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文档简介
沈阳理工大学学士学位论文摘 要90年代以来,数控加工技术得到迅速的普及及发展,高速加工中心作为新时代数控机床的代表,已在机床领域广泛使用。自动换刀刀库的发展俨然已超越其为数控加工中心配套的角色,在其特有的技术领域中发展出符合机床高精度、高效率、高可靠度及多任务复合等概念的独特产品。刀库作为加工中心最重要的部分之一,它的发展也直接决定了加工中心的发展。本论文完成的是盘式刀库的总体设计、传动设计、结构设计,在确定了整体设计方案后,运用UG对整个盘式刀库进行了实体建模和运动仿真分析。分析结果显示,整个系统无干涉,且整体运行平稳。运用 ANSYS 对系统的关键部件进行了受力和变形分析。结果显示:系统关键部件设计合理,变形量在设计范围之内。这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛,其换刀过程简单,换刀时间短,定位精度高;总体结构简单、紧凑,动作准确可靠;维护方便,成本低。本刀库传动部分分两级减速,一级传动部分采用直齿轮减速装置,二级传动部分采用蜗轮蜗杆减速装置,此种设计方案可提高输出轴的传动平稳性能,即提高刀盘的运转平稳性。本刀库满载装刀24把,采用单环排列方式排放。关键词:加工中心;刀库;数控加工AbstractSince the 1990s, CNC machining technology has been rapidly gaining popularity and development. As a new era of high-speed machining center CNC machine tools represent, have been widely used in the field of machine tools. Automatic tool changer magazine seems to have gone beyond the development of CNC machining centers supporting its role in the field of its unique technology developed to meet the machine precision, high efficiency, high reliability and multi-task complex concepts such unique products. Magazine as a processing center one of the most important parts, and its development is also directly determines the machining center.In this thesis, completed the disc magazines overall design, transmission design, structural design, in determining the overall design, the use of UG to the entire disc magazine conducted a physical modeling and motion simulation analysis. The results showed that the system without interference and the overall smooth operation. Using ANSYS on the system key components of stress and deformation analysis. The results showed that: the system key component design is reasonable, the amount of deformation in the design range. This magazine in CNC machining center is widely used, its tool change process is simple, tool change time is short, high positioning accuracy; overall structure is simple, compact, accurate and reliable; easy maintenance, and low cost. The magazine drive part of two deceleration, a transmission part adopts straight gear reduction, two transmission part adopts worm gear unit, such a design can improve the output shaft of the transmission smooth performance, that is, raising the cutter smooth operation sex. The magazine full loaded knife 24, the use of single-ring arrangement emissions.Keywords: machining centers; magazine; CNC machining目录摘 要IAbstractII1绪 论11.1数控机床的发展11.2数控铣床的发展21.3刀库的发展41.4数字化设计的发展52 盘式刀库设计72.1 驱动机构设计72.1.1 伺服电机选择82.1.2 变速机构设计102.2刀盘机构设计152.3提升机构设计163 UG的数字化设计193.1 UG实体建模、装配及运动仿真193.1.1 UG简介193.1.2 UG的主要模块功能203.2 UG实体建模213.3 UG零件装配243.3.1 UG的装配特点243.3.2 零件装配263.3.3 运动分析294有限元分析324.1有限元分析简介324.2 ANSYS12.0简介344.2.1 网格变形和优化344.2.2 流固耦合354.2.3 涡轮系统一体化解决方案354.2.4 线性和非线性动力学364.2.5 显示动力学364.3 盘式刀库有限元分析374.3.1 蜗杆机构有限元分析374.3.2 蜗轮机构有限元分析425 结论47致 谢48参考文献49附 录A50附 录B57IV1 绪论1.1 数控机床的发展20世纪中期,随着电子技术的发展,自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现,给自动化技术带来了新的概念,用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制,推动了机床自动化的发展,于是便产生了数控机床这个新兴的加工设备。CNC(数控机床)是计算机数字控制机床(Computernumbercontrol)的简称,是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,并将其译码,从而使机床动作并加工零件。1952年,麻省理工学院在一台立式铣床上,装上了一套试验性的数控系统,成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。这台机床是一台试验性机床,到了1954年11月,在派尔逊斯专利的基础上,第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司(Bendix-Cooperation)正式生产出来。在此以后,从1960年开始,其他一些工业国家,如德国、日本都陆续开发、生产及使用了数控机床。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%和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,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。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问的差距。目前我们国家内承认的大致是四种体系:德国VDI标准、日本JIS标准、国际标准ISO标准、国标GB,国标和国际标准差不多。看一台机床水平的高低,要看它的重复定位精度,一台机床的重复定位精度如果能达到0.005mm(ISO标准.、统计法),就是一台高精度机床,在0.005mm(ISO标准.、统计法)以下,就是超高精度机床,高精度的机床,要有最好的轴承、丝杠。加工出高精度零件,不只要求机床精度高,还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀具。目前世界著名机床厂商纷纷在我国的投资建立机床生产线。2000年,世界最大的专业机床制造商马扎克(MAZAK)在宁夏银川投资建了名为“宁夏小巨人机床公司”的机床公司,生产数控车床、立式加工中心和车铣复合中心。机床质量不错,目前效益良好,年产600台,目前正在建2期工程,建成后可以年产1200台。2003年,德国著名的机床制造商德马吉在上海投资建厂,目前年组装生产数控车床和立式加工中心120台左右。2002年,日本著名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂,年生产能力为1000台,生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心。韩国大宇在山东青岛投资建厂,目前生产能力不知。台湾省的著名机床制造商友嘉在浙江萧山投资建厂,年生产能力800台。民营机床企业也在快速发展。浙江日发公司,2000年投产,生产数控车床、加工中心。年生产能力300台。2004年,浙江宁波著名的铸塑机厂商海天公司投资生产机床,主要是从日本引进技术,目前刚开始,起点比较高。2002年,西安北村投产,名字象日本的,其实老板是中国人,采用日本技术。生产小型仪表数控车床,水平相当不错。我国正在由机床大国向机床强国迈进。为了满足我国市场对经济型产品的需求,西门子自动化与驱动集团运动控制部在第八届中国国际机床展览会上,展出了以“西门子推进生产力的动力”为主题的基础数控产品、高端数控产品、车间应用软件及完整的IT解决方案等。在此次展会中特别推出SINUMERIK802Se/Ce,它是专门针对中国数控机床市场而开发的新一代经济型CNC控制系统。同台展出的还有SINUMERIK802D数控系统,及高端数控产品,其中主要为SINUMERIK810D及840D控制系统。西门子自动化与驱动集团运动控制部在数控系统方面,此前主要从事高端控制系统的研发,为更贴近中国市场的需求,西门子数控也逐渐开始关注中低端产品的研发与市场,并与中国北方工业集团公司/中国东方数控公司合资建立西门子数控(南京)有限公司(SNC),从事本地化的研发与生产。如今该公司已实现了产品生产和开发的本地化,为国内的中小企业及多元化的市场提供经济型数控产品,同时也将其优质产品出口国际市场。世界经济形势将有所好转,对全球总的设备生产和需求将有所增加。据美国、日本、欧盟三大主要经济体的近期经济报告分析,美国的经济回升从2006年将转为高速增长的态势,增长达到3-5%;而日本也渡过了疲软区,进入恢复期,多年来不断呈现正增长,为2-3%;欧盟也将有3%左右的增长。国内需求将不会减弱。从2006年市场发展的几个要素来看,这些要素在2007年将不会减弱。在各个主要市场看,轿车、重型汽车等重要车型的销售量从东向西逐步扩展,轿车个人购买已成为主流,其次是军工等需求也不会减缓,在航空、兵器等领域,2007年的改造将继续增加,设备需求将进一步深化和扩大,民营企业将进一步渗透到制造业和轻工业,其技术水平和加工能力的提高依赖于其装备的改善。因此,机床在世界的需求只会有增无减,并且高性能高精度高自动化的机床需求会更大。1.2 数控铣床的发展在国际,德国、美国、日本等几个国家基本掌控了中高档数控系统。国外的主要数控系统制造商有西门子(Siemens)、发那克(FANUC)、三菱电机(Mitsubishi Electric)、海德汉(HEIDENHAIN)、博世力士乐(Bosch Rexroth)、日本大隈(Okuma)等。纳米插补将产生的以纳米为单位的指令提供给数字伺服控制器,使数字伺服控制器的位置指令更加平滑,从而提高了加工表面的平滑性。将“纳米插补”应用于所有插补之后,可实现纳米级别的高质量加工。在两年一届的美国芝加哥国际制造技术(机床)展览会(IMTS 2010)上,发那克就展出了30i/31i/32i/35i-MODEL B数控系统。除了伺服控制外,“纳米插补”也可以用于Cs轴轮廓控制;刚性攻螺纹等主轴功能。西门子展出的828D所独有的80bit浮点计算精度,可使插补达到很高的轮廓控制精度,从而获得很好的工件精度。此外,三菱公司的M700V系列的数控系统也可实现纳米级插补。未来机床的功能不仅局限于简单的加工,而且还具有一定自主完成复杂任务的能力。机器人作为数控系统的一个重要应用领域,其技术和产品近年来得到快速发展。机器人的应用领域,不仅仅局限于传统的搬运、堆垛、喷漆、焊接等岗位,而且延伸到了机床上下料、换刀、切削加工、测量、抛光及装配领域,从传统的减轻劳动强度的繁重工种,发展到IC封装、视觉跟踪及颜色分检等领域,大大提高了数控机床的工作效率。典型的产品有德国的KUKA,FANUC公司的M-1iA、M-2000iA、M-710ic。随着领域中人工智能的不断渗透和发展,数控系统的智能化程度也得到不断提高。应用自适应控制技术数控系统能够检测到过程中的一些重要信息,并自动调整系统中的相关参数,改进系统的运行状态;车间内的加工监测与可实时获取数控机床本身的状态信息,分析相关数据,预测机床状态,使相关维护提前,避免事故发生,保证其不稳定工况下生产的安全,减少机床故障率,提高机床利用率。应用先进的伺服控制技术,伺服系统能通过自动识别由切削力导致的振动,产生反向的作用力,消除振动。应用主轴振动控制技术,在主轴嵌入位移传感器,机床可以自动识别当前的切削状态,一旦切削不稳定,机床会自动调整切削参数,保证加工的稳定性。随着国际学术及产业界对开放式数控系统研究的日益推进,我国的相关研究也越来越受到重视。经过几十年的发展,我国机床行业也形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系,国产数控系统产业发展迅速,在质与量上都取得了飞跃。 国内数控系统基本占领了低端数控系统市场,在中高档数控系统的研发和应用上也取得了一定的成绩。其中,武汉华中数控股份有限公司、北京机电院高技术股份有限公司、北京航天数控系统有限公司和上海电气(集团)总公司等已成功开发了五轴联动的数控系统,分别应用于数控加工中心、数控龙门铣床和数控铣床。近期,武汉重型机床集团有限公司应用华中数控系统,成功开发了CKX5680数控七轴五联动车铣复合加工机床。国内主要数控系统生产基地有华中数控、航天数控、广州数控和上海开通数控等。 国内的数字化交流伺服驱动系统产品也有了很大的发展,已能满足一般的应用,并能与进口产品竞争,占领了国内的大部分市场。伺服系统和伺服电机生产基地主要有兰州电机厂、华中数控、广州数控、航天数控和开通数控等。 然而,由于我国原有数控系统的封闭性及数控软硬件研究开发的基础较差,技术积累较少,研发队伍的实力较弱,研发的投入力度不够,国产中高档数控系统在性能、功能和可靠性方面与国外相比仍有较大的差距,限制了数控系统的发展。为此需要政府、科研院所和制造商共同努力,推进我国中高档数控系统的发展。1.3 刀库发展 从换刀系统发展的历史来看,1956 年日本富士通研究成功数控转塔式冲床,美国 IBM 公司同期也研制成功了“APT”(刀具过程控制装置)。1958 年美国 K&T公司研制出带 ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967 年出现了 FMS(柔性制造系统)。1978 年以后,加工中心迅速发展,带有 ATC 装置,可实现多种工序加工的机床,步入了机床发展的黄金时代。1983 年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准,自动换刀系统便形成了统一的结构模式。目前国内外数控机床自动换刀系统中,刀具、辅具多采用锥柄结构,刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中,机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式,由液压或气动装置提供动力,实现夹紧放松刀柄的动作。利用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是,它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度,而且主轴结构复杂,主轴轴向尺寸过大,加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄的制造成本,使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较大的比重。据有关数据介绍,在刀具采用锥柄夹头、侧压夹头以及弹簧夹头夹紧性能的对比实验中,采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可同时获得高的夹持刚度和振摆精度的理想组件。采用这种夹持组件,刀具或刀具辅具可做成圆柱柄,其制造成本低,精度易保证,这对大容量刀库降低刀具辅具的制造成本,意义更为显著。在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持组件,但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。采用这种结构模式,在实际数控加工中,尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的,如果实施自动换刀那将使机床成本大幅度提高。如在 CNC 控制磨削球面铣刀的数控磨削机床上,直接由高速电机驱动主轴,使用小直径盘形砂轮和指形砂轮加工球面铣刀,换刀空间很小,在这种条件下,将难以实现自动换刀。国外最新研制的内圆磨床上采用的弹簧夹头自动换刀装置售价昂贵。1.4 数字化设计发展在科学技术飞速发展及国际化市场竞争愈演愈烈的今天,人们的生活品位与审美意识逐渐提升,使得新产品更新换代加速。产品生产企业必须不断推出创新的产品,以更短的新产品上市时间,更优的产品质量,更低的产品成本,更好的服务和满足环保要求的六要素去赢得用户和更大的市场份额.在这样的背景下,传统的产品设计方法、制造体系已不能满足瞬息万变的市场需求,各种新的产品设计方法和开发技术应运而生,以信息技术为核心的数字化设计技术在产品创新设计开发中得到了大量的应用,引起了产品设计方法、支持技术和开发流程及设计管理的巨大变革。同时,促使今天的产品设计师在数字化浪潮的冲击下改变着工作、设计和思维的方式。数字化设计是指利用计算机软硬件及网络环境,实现产品开发过程的一种技术,即在网络和计算机辅助下通过产品数据模型,全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。数字化设计与制造不仅贯穿企业生产的全过程,而且涉及企业的设备布置、物流物料、生产计划、成本分析等多个方面。数字化设计与制造技术的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,使企业能在最短时间内组织全球范围的设计制造资源开发出新产品,大大提高企业的竞争能力。数字化设计与制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术,包括三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计与制造、多媒体和网络通讯等,是一项多学科的综合技术。其核心技术主要有:(1)计算机辅助设计 CAD 技术(Computer Aided Design) 计算机辅助设计CAD 作为信息化、数字化的源头,它包含的内容很多,如概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图等,主要完成产品的总体设计、部件设计和零件设计,包括产品的三维造型和二维产品图绘制。CAD 的支撑技术是曲面造型、实体造型、参数化设计、特征技术和变量参数技术。(2)计算机辅助制造 CAM 技术( Computer Aided Manufacturing) 计算机辅助制造 CAM 是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动, 完成复杂零件的数控加工包括工艺过程设计、工装设计、NC 自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。CAM 的支撑技术是数控编程、刀具轨迹生成、数控加工仿真技术。(3)计算机辅助工程 CAE 技术(Computer Aided Engineering) CAE 主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析,对其未来的工作状态和运行行为进行模拟,及早发现设计缺陷,并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。(4)计算机辅助工艺设计 CAPP 技术(Computer Aided Process Planning)CAPP 是通过向计算机输入被加工零件的几何信息(图形)和工艺信息(材料、热处理、批量等),由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。CAPP 从根本上改变了依赖于个人经验,人工编制工艺规程的落后面貌,促进了工艺过程标准化和最优化,提高了工艺设计质量。它使工艺人员从繁琐重复的计算编写工作中解放出来,极大地提高了工作效率。CAPP 的支撑技术是信息建模技术、工艺设计自动化和产品数据交换标准。(5)逆向工程技术(Reverse Engineering) RE 也称反求工程、反向工程、逆向工程。是在没有产品原始图纸、文档的情况下,对现有三维实物(样品或模型),利用三维数字化测量设备准确、快速测得轮廓的几何数据,并加以建构、编辑、修改生成通用输出格式的曲面数字化模型,从而生成三维 CAD 实体数模、数控加工程序或快速成型制造所需的模型截面轮廓数据的技术。逆向工程为赢得市场节省了大量宝贵的时间,并且有效规避了风险,可应用于航空、汽车、通讯、电子、轻工、建筑、教育、医学、科研等领域的新产品开发。2 盘式刀库设计2.1 驱动机构设计整体模型如下图所示:图2-1 刀库整体示意图2.1.1 伺服电机选择 根据经验和现有其他形式刀库参数给定情况,并充分考虑实际情况的影响,尤其是转动惯量转动速度之间的关系,给定转速范围在每分钟 416 转之间。我们设定刀盘转速为15转/分钟。以下计算按此转速进行,实际使用时可根据具体情况适当调整。(1) 确定电动机转速根据传动比合理取值,取一级齿轮的传动比i2.78,二级涡轮蜗杆减速器传动比i35,则总传动比合理范围为i97,故电动机转速约为 n= in=97=1455 (2-1)故选取转速为1500的电机。初选SM130-100-15LFB伺服电机,其规格参数如下:(2)各轴转速 (2-2)式中:电动机满载转速;电动机至轴的传动比。以及 = (2-3) (2-4)由式(2-3)(2-5)得I轴 =1500 II轴 = = 540 III轴 = = 15.4 (3)各轴输入功率 (2-5) kW , (2-6) kW, (2-7)式中、分别为轴承、齿轮传动的传动效率。由式(5)(7)得I轴 = 1.5kWII轴 = = 1.50.980.97 =1.4259kW III轴 1.4259 1.3555 kWII、III轴的输出功率则分别为输入功率乘轴承效率0.98, 分别为1.3974kW和1.3284kW,I轴为电机轴,输出功率为1.5kW。(4)各轴输入转矩9550Nm (2-8)其中为电动机的输出转矩,按下式计算: 9550 Nm (2-9)所以 = 9550=9.55Nm (2-10) 9550=25.2173Nm (2-11) 9550Nm (2-12)II、III轴的输出转矩则分别为输入转矩乘轴承效率0.98, 分别为24.7130 Nm和823.7743 Nm,I轴为电机轴,输出转矩为9.55 Nm。运动和动力参数计算结果如下表2-2: 表2-2轴名转矩TNm功率PkW转速n传动比i效率输入输出输入输出I轴9.559.551.51.515002.780.93II轴25.217324.71301.42591.3974540350.95III轴840.5860823.77431.35551.328415.4(5)校核电动机转矩校核加载在刀盘转轴上的重力为刀库旋转刀架的重力,其中刀盘厚度为40mm,直径为430mm,刀具平均重量5kg,共有24把刀。G=5.60.0410+24510=1525N 则可得刀库作用在轴III上的转矩T/3 =Gd3=15250.025=38.1 Nm可得T/3 n,故此电动机的转速也满足刀库的转速要求。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、转矩、转速等各方面,可见此电动机比较合适。因此选定电动机型号为SM130-100-15LFB。2.1.2 变速机构设计(1)齿轮变速机构齿轮传动平稳,传动比精确,工作可靠、效率高、寿命长,使用的功率、速度和尺寸范围大。由于电机转速较高,在这里,我选用直齿轮变速机构作为第一级变速,设计传动比为2.78。齿轮1模数m=2,齿数Z=18,d=36,=20度,齿轮厚度B=20mm;齿轮2模数m=2,齿数Z=50,d=100,=20度,齿轮厚度B=20mm。 图2-2 齿轮变速机构(2)蜗轮蜗杆变速机构蜗轮蜗杆传动是用来传递运动和动力的传动机构,在工业生产领域中有很普遍的应用。蜗轮蜗杆是两个交错轴之间的传动,在中间平面内的状态相当于齿轮和齿条,而蜗杆的构造和形状与螺杆相类似。蜗轮蜗杆传动作为诸多传动方式的一种,有着自身独特的优点,从而开拓了广泛的使用空间,涡轮蜗杆传动有很大的传动比和轴向力,比交错轴斜齿轮的结构更为紧凑,更适用于两轴交错传动的状态。涡轮蜗杆传动的两轮啮合齿面间为线接触,能获得比交错轴斜齿轮机构更好的啮合效果,传动比和承载能力也更高。蜗轮蜗杆传动是异种螺旋式传动,传动中主要形式为齿啮合传动,因此传动更为平稳、振动小、噪音低,适合需要稳固状态的机械使用。蜗轮蜗杆传动机构比其他传动机构突出的优点在于其自锁功能,蜗轮蜗杆机构的蜗杆导程角小于啮合轮齿间当量摩擦角时,蜗轮蜗杆传动机构就会反向自锁,这时只能是蜗杆带动蜗轮,而蜗轮无法带动蜗杆,即可实现对机械的安全保护。 因此,我选用蜗轮蜗杆变速机构作为第二级变速,设计蜗轮蜗杆中心距D=54mm,蜗轮分度圆直径d=70mm,模数m=2,齿数Z=35,右旋;蜗杆分度圆直径d=38mm,模数m=2,蜗杆头数取1。蜗轮蜗杆压力角=20度。蜗轮蜗杆模型如下图所示: 图2-3 蜗轮蜗杆变速机构其中,蜗杆轴上,共有3个轴承,分别为一对起主要支撑作用的轴承1与轴承2,以及起副支撑作用的轴承3,对蜗杆轴装配完成后如下图所示:图2-4 蜗杆轴装配图由于蜗杆传动会产生轴向力,因此轴承1与轴承2选用圆锥滚子轴承,轴承型号为GB/T 297-1994,代号30206,d=30mm,D=62mm,C=14mm,基本额定载荷 =41.2kN,面对面安装,轴承内圈间隙通过蜗杆轴上的轴套来调整,轴承外圈间隙通过端盖来调整。 图2-5 圆锥滚子轴承 图2-6 轴套轴承3为辅助支撑,选用深沟球轴承,轴承型号为GB/T276-1994,代号6204,d=20mm,D=47mm,B=14mm,基本额定载荷=9.88kN。图2-7 深沟球轴承蜗轮轴装配如下图所示:图2-8 蜗轮轴装配图蜗轮通过键与轴连接,该轴上共有2个轴承,皆为圆锥滚子轴承,轴承型号GB/T 297-1994,代号30205,d=25mm,D=52mm,C=13mm,=32.2kN,面对面安装,轴承内圈间隙通过蜗轮轴上的轴套来调整,轴承外圈间隙通过端盖来调整。(3)轴承校核蜗轮蜗杆传动,将产生很大的轴向力,对轴承的要求很高,需要选用既能承受轴向力又能承受径向力的轴承,因此选用圆锥滚子轴承。图2-9 蜗轮蜗杆传动受力分析蜗轮轴上产生的轴向力:蜗杆轴上产生的轴向力:经计算,蜗轮轴上轴承动载荷 蜗杆轴上轴承动载荷因此、轴承可以承受蜗轮蜗杆所产生的轴向力,轴承符合要求。2.2刀盘机构设计首先我们要对刀库进行一次系统的定义。刀库是储存加工工序所需的各种刀具的机构,可以按程序指令,把即将使用的刀具迅速、准确地送到换刀位置,并接受计算机指令将使用过的刀具复位。因此,刀库不单单是储存刀具的单一机构,而是能够按程序运作的一个精确机构。常见刀库形式可分为三种:圆盘式刀库,链条式刀库以及斗笠式刀库,具体对比见表:斗笠式刀库圆盘式刀库链条式刀库刀库容量1624203020120换刀方式直接与主轴配合,不通过机械手与机械手配合与机械手配合表2-1 刀库分类对比表对于每种刀库,它们各自的结构也不同,这里主要介绍设计中所选择的圆盘式刀库结构。盘式刀库的结构形式比较简单,在设计制造上对工艺要求不是特别高。并且盘式刀库由蜗轮蜗杆传动,传动平稳,在换刀过程中容易实现准确的定位控制。但是盘式刀库的容量有限,如果要扩大刀库容量就势必要造成刀库结构形式的加大。 这里,我设计的是一种刀库容量为24的刀盘。刀盘直径430mm,厚度为20mm,刀盘与轴通过花键连接。图2-10 刀盘二维图图2-11 刀盘花键槽在刀盘正面安装有分度盘,共有24个分度,分别对应24把刀,分度盘直径430mm,厚度20mm,通过4个螺钉固定在刀盘上。同时也起端盖作用。 图2-12分度盘二维图 图2-13 分度盘三维图2.3 提升机构设计在换刀前,安装刀具的刀夹为水平放置,如下图所示:图2-14 水平放置的刀夹当需要换刀时,提升机构将把刀夹拉成竖直放置,这时,换刀机械手才能换取刀具。图2-15 提升机构 图2-16 刀夹被拉起当刀夹竖直放置的时候,气缸产生的拉力最大,设刀具质量为m,此时活塞杆产生的拉力为F=mg,设活塞直径为D,活塞杆直径为d,气缸压强为P,则气缸受力如图所示:图2-17 气缸受力图P(A1-A2)=mgA1=A2=则气缸活塞与活塞杆直径之间需满足d=3 UG的数字化设计3.1 UG 实体建模、装配及运动仿真3.1.1 UG 简介Unigraphics(简称 UG)是 EDS 公司推出的集 CAD/CAE/CAM 于一体的三维参数化软件,是当今时间最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件之一。它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。自从 1990 年进入中国市场,并很快以其先进的理论基础、强大的工程背景、完善的功能和专业化的技术服务赢得了广大 CAD/CAM 用户的好评,并已广泛应用与航空、航天、汽车、钣金、模具等领域。UG 软件的主要特点是:提供了一个基于过程的虚拟产品开发设计坏境,使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成,从而优化了企业的产品设计与制造;实现了知识驱动型自动化和利用知识库进行建模,同时能自上而下进行设计已确定子系统和接口,实现完整的系统库建模。UG 软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能,而且在设计工程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟,提高了设计得可靠性。同时,可用建立的三维模型直接生成数控代码用于产品的加工,其后处理程序支持多种类型的数控机床。另外,它所提供的二次开发语言 UG/Open GRIP、UG/Open API 简单易学,实现功能多,便于用户开发专用的 CAD 系统。具体来说,该软件具有以下特点:(1) 集成的产品开发环境;(2) 产品设计相关性与并行协作;(3) 基于知识的工程管理;(4) 设计的客户化;(5) 采用复杂的复合建模技术,可将各种建模技术融为一体;(6) 用基于特征的参数驱动建模和编辑方法作为实体造型基础;(7) 便捷的复杂曲面设计能力;(8) 强大的工程图功能,增强了绘制工程图的实用性;(9) 提供了丰富的二次开发工具。3.1.2 UG 的主要模块功能1 基本环境 是所有其他应用模块的基础平台,打开 UG 是自动运行,是进入 UG 集成环境的第一个模块。用于打开已存的部件文件,建立新的部件文件,改变显示部件,分析部件,调用在线帮助和文档,输出图纸和执行外部程序等。2 造型模块 提供概念设计阶段的创造性和唯一性的设计环境,形成灵活和更易于实现的环境。高级的设计工具可以位设计人员自由的表达设计意图和改进设计提供一个集成环境。3 装配模块 装配模块主要用于产品的虚拟装配。该模块支持“自顶向下”和“自底向上”的装配建模方法,可以快速跨越装配层并直接访问任何子配件的设计模型;支持装配过程中的“上下文设计”方法,从而在装配模块中可以改变组件的设计模型。4 建模模块 用于产品零件的三维实体特征建模,也是制图、数控加工、装配、产品分析、照片等其他模块的工作基础。该模块支持实体建模、特征建模、自由形状建模、钣金特征建模和用户自定义建模等子模块。5 制图模块 包含完成平面工程制图所需的所有功能。即可以从已经建立的三维实体特征模型自动生成平面工程图,也可以手动绘制平面工程图。可利用剖视图、方位视图、局部放大视图以及其他视图来穿件所需图纸中的各个视图,还有可实现自动绘制剖面线、半自动标注、自动建立产品装配配件明细表等功能。6 数控加工模块 用于数控加工模拟以及自动编程,可完成数控车削加工的全过程;支持线切割等加工操作;可根据加工机床控制器的不同自行定制后台处理程序,使生成的指令可以直接应用于用户特定的机床。7 产品分析模块 包括结构分析模块、运动分析模块、注塑模分析等模块结构分析模块可以对模型建立有限元模型,可对产品受热受力后的变形进行分析,并且可对分析后的结果进行处理。运动分析模块可以对简化的产品模型进行运动分析,可以进行结构连接设计和机构综合,完成机构的运动分析,提供高级、灵活和全面的建模能力。注塑模分析模块主要应用于注塑模中对融化的塑料进行流动分析,可以确定最适宜的条件,并以表格或图形的方式表达出来,还可以计算出注塑过程中所需要的材料。8 钣金模块 可以设计钣金件的真实形状用以建立钣金件模型,可以利用编程技术和后处理命令建立用于数控加工的刀轨源文件,可以使用冲压、切割和打磨等多种加工方法。UG集成开发环境还有其他如点至数据表、照片、Web 等应用模块。在本文中,主要运用了UG的建模模块、装配模块和运动仿真模块。3.2 UG 实体建模 UG 实体建模通过拉伸、旋转、沿导线扫描等建模特征,并铺之以布尔运算,将基于约束的特征造型和现实的直接集合造型功能无缝的集合为一体。提供了用于快速有效地进行概念设计的变量化草图工具、尺寸编辑和用于一般建模和编辑的工具,使用户可以进行参数化建模,又可以方便的用非参数化方法生成二维、三维线框模型。拉伸、旋转、沿导线扫描等特征也可以将部分参数化或非参数化模型再进行二次建模,方便地生成复杂机械零件的实体模型。1 基准建模 在 UG 实体建模中,模型需要与基准对照才能成功的建立。在UG 中为我们提供了三种工具来建立基准既:基准平面、基准轴和基准 CSYS。利用这三种基准工具我们就可以在实体建模的过程中对照统一的基准建立便准的模型。基准的选择也影响装配的过程。2 扫掠成形 包括拉伸、回转和沿导线扫掠三种方法。拉伸特征是见截面轮廓草图通过拉伸生成实体或片体。其草绘界面可以使封闭的,也可以是开口的,可以由一个或者多个封闭环组成,封闭环之间不能自交,但封闭环之间可以嵌套。回转特征是由特征界面曲线绕旋转中心线旋转而成的一类特征,它适合于构造回转体零件特征。沿导线扫掠特征是指由截面曲线沿导线扫描而形成的一类特征,应用在如斜齿轮和螺杆的建模过程中。3 特征建模 特征建模包括各种孔、圆台、长方体、援助等特征。这些特征均被参数化定义,可对其大小及位置进行尺寸驱动编辑。主要用于建立典型的机械零件模型。4 布尔运算 零件模型通常由单个实体组成,但在建模过程中,实体通常是由多个实体或实体特征组合而成,于是要求把多个实体或特征组合成一个实体,这个操作成为布尔运算。在实际建模过程中布尔运算频繁应用。在求和、求差、求交、拔模角、边倒圆、面倒圆、软倒圆、倒斜角等过程中广泛的应用。下面是零件的实体模型,如图所示:图3-1 蜗杆实体模型上图所取为蜗杆模型,基础模型为圆柱,首先进入草图平面,建立如图所示草图:图3-2 绘制草图截面然后插入螺旋线,通过扫略命令,绘制扫略特征曲线,最后通过布尔求差命令,可得到螺杆特征。图3-3 螺旋线 图3-4 扫略特征图3-5 螺杆特征模型整个蜗杆轴为阶梯轴,通过创建凸台命令,可以实现轴的建模。通过螺纹命令,可以实现轴两端的螺纹建模,可以说UG的建模手段是多样的,再复杂的结构,都可以拆分成多种不同的建模步骤,实现模型的制作。图3-6 螺纹命令框由此可见 UG 提供的各种建模工具可以满足各种形状、各种尺寸的零件的实体建模要求。并且相同的模型可以通过不同的方法得到。总的来看,形状较简单的模型尤其是规则几何形状的大多数通过参数化建模得到。而形状复杂并且不是规则几何形状的就要借助草绘配合拉伸和旋转来完成。可以说,UG 为我们提供了丰富的建模工具。3.3 UG 零件装配3.3.1 UG 的装配特点装配指在装配过程中建立部件之间的连接功能。一方面将基本零件或子装配体组装成更高以及的装配体或产品总装配体;另一方面可以先设计产品的总装配体,然后再拆成子装配体和单个可以直接用于加工的零件。在装配模块中,可以轻松的将各零部件通过相互之间的定位关系装配到一起,可以穿件产品的总结构图、绘制装配图,可以检查零部件之间的干涉情况以及装配体的运动情况是否符合设计的要求,还可以通过系统提供的爆炸视图功能直观的现实所有零部件相互之间的位置关系。在 UG 中由两种装配模式:自顶向下装配和自底向上装配。自顶向下装配是指首先设计完成装配体,并在装配级中创建零部件模型,然后再将其中子装配体模型或单个可以直接用于加工的零件模型另外存储,是在装配部件的顶级向下生成子装配和部件的装配方法。自底向上装配是指首先创建零部件模型,在组合成子装配,最后生成装配部件的装配方法。本文采用的是自底向上装配。即先设计零件再将零件装配到一起的装配方法。在一些设计中也由两种装配方法混合使用的情况。总的来说 UG 装配具有以下主要特征:1 装配是通过指针链接零件几何体而不是复制几何体,多个不同的装配可以共同使用多个相同的部件,因此对系统资源占用较少。2 仅用一个几何体部件数据做备份,所以对零件的编辑和修改都反映在引用那个零件的所有装配中。3 无论在何处怎样修改,整个装配始终保持关联性。4 既可以用自底向上,亦可以用自顶向下,还可以两种方法混合使用进行装配。5 可以同时打开和编辑多个部件,可以在庄湃的上下文中打开和编辑零件几何体。6 如果组成装配的主模型改变了,装配会自动更新。其他应用(如二维绘图、加工等)可以使用主模型数据却无权更改主模型数据。7 通过制定配对约束条件可以定义装配中各部件之间的位置关系。8 装配导航器提供图形显示的装配结构,可随意选择和操纵部件在其他功能中的使用。3.3.2 零件装配图3-7 添加组件如图所示,首先点击组件添加按钮,弹出图中选择部件对话框。然后可以通过点击选择部件文件按钮,指定路径来添加已有的未加载的部件。也可以在已加载组件选择窗口中直接选择已经加载过的组件来进行装配。其中未加载的组件指的是未被装配或引用的组件。已加载的组件指的是已经被引用或已经被加载的组件。这个引用或加载有可能不是在现有装配中,也就是说一个组件可以被多次引用和加载。完成部
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