。在PRO/E中只需要新建零件，选择草绘，根据之前确定的壳子形状和尺寸完成草绘后使用拉伸命令完成壳体三维模型建立。模型建立如图2.5所示：图2.5壳体三维模型建立2.3.2齿轮数字化设计（1）直齿锥齿轮数字化设计本设计中采用的直齿锥齿轮参数如表2.1所示：表2.1直齿锥齿轮参数参数mzdD1DKHhEMSB值1.51682126131710567259根据这些参数可以画出直齿锥齿轮二维图，如图2.6所示。图2.6直齿锥齿轮设计锥齿轮的建模较为复杂，需要参数化设计。锥齿轮三维造型过程中应用了大量的参数化关系式，锥齿轮建模分析过程如图2.7所示。输入关系式，绘制创建锥齿轮所需要的基本曲线；创建渐开线；创建齿根圆锥；创建第一个轮齿；阵列轮齿；图2.7锥齿轮建模分析过程首先是基本参数和关系式的设置：在主菜单上选择“工具”“参数”，系统弹出“参数”对话框，如图2.8所示：10图2.8参数的设置在参数对话框中，依次输入新参数的名称、值和说明等。需要输入的参数如表2.2所示：表2.2锥齿轮参数输入参数后开始建立参数之间的关系式，在主菜单上依次选择“工具”“关名称值说明名称值说明M1.5模数DELTA-分锥角Z16齿数DELTA-A-顶锥角Z-D45大齿轮齿数DELTA-B-基锥角ALPHA20压力角DELTA-F-根锥角B20齿宽HB-齿基高HAX1齿顶高系数RX-锥距CX0.25顶隙系数THETA-A-齿顶角HA-齿顶高THETA-B-齿基角HF-齿根高THETA-F-齿根角H-全齿高BA-齿顶宽D-分度圆直径BB-齿基宽DB-基圆直径BF-齿根宽DA-齿顶圆直径X0变味系数DF-齿根圆直径11系”，在“关系”对话框内输入齿轮的基本关系系。由这些关系式，系统便会自动生成，完成后的“关系”对话框如图2.9所示：图2.9锥齿轮关系式然后通过参数化关系创建基本曲线：具体过程如图2.10所示：图2.10基本曲线创建接着通过基准点参数化分别创建大端齿轮基本圆（如图2.11所示）和齿轮小端基本圆（如图2.12所示）。式2.1即为直齿锥齿轮齿轮大端圆关系式：D17=d/cos(delta)D18=da/cos(delta)D19=db/cos(delta)12（2.1）D20=df/cos(delta)式2.2即为直齿锥齿轮齿轮小端圆关系式：D27=(df-2*bf*sin(delta_f)/cos(delta)D26=(db-2*bb*sin(delta_b)/cos(delta)D25=(d-2*b*sin(delta)/cos(delta)（2.2）D28=(da-2*ba*sin(delta_a)/cos(delta)图2.11大端齿轮基本圆的创建图2.12小端齿轮基本圆的创建接着使用曲线功能利用方程分别创建齿轮大端和齿轮小端的渐开线。式2.3为齿轮大端曲线方程:r=db/cos(delta)/2theta=t*60x=r*sin(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180（2.3）y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180z=0式2.4齿轮小端曲线方程:13r=db-2*bb*sin(delta_b)/cos(delta)/2theta=t*60x=r*coa(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180（2.4）y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180z=0完成后的齿轮大端和齿轮小端渐近线如图2.13所示：图2.13渐近线通过扫描混合功能创建轮齿，接着通过阵列关系完成锥齿轮的三维造型如图2.14所示，其中式2.5为阵列关系式：d94=360/z（2.5）P97=z-1图2.14轮齿创建和完成后的锥齿轮（2）直齿圆柱齿轮数字化设计本设计中采用的直齿圆柱齿轮参数为：模数m=1齿数=30。渐开线是由一条线段14绕齿轮基圆旋转形成的曲线。渐开线的几何分析如图2.15所示。线段s绕圆弧旋转，其一端点A划过的一条轨迹即为渐开线。图中点（）的坐标为：x1=r*cos(ang),1,yxy1=r*sin(ang)(其中为圆半径，为图示角度)。rang图2.15渐开线几何分析对于Pro/E关系式，系统存在一个变量，图的变化范围是01。从而可以通t过（,）建立（）的坐标，式2.5即为渐开线的方程：1xyyx,ang=t*90s=(PI*r*t)/2x1=r*coa(ang)y1=r*sin(ang)(2.5)x=x1+(s*sin(ang)y=y1-(s*cos(ang)z=0以上为定义在xy平面上的渐开线方程，可通过修改x，y，z的坐标关系来定义在其它面上的方程，在此不再重复。知道了齿轮的渐开线方程后就可以利用pro/e的参数化绘图功能绘制齿轮了首先在pro/e主菜单上单击“工具”“参数”，系统弹出“参数”对话框，在对话框中输入齿轮的参数如图所示：然后在主菜单上依次单击“工具”“关系”，系统弹出“关系”对话框，在“关系”对话框内输入齿轮的分度圆直径关系、基圆直径关系、齿根圆直径关系和齿顶圆直径关系。式2.6为关系式：ha=hax*mhf=(hax+cx)*md=m*zha=d+2*ha(2.6)db=d*cos(alpha)15df=d-2*hf完成后的“参数”“关系”设置后，最后在草绘模式下绘制四个圆尺寸分别等于，然后在使用曲线命令使用上述的渐开线方程创建齿轮渐开线完成后的dbfa,图如图所示，最后通过镜像渐开线生成一个齿廓通过实体阵列功能生成m=1z=30的小齿轮，最后根据齿轮与轴的配合确定键槽尺寸，通过去除材料功能得到齿轮，完成后的直齿圆柱齿轮如图2.16所示：图2.16齿轮三维创建2.3.3轴、键的数字化设计（1）轴的设计本设计中轴的作用是使得直齿圆柱齿轮通过键与壳体连接。轴的结构为带键槽的阶梯轴。键槽端为与齿轮的配合，尺寸由前面设计的锥齿轮尺寸确定。键槽的尺寸根据轴的直径查表可得，另一端与壳体配合，尺寸根据壳体轴承孔确定。在PRO/E中按照设计尺寸使用草绘命令、拉伸命令等完成造型，完成后的轴如图2.17所示：16图2.17轴的设计（2）键的设计键的类型选择：结合实际加工难易程度选择A型圆头平键，如图2.18所示：图2.18键类型选择键尺寸的设计：根据轴径，按照图2.19平键和键槽的标准尺寸规格确定键的尺寸。17图2.19平键和键槽的标准尺寸规格键的三维造型设计：在PRO/E中按照设计尺寸使用草绘命令、拉伸命令完成造型（如图2.20所示）图2.20键的三维造型182.3.4固定架及轴承座的数字化设计该设计中固定架和轴承座的作用是支撑整个差速器结构使其正常运转。固定架尺寸根据壳体尺寸确定，轴承座根据轴承尺寸确定。在PRO/E中按照设计尺寸使用草绘命令、拉伸命令完成造型（如图2.21所示）。图2.21固定架及轴承座的三维造型2.4零件数字化装配设计及运动仿真2.4.1零件数字化装配设计数字化装配技术是在产品零部件三维数字化实体模型的基础上，利用现代计算机技术、信息技术和人工智能技术，借助于虚拟现实等人机交互手段，来规划与仿真产品的实际装配过程。它可以克服传统的装配工艺设计中主要依赖于人的装配经验和知识，以及设计难度大、设计效率低、优化程度低等问题，通过建立一个高逼真度的多模式（包括视觉、听觉、触觉等）交互装配操作仿真环境，装配规划人员根据经验、知识和实际条件在计算机虚拟环境中交互地建立产品零部件的装配序列和空间装配路径，选择工具、卡具和装配操作方法。（1）左右半轴装配设计在PROE中通过约束做装配设计，通过装配发现设计缺陷。本设计中半轴由直齿锥齿轮、销钉、轴套、轴组成。在装配时需要按照装配约束关系两两之间进行装配。装配结果如图2.22所示：19图2.22半轴装配（2）传动部件装配设计传动部件的装配由阶梯轴、键、直齿圆柱齿轮组成。装配过程中两两之间进行约束，装配完成后的传动部件如图2.23所示：图2.23传动部件装配行星齿轮的装配和半轴装配类似，由直齿锥齿轮、销钉、轴套、轴组成。在装配时需要按照装配约束关系两两之间进行设置。装配结果如图2.24所示：图2.24行星齿轮装配（3）底板支撑装配设计底板支撑装配由底板、轴承座、螺栓、螺母组成。在装配时需要按照装配约束20关系两两之间进行设置。装配结果如图2.25所示：图2.25底板支撑装配（4）壳体轴承装配设计壳体轴承装配由壳体和轴承组成。在装配时需要按照装配约束关系两两之间进行设置。装配结果如图2.26所示：图2.26壳体轴承装配将以上几个模块组合在一块之后就可以得到差速器三维装配图。在pro/e中提供了销钉副（）来实现转动副的功能，销钉副需要一条旋转中心线和一个对齐平面来确定。通过约束装配完成后的差速器整体如图2.27所示：21图2.27整体装配设计2.4.2运动仿真在pro/e中进行运动学仿真，来验证差速器有没有运动干涉，有没有过约束。选择“应用程序”中的“机构”进行设置,如图2.28所示：图2.28运动学仿真设置由于该设计中行星齿轮与半轴之间的需要通过齿轮副连接，通过“机构”功能中的，定义齿轮副，通过定义两个齿轮的运动轴、节圆直径完成定义。四个锥齿22轮之间两两进行设置如图2.29所示：图2.29齿轮副设置为了达到动态仿真效果，需要赋予动力来源处一个力，本设计中给直齿圆柱齿轮处赋予“电动机”，进行伺服电动机的设置（如图2.30所示）。图2.30伺服电机设置设置完成后，选择“机构分析”，设置“类型”为运动学，设置时间后，开始运行就可以看到动态仿真。233典型零件的加工3.1加工平台与加工方案的拟定3.1.1加工平台本设计中典型零件的的加工都是在相同的数控机床的平台上完成的，只不过程序的获取是通过两种不同的方式，即：借助三维造型软件自动完成程序和手工编程。在这个过程中设计到加工工艺的问题，为了更好地比较两者都差异采用相同加工工艺。本次设计加工过程中用到的数控机床设计数控钻铣床、数控车床、数控电火花线切割，具体型号如下:(1)数控钻铣床：山东鲁南机床有限公司的XK7132，如图4.1所示：图3.1数控钻铣床(2)数控车床：武汉华中数控股份有限公司的CK6132数控车床，如图4.2所示：24图3.2数控车床（3）数控电火花线切割：:型号HCKX320A，如图3.3所示：图3.3电火花线切割3.1.2加工方案的拟定在加工之前制定用于两种方式的加工工艺。本设计中典型零件的数字化加工是借助三维造型软件PRO/R的制造功能，利用之前建好的三维模型进行包括刀具、装卡等在内的工艺设置，自动加工路径，首先经过加工仿真后通过后期处理生成与所使用机床匹配的NC代码，最后通过传输介质与机床连接完成机床数控自动加工。本设计中典型零件的手工编程数控加工需要根据设计图纸按照编程要求，考虑加工工艺一步一步编写程序，之后通过面板直接输入机床完成数控机床自动加工。在利用PRO/E制造功能自动生成程序时，首先需要设定相应的参数，具体设置方法如下：在主菜单“应用程序”里选择“NC后置处理器”进行CL数据后处理器设置，必须选择合适的选项才能生成正确的NC程序，进入如图3.4所示界面：25图3.4CL数据后处理器设置LIBRARY目录下有5类22种机床：（1）Lathes是车床，有5种，从11-15对应后置处理列表中的UNCL01.P11-UNCL01.P15（2）Mills是铣床，有10种，从11-37对应后置处理列表中的UNCX01.P11-UNCX01.P37（3）WireEDMs是线切割，有2种，41、43对应后置处理列表中的UNCX01.P41和UNCX01.P43（4）Laser是激光设备，有2种，49、50对应后置处理列表中的UNCX01.P49和UNCX01.P50（5）Punches是冲床和打孔机，有3种，47、48、51对应后置处理列表中的UNCX01.P47、UNCX01.P48和UNCX01.P513.2壳体的加工3.2.1壳体的数字化加工在使用PRO/E制造功能时要按照之前提到的方法更改参数，由于壳体的加工采用数控铣床加工，故需要设置所用铣床参数以便后置处理时生成机床对应的G代码。假如壳体内外轮廓程序同时编写时，代码较长容易出错，所以在编写工艺过程中内外轮廓分开加工，代码也分开编写。壳子内轮廓的数字化加工设计过程如下：首先建立数控加工文件并装配（）之前已经完成的壳体三维模型，根据采购材料尺寸创建（）壳体的毛坯模型后，根据之前编写的加工工艺卡片建立合适加工坐标（），选择“步骤”中的“操作”开始设置参数。然后对机床、机床零点、退刀等惊醒设置，选择机床类型为：铣削3轴，选择设置的机床零点，选取退刀曲面和设置公差值，如图3.5所示：26图3.5操作设置设置完成后出现如图3.6所示加工方式选项，壳子的加工选择轮廓铣削方式。图3.6加工方式选择加工方式后对刀具参数进行设置，同时对轮廓铣削的序列参数进行编辑，包括铣削进给、步长深度、安全距离、主轴速率等在内的参数设置，如图3.7所示：图3.7参数设置设置完成参数后选取待加工表面，之后选择CL数据输出，选择里面之前建立的轮廓铣削，在文件中选择MCD、CL文件为后续后置处理生成代码做准备。选择“计算CL”进行刀轨迹模拟仿真，如图3.8所示：27图3.8刀轨迹模拟仿真在后置处理选项中选择“详细”“跟踪”选项，在后置处理列表中选择“UNCX01.P20”，保存生成的文件，完成输出，在保存路径里面找到.TAP文件，需要修改后就可以与所用机床识别。通过后置处理后自动生成程序见附表一，壳体外轮廓的数字化加工以及轴承孔的数字化加工类似于内轮廓加工。部分加工程序为：%0020T1M6S800M3G0X-50.Y5.G50Z0.H1G1Z-2.F100.Y11.X-57.G2X-71.Y25.I0.J14.G1Y73.G2X-57.Y87.I14.J0.G1X-9.G2X5.Y73.I0.J-14.G1Y25.G2X-9.Y11.I-14.J0.G1X-16.Y壳体的手工编程加工手工编程加工对于相对复杂的零件比较困难，此过程中需要根据图纸分析刀补、坐标、代码等。通过工件的图样和技术要求，结合参考文献中的资料进行前期的工艺分析，机床选择、刀具选择，参照工件图纸尺寸的精度与表面粗糙度的要求，设定加工工序，刀具的切削，工件的装夹方案，以及工步划分加工余量的选择。之后28通过图样的尺寸标注来进行工件的程序编写。本设计中手工编程应用的平台完全一样，制定的加工工艺也一样。具体步骤如下：（1）分析图纸，确定需要加工的地方；（2）根据确定的工艺进行数值计算编写加工程序；（3）通过输入面板新建文件输入编写好的代码程序；（4）设置刀库进行程序校验；手工编写的壳体内轮廓程序为：O0010%001G92X0Y0Z0M03S500G01G41D01X29F100#1=0WHILE#1GE36G01Y29Z#1X-29Y-29X29Y0#1=#1-2ENDWG0Z30G01G40X0Y0M30手工编写的壳体外轮廓程序为：O0020%002G92X0Y0Z0M03S500G01G42D01X33F100#1=0WHILE#1GE-36G01Y24Z#1G03X24Y33R9G01X-24G03X-33Y24R9G01X-33Y1729G02X-38Y12R5G01X-49Y12G01Y-12X-38G02X-33Y-17R5G01Y-24G03X-24Y-33R9G01X24G03X33Y-24R9G01Y0#1=#1-2ENDWG0Z30G01G40X0Y0M303.2.3壳体加工过程壳体的数字化加工和手工编写数控加工操作过程相差不多，这里将一起作介绍。（1）零件的装夹：采用压板直接装夹，通过打百分表调整零件位置，完成装夹（如图3.9所示）；（2）对刀设置坐标值：通过X、Y、Z三方向依次对刀找到程序零点；（3）选择程序并校验：装夹之前将要加工零件程序保存到机床内存中，通过机床自带的校验功能看程序语句是否有错误；（4）自动加工:选择自动循环开始加工；30图3.9零件装夹壳体数控铣削加工过程如图3.10所示：图3.10加工过程3.3齿轮的加工本设计中直齿锥齿轮由于实际加工条件不允许，只做数字化设计不做加工。只对直齿圆柱齿轮做加工。本设计中的直齿圆柱齿轮是带有键槽的，采用线切割完成加工。3.3.1齿轮的数字化加工齿轮的数字化加工类似于之前的壳体的数字化加工过程，首先需要更改参数，在WireEDMs里面设置。具体过程参数更改和壳体的类似，这里将不做介绍。在PRO/E中创建制造文件对刀具、进给速度、切削量等进行设置，设置完成参数后选取待加工表面，之后选择CL数据输出，选择里面之前建立的轮廓铣削，在文件中选择MCD、CL文件为后续后置处理生成代码做准备。之后对后置处理器类型选择，自动生成程序，对程序修改后就可以进行加工。数字化加工齿轮的程序为：P2N10G92X0Y031N20G90N30T84N40G41D110N50G01Y11500N60X1500N70Y-8500N80G02X-1500Y8500I-1500J-8500N90G01Y11500N100G01X0N110G40N120T85N130T87N140M023.3.2齿轮的手工编程数控加工这里手工编程不能直接编写G代码输入电火花线切割进行加工，需要在机床自带的画图软件中绘制所需加工零件图，设置路径、引线、进给速度等，设置完成后生成轨迹文件，然后将轨迹文件自动生成G代码就可以开始加工。如图3.11所示：图3.11线切割显示3.3.3齿轮的加工过程齿轮的加工与其他零件的加工是有区别的，钼丝需要穿过零件，自动完成找正中心。在装夹过程中用压板直接加原料固定在工作台面上，具体加工过程如图3.12所示：32图3.12齿轮加工过程3.4轴的加工3.4.1轴的数字化加工首先对软件进行后置处理器参数设置，更改为车床参数。在制造文件中对刀具、切削进给等进行设置，如图3.13所示：图3.13参数设置33然后对加工区域进行设置，然后进行加工过程刀轨迹仿真，最后后置处理生成G代码。3.4.2轴的手工编程加工手工编程加工过程中需要根据图纸分析刀补、坐标、代码等。通过轴的图样和技术要求，结合前期的工艺分析，机床选择、刀具选择，参照工件图纸尺寸的精度与表面粗糙度的要求，设定加工工序，刀具的切削，工件的装夹方案，以及工步划分加工余量的选择。之后通过图样的尺寸标注来进行工件的程序编写。手工编程程序如下：O0010%0010G50X150Z100T0101M03S400F0.1G00X32.0Z1.5G01X-0.2Z2.5G00X62.0Z2.5Z0.0G01X-0.2Z1.5G00Z20.0T0100M05G28U0.0G28W0.03.4.3轴的加工过程轴的数字化加工和手工编写数控加工操作过程相差不多，这里将一起作介绍，加工过程如图3.14所示：（1）零件的装夹：采用三抓卡盘直接装夹，完成装夹；（2）对刀设置坐标值：通过X、Z三方向依次对刀找到程序零点；（3）选择程序并校验：装夹之前将要加工零件程序保存到机床内存中，通过机床自带的校验功能看程序语句是否有错误；（4）自动加工:选择自动循环开始加工；34图3.14轴的加工3.5固定架的加工本设计中固定架的数字化加工和手工编程在同一毛坯上进行数控加工，目的是为了更形象对两者进行比较。3.5.1固定架的数字化加工固定架的数字化加工过程类似于壳体的数字化加工，采取轮廓加工方式进行数字化加工。首先建立数控加工文件并装配（）之前已经完成的固定架三维模型，根据毛坯尺寸创建（）壳体的毛坯模型后，根据之前编写的加工工艺卡片建立合适加工坐标（），选择“步骤”中的“操作”开始设置参数。首先对机床、机床零点、退刀等进行设置，选择机床类型为：铣削3轴，选择设置的机床零点，选取退刀曲面和设置公差值，设置完成后壳子的加工选择轮廓铣削方式，然后对刀具参数进行设置，同时对轮廓铣削的序列参数进行编辑，包括铣削进给、步长深度、安全距离等在内的参数设置，设置完成参数后选取待加工表面，之后选择CL数据输出，选择里面之前建立的轮廓铣削，在文件中选择MCD、CL文件为后续后置处理生成代码做准备。选择“计算CL”进行刀轨迹模拟仿真（如图3.15所示）。在后置处理选项中选择“详细”“跟踪”选项，在后置处理列表中选择“UNCX01.P20”，保存生成的文件，完成输出，在保存路径里面找到.TAP文件，需要修改后就可以与所用机床识别，程序见附录一。35图3.15刀轨迹仿真3.5.2固定架的手工编程加工手工编程加工过程中需要根据图纸分析刀补、坐标、代码等。通过固定架的图样和技术要求，结合前期的工艺分析，机床选择、刀具选择，参照工件图纸尺寸的精度与表面粗糙度的要求，设定加工工序，刀具的切削，工件的装夹方案，以及工步划分加工余量的选择。之后通过图样的尺寸标注来进行工件的程序编写。固定架手工编程程序：%001G92X0Y0Z0;M03S500;G01G41D01X38F100#1=0WHILE#1GE-6G01Y52.5Z#1X-38Y-14.5X-25Y-50.5X25Y-14.5X38Y0#1=#1-1ENDWG0Z30G01G40X0Y0M30363.5.3固定架的加工过程固定架的数字化加工和手工编写数控加工操作过程相差不多，这里将一起作介绍，加工过程如图3.16所示：（1）零件的装夹：采用压板直接装夹，通过打百分表调整零件位置，完成装夹，如图4.15所示；（2）对刀设置坐标值：通过X、Y、Z三方向依次对刀找到程序零点；（3）选择程序并校验：装夹之前将要加工零件程序保存到机床内存中，通过机床自带的校验功能看程序语句是否有错误；（4）自动加工:选择自动循环开始加工；图3.16固定架的加工374不同加工方式零件个体及装配的比较采用数字化加工和手工编程加工出来的零件之间进行对比，从加工效率、加工过程、加工效果、加工程序等方面进行比较。4.1典型零件的比较(1)加工效率比较：本设计中典型零件都相对复杂，通过对几个所加工典型零件数字化加工过程与手工编程加工过程时间统计并比较，发现数字化加工效率明显较高。同时在加工过程中发现数字化加工路径优化明显。表4.1不同方式加工