轴承内外圈加工专用机床横向机构设计【含CAD图纸+PDF图】
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编号 无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 轴承内外圈加工专用机床 横向机构设计 信机 系 机械工程及自动化 专业 学 号： 0923129学生姓名： 展 杰 指导教师： 彭勇 （职称：副教授） （职称： ） 2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 轴承内外圈加工专用机床横向机构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械93 学 号： 0923129 作者姓名： 2013年 5 月 25 日无锡太湖学院信 机系 机械工程及自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目轴承内外圈加工专用机床横向机构设计 2、专题 二、课题来源及选题依据 该课题来源于迪奥企业轴承内外圈专用机床横向机构的设计。该机床主要用于汽车设计、军工行业和其他工业行业的轴承生产制造，实现了单机自动化、多机线自动化的生产制造。其中轴承行业，占据顶端市场份额的90%以上，速度、准确性和耐用性是我们产品成功的重要因素，在机械行业中占着很重要的位置。 本设计属于结构设计结合类课题，要求完成轴承内外圈专用机床横向机构的设计。通过本设计，可以帮助学生加深对本专业的相关知识理解和提高综合运用专用知识的运用。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 分析原始资料，查阅相关资料，收集整理有关横向机构设计、丝杠、阻尼缸运动、设备等资料； 对机床进行系统分析和功能分析，并在此基础上确定横向机构的设计方案； 完成横向机构的整体设计，以及各个零件的建模和整体的装配，最后进行横向机构的仿真运动； 阅读和翻译英文文献 ； 撰写毕业设计论文 ； 四、接受任务学生： 机械93 班 姓名 展杰 五、开始及完成日期：自 2012年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名 2012年 11 月12日 摘 要 本文是根据无锡迪奥机械厂轴承内外圈生产线改造项目要求，针对横向部分能自动实现进给，快退，自动感应识别运动位置等要求，设计出一套轴承内外圈专用机床横向进给机构，使其能够代替工人手动进给，提高了公司生产效率。 论文根据轴承内外圈的特点，对其横向进给机构进行了合理的设计。此横向机构主要为了实现台面板上的刀具在切削轴承内外圈横向进给的运动。这一运动由阻尼液压缸驱动，由PLC控制，由感应元件识别确认台面板横向进给时的位置。本文要设计的内容主要包括：阻尼液压缸驱动系统的设计，床身钳尺寸的确定，滚珠丝杠的设计，台面板的设计等。确定了横向进给机构的具体尺寸后，利用UG软件对横向机构的主要部件进行建模，并对整体结构进行虚拟装配。然后将装配体导入UG软件的运动仿真界面，并利用软件进行运动学仿真和动力学仿真。分析仿真结果，得出相应结论。最后对轴承内外圈加工专用机床横向机构进行优化设计，让本设计能够真正的投入到日常生产操作中，使其切实能够为轴承厂的生产线改造做出贡献。 关键词：进给机构；轴承加工；虚拟装配；运动仿真 Abstract This paper is based on the reconstruction project requirements of the inner and outer circle line of bearings in Wuxi dior machinery factory. In order to achieve the requirements that the horizontal section automatically forwarding and identifying locations, this article designs a set of bearing internal and external ring special machine transverse feeding mechanism. Its a special machine tool be used to replace workers manual feed and improve the companys production efficiency.According to the characteristics of the bearing inner and outer circle ,the article designs its traverse mechanism reasonable.This mechanism mainly achieve the cutting tool on the the panel in cutting of bearing transverse feed motion on the inside and outside the circle .The movement is driven by damping hydraulic cylinder, controlled by PLC, recognized by the sensing element identification to confirm the position of the panel. The content of the article mainly includes damping hydraulic cylinder driving system designing, the determination of lathe bed clamp size, the design of the ball screw, a panel designing, etc. After determining the specific size of the infeed mechanism, the article applies UG software to model a major part of the traverse mechanism and assembly its overall structure virtually. Finally, the design of the machine infeed organization is optimized, so that it can really be used to put into the day-to-day production operations and make contribute to the production line of bearing plant effectively.Keywords: feeding mechanism ; bearing processing; virtual assembly; motion simulation 目 录 摘 要IIIAbstractIV1 绪 论11.1 本课题研究的目的和意义11.2 国内外轴承加工机床发展状况11.3 本课题的主要内容22 横向机构设计32.1 横向机构组成32.2 横向机构的设计方案32.2.1 机床的主要参数及床身钳的初始设计32.2.2 阻尼液压缸的设计与计算32.2.3 滚珠丝杠的设计92.2.4 床身钳安装阻尼缸部分的尺寸及台面板尺寸的设计143 基于UG的横向机构三维建模与虚拟装配153.1 UG软件的简介153.2 主要零部件的三维建模163.3 阻尼液压缸的虚拟装配193.3.1 基于UG的高级装配功能193.3.2 阻尼液压缸的虚拟装配213.4 本章小结224 基于UG的运动仿真234.1 运动仿真的工作界面234.2 横向机构的运动仿真234.2.1 运动界面的的打开234.2.2 连杆特性的建立244.2.3 运动副特性的建立254.2.4 施加运动264.2.5 分析验证284.3 本章小结295 结论与展望305.1 结论305.2 不足之处及展望30致 谢31参考文献32附 录33III 轴承内外圈加工专用机床横向机构设计 1 绪 论1.1 本课题研究的目的和意义该课题来源于轴承厂生产线改造项目，根据轴承内外圈加工设备加工时进给的特点，对其机床横向进给机构进行合理设计。该专用机床在横向运动方面进行了改善，把以前的人工进给改造成为自动进给，减少了人工操作的误差，提高了生产效率，改善了加工零件的精度。在传统轴承加工机床横向进给机构生产过程中，采用工人手动对刀，手动控制进给量，单调重复，而且工人长时间重复单一动作容易发生差错，发生生产事故或者使加工零件报废。为了降低工人的工作强度，改善工作环境。提高生产效率和零件的精度，研制出了轴承内外圈加工专用机床自动横向进给机构使其能真正代替人工完成任务。工人要做的就是按动按钮。这样可以实现一人多机操作，解放出大批工人，同时也降低了企业生产成本，提高了加工精度，使企业更具有竞争力!1.2 国内外轴承加工机床发展状况 目前，我国轴承加工机床数量上比较多，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对自动化轴承加工机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产轴承加工机床滞销积压，国外轴承加工机床产品充斥市场。 这种现象的出现，除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的自动化轴承加工机床品种、性能和结构不够先进，新产品的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品，造成这种情况的原因有： （1）我国轴承加工机床厂目前开发基型产品的周期约为1518个月，其中设计时间约为58个月，占总周期的40%左右。而国外一些先进轴承加工机床厂同类基型产品的开发周期为69个月，其中设计约1.52个月，只占25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。 （2）我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具，自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，使设计一次成功的把握性降低，往往需要反复试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。 （3）用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求，甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求，这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外，这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周，而在我国轴承加工机床厂用手工操作就至少需12个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门，常会出现漏改和失误的现象，影响了产品的质量和交货期。 （4）现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数，他们的专业知识和实际经验不足，又担负着开发的重任。 （5）由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立，缺乏有效的协同开发的模式，不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改，延长了开发的周期。 为解决这些问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，并建立起基于并行工程的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面，使企业取得良好的经济效益1。而在国外，轴承加工机床从80年代以后得到了很大空间发展，机床品种，性能，结构都比较先进，而且机床生产周期短，效率高，加工出来的轴承精度好，很好的满足了客户的要求。不过，近几年轴承内外圈加工专用车床在国内外都有很多研究，应用的领域也越来越多，轴承机械，产品主要用于汽车行业、军工行业和其他工业行业的轴承生产制造，实现了单机自动化、多机线自动化的生产制造。其中轴承行业，占据顶端市场份额的90以上，速度、准确度和耐用性是轴承内外圈加工专用车床加工出来的产品的重要保障。1.3 本课题的主要内容(1) 分析原始资料，查阅相关资料，分析国内外轴承机床发展状况。(2) 对轴承内外圈专用机床横向机构总体方案设计。(3) 阻尼液压缸和滚珠丝杠的设计与计算。(4) 横向机构各部分的设计与计算。(5) 基于UG的横向进给机构三维建模及运动仿真。 2 横向机构设计2.1 横向机构组成机床的横向进给机构由：床身钳，滚珠丝杠，螺母座，调节螺母，调节丝杠，线轨，液压阻尼缸等部分组成。由液压阻尼缸通过连接套带动滚珠丝杠副至螺母座，实现滑板的横向机动进给。在滚珠丝杠的前端加一螺孔，用内六角螺钉及套与之连接，这样用内六角扳手可实现滑板的横向手动进给运动。该横向机构由PLC主导控制，通过横向开关感应铁的感应运动位置，实现横向滑板的进给运动。2.2 横向机构的设计方案 2.2.1 机床的主要参数及床身钳的初始设计 轴承内外圈专用机床的主要技术参数如表2-1所示。表2-1 轴承内外圈加工专用机床的技术参数表项目要求最大工件回转直径80mm最大车削长度50mm中心高180mm主轴头行程10mm主轴锥孔-安装基准孔100mm主轴孔径30mm主轴转速范围1200-1700机床轮廓尺寸12005501760主轴线与机床边缘间距275mm主轴线距地面高度1046mm床头箱长度327mm由表2-1可知，专用机床的轮廓尺寸为，轴承内外圈直径为80mm，考虑到安装空间和可靠性等因素，确定床身钳底下尺寸为，接下来要确定床身钳安装阻尼液压缸部分的尺寸，这必须先要确定阻尼液压缸的型号及大小，由缸的大小尺寸来确定。 2.2.2 阻尼液压缸的设计与计算 阻尼液压缸设计内容及参数 1.设计内容 （1）液压缸内径D，活塞杆直径d的确定及绘制液压缸总图； （2）液压元件的选择；2.设计参数 液压缸系统供油P=6.0Mpa； 液压缸最大推力Fmax=4.8KN； 缸的最大行程L=150mm； 阻尼液压缸主要尺寸的确定1. 液压缸工作压力的确定 液压缸的工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对于不通用途的液压设备,由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。根据负载F=5KN, 查参考文献2 表 8-13，可知液压缸的工作压力为1.5Mpa 。2. 液压缸缸筒内径D的计算根据已知条件，工作最大负载F=2000N，工作压力P=1.5MPa可得液压缸内径D和活塞杆直径d。已知: F=2000N, =1.5MPa，=42mm从GB234880标准中查得：D=45，d=40mm 则 故必须进行最小稳定速度的验算，要保证液压缸工作面积A必须大于保证最小稳定速 度的最小有效面积Amin 又：式中：qmin流量阀的最小稳定流量，由设计要求给出。 Vmin液压缸的最小速度，由设计要求给出。 故取D=45，保证了。3. 液压缸活塞杆直径d的确定由已知条件可查参考文献3 表4-5，取d=35mm。 查参考文献4 表5-8知，45钢的屈服强度 按强度条件校核： 所以符合要求。4. 液压缸壁厚的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处 的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布材料规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。本设计按照薄壁圆筒设计，其壁厚按薄壁圆筒公式（2.1）计算为： (该设计采用无缝钢管) （2.1）其中： =100110（无缝钢管），取=120 计算的公式所得的液压缸的壁厚厚度很小，使缸体的刚度不够，如在切削加工过程中 的变形，安装变形等引起液压缸工作过程中卡死或漏油。所以用经验法选取壁厚：=5mm。 5. 缸体外径尺寸的计算缸体外径 查参考文献2表8-9： 外径取50mm 6. 液压缸工作行程的确定由于在液压缸工作时要完成如下动作： 即可根据执行机构实际工作的最大长度确定。由上述动作可知工作行程为150mm。 7. 缸盖厚度的确定 一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度 按强度要求可用下式（2.2）进行近似计算： （2.2）式中：D缸盖止口内径(mm) T缸盖有效厚度(mm) T4.74mm8. 最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点距离为H，称为最小 导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此在设计时必须保证有一定的最小导向长度，见图2.2 油缸的导向长度。 图2.2 油缸的导向长度对一般的液压缸，最小导向长度H应满足： （2.3）式(2.3)中：L液压缸的最大行程(mm) D液压缸内径(mm) 取H=50mm9. 活塞宽度B的确定活塞的宽度B一般取B=（0.6-1.0）D 即B=（0.6-1.0）50=（30-50）mm取B=45mm10. 缸体长度的确定液压缸缸体内部的长度应等于活塞的行程与活塞宽度的和。缸体外部尺寸还要考虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体的长度不应大于缸体内径D的20-30倍。 即：缸体内部长度150+45=195mm 缸体长度（20-30）D=（1000-1500）mm 即取缸体长度为250mm。11. 液压缸进、出油口尺寸的确定液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上，进、出油口处的流速不大于5m/s，油口的连接形式为螺纹连接或法兰连接。根据液压缸螺纹连接的油口尺寸系列（摘自GB/T2878-93）及16MPa小型系列单杆自（GB/T2878-93）及16MPa小型系列的单杆液压缸油口安装尺寸（ISO8138-1986）确定。进出油口的尺寸为M16x1.5，连接方式为螺纹连接。 阻尼液压缸的密封设计液压缸要求低摩擦，无外漏，无爬行，无滞涩，高响应，长寿命，要满足伺服系统静态精度，动态品质的要求，所以它的密封与支承导向的设计极为重要，不能简单的延用普通液压缸的密封和支承导向。因此设计密封时应考虑的因素： （1）用于微速运动（3-5mm/s）的场合时，不得有爬行，粘着滞涩现象； （2）工作在高频振动的场合的，密封摩擦力应该很小且为恒值。要低摩擦，长寿命； （3）工作在食品加工、制药及易燃环境的伺服液压缸，对密封要求尤为突出，不得有任何的外渗漏，否则会直接威胁人体健康和安全； （4）工作在诸如冶金、电力等工业部门的，更换密封要停产，会造成重大经济损失，所以要求密封长寿命，伺服液压缸要耐磨； （5）对于高速输出的伺服液压缸，要确保局部过热不会引起密封失效，密封件要耐高温，要有良好的耐磨性； （6）工作在高温、热辐射场合的伺服液压缸，其密封件的材料要有长期耐高温的特性； （7）工作介质为磷酸酯或抗燃油的，不能用矿物油的密封风材料，要考虑他们的相容性； （8）伺服液压缸的密封设计不能单独进行，要和支承导向设计统一进行统筹安排。 静密封的设计 静密封的设计要确保固定密封处在正常工作压力的1.5倍工作压力下均无外泄露。静密封通常选用O形橡胶密封圈。 动密封的设计动密封的设计直接关系着伺服液压缸性能的优劣，其设计必须结合支承导向的统筹进行。活塞与缸筒之间用Y型密封圈5。根据3 表13-23，查得用226编号的O型密封圈,其尺为50.393.53。活塞杆与端盖之间用Y型密封圈，它使双作用元件具有良好的性能，抗挤压性好，尺寸稳定，摩擦力小，耐磨、耐腐蚀性强。 支承导向的设计 伺服液压缸的支承导向装置就是为了防止活塞与缸筒、活塞活塞杆与端盖之间的直接接触，相互摩擦，产生磨损，从而达到降低摩擦，减少磨损,延长寿命，起到导向和支承侧向力的作用。导向环的特点： （1）避免了金属之间的接触；（2）具有高的径向交荷承触力；（3）能补偿边界力；（4）具有强耐磨性寿命；（5）擦力小；（6）能抑制机械振动；（7）有良好的防尘效果,不允许外界异物嵌入； （8）保护密封件不受过分挤压； （9）向时即使无润滑也没有液动力方面的问题； （10）结构简单，安装方便； （11）维修费用小。导向环的作用：导向环安装在活塞外圈的沟槽内或活塞杆导向套内圆的沟槽内，以保证活塞与缸筒或活塞杆与其导向套的同轴度,并用以承受活塞或活塞杆的侧向力,用来对活塞杆导向。根据查参考文献6表24.7-13查得选用GST5908-0630的导向环。导向套的选用为其导向长度A=(0.6-1.0)D=(30-50)mm, 取A=40mm。 防尘圈的设计为防止落入活塞杆的尘埃，随着活塞杆的伸缩运动被带进端盖和缸筒内，从而使密封件和支承导向环受到损失和过早的磨损，所以，伺服液压缸还设计安装防尘圈。防尘圈的选择原则：（1）不给伺服液压缸增加摩擦； （2）不产生爬行； （3）不粘着滞涩； （4）不磨损活塞杆。 防尘圈的选择不当，会引起摩擦力的增加，将保护活塞杆表面起润滑作用的粘附性油膜层刮下来，造成粘附性渗漏，这种渗漏在原理上是允许的。防尘圈的作用：以防止活塞杆内缩时把杂质、灰尘及水分带到密封装置区，损伤密封装置。综上所述，经查参考文献2表13-28，选用丁型无骨架防尘圈，尺寸为45mm。 阻尼液压缸材料的选用1.缸筒缸筒材料：常用20、35和45号钢的无缝钢管。由于缸筒要与法兰焊接在一起，故选用45号钢的无缝钢管。 缸筒和缸盖的连接方式：法兰连接；特点是结构较简单、易加工、易装卸，使用广泛，外形尺寸大，重量大。缸盖的材料为HT200，液压缸内圆柱表面粗糙度为Ra0.2-0.4um。2.活塞活塞的结构形式应根据密封装置的形式来选择，密封形式根据工件条件而定。 塞杆:（1）活塞杆的外端结构活塞杆外端与负重连接，其结构形式根据工作要求而定。（2）活塞杆的内端结构活塞杆的内端与活塞连接。所有形式均需有锁紧措施，以防止工作时由于往复动而松开。活塞杆与活塞之间还需安装密封，采用缓冲套的螺纹连接。活塞杆：活塞杆导向套 活塞杆导向套装在液压缸的有杆腔一侧的端盖内，用来对活塞杆导向，其内侧装有密封装置，保证缸筒有杆腔的密封性。外侧装有防尘圈，防止活塞杆内缩时把杂质、灰尘和水分带进密封装置区，损伤密封装置。缓冲装置当工作机构质量较大，运动速度较高时，液压缸有较大的动量。为了减少液压缸在行程终端由于大的动量造成的液压冲击和噪音，必须采用缓冲装置。当停止位置不要求十分准确时，可在回路中设置减速阀和制动阀，也可以在缸的末端设置。 2.2.3 滚珠丝杠的设计 丝杠螺母副的选用1.内循环与外循环的选用外循环滚珠丝杠是利用挡珠器一端修磨的圆环引导滚珠离开旋滚道进入回珠槽，以及引导滚珠由回珠槽，返回螺旋滚道。内循环滚珠丝杠是借助反向器迫使滚珠丝杠翻越丝杠的齿顶进入相邻滚道，内循环是因回路短、工作滚珠数少，流畅性好，摩擦损失少，传动效率高，径向尺寸紧凑，轴向刚度好，承载能力强等优点，故而采用内循环滚珠丝杠（制造困难，价格贵）。2.滚珠丝杠的轴向间隙调整和预紧方法滚珠丝杠的轴向间隙的调整和预紧方法的原理与普通丝杠螺母相同，有调整滚珠直径，双螺母调隙，单螺母变导程预紧这三种，但滚珠丝杠螺母机构间隙调整精度要求高，要求能作微调以获准确的间隙或预紧量。常用的方法有三种：垫片调隙式，螺纹调隙式，齿差调隙式。垫片调隙式常需垫片反复修磨，工作中不能随时调整，螺纹调隙式调整量难以精确控制。齿差调隙式精度可靠，多用于调整准确性要求较高的场合。而现在市场多流行变位导程预紧。3.滚珠丝杠的安装实践表明：螺母座，丝杠的轴承及其支架等不足会严重的影响滚珠丝杠副的传动刚度。为了提高轴向刚度，一般常用止推轴承。滚珠丝杠的支撑方式有一下四种：a.一端装止推轴承型；这种支撑方式仅适用于丝杠行程较短，它的支撑能力较小，轴 向刚度较低。b.一端装止推轴承，一端装向心轴承，其目的是为了减少丝杠热变形的影响。c.两端装止推轴承，这种支撑对丝杠的热伸长较为敏感。d.两端装止推及向心轴承。 见下图2.3 滚珠丝杠的支撑安装方式。此种支撑虽使滚珠丝杠有最大的刚度，但设计计算较为复杂且轴向尺寸大，且结构复 杂，故而采用b支撑的安装方式。 图2.3 滚珠丝杠的支撑方式4.滚珠丝杠提高精度的措施为提高机床横向进给机构的进给精度，采用各种方法和措施，但都不同程度地存在着一定的问题，现概括如下。（1）采取修复或更换磨损件的方法。一些企业在机床的中修或项修过程中，采取更换新的横向进给螺母或修复横向进给丝杠，然后再配作螺母的方法，保障机床横向进给机构的进给精度。这种办法只是在机床修复后最初阶段能够保障横向进给精度，数月后就又进入了反复调整阶段，而且加大了维修成本，并没有从根本上解决横向进给精度问题。（2）采用改进横向进给丝杠支承结构或减小丝杠变形的方法。这种方法仅提高了丝杠的刚度，虽然能够间接地减缓丝杠和螺母的磨损，但仍没有从实质解决问题。而且改造的成本和维修费用很大。 丝杠螺母副的计算1.滚珠丝杠螺母副承受轴向载荷时，在滚珠与滚道型面产生接触应力，若应力状态是交变接触应力，它的工作状态与滚动轴承类似，所以它的主要实效形式是疲劳点蚀损伤和变形，故其设计方法与滚动轴承相类似，故按疲劳寿命的选择计算有公式（2.4）： （2.4）参数如表(2-4)。 表2-4 参数表载荷系数轴向工作载荷使用寿命计算动载荷（）硬度影响系数上式（2.4）中各参数的确定：（1） ：一般1.21.5，取1.2。（2）：滚珠丝杠的材料取，硬度可处理到HRC60左右，则1.0。（3）：轴向工作载荷的计算可查参考文献4计算工作载荷。（4）T: 将各参数带入公式（2.4）有：（5）Foc=由上式(2.4)中所计算的结果，从滚珠丝杠产品样本中找出相应的额定动载荷值，使。参照机床设计手册选取丝杠螺母副，有FFB4006-2型：查产品目录，得11.6KN，使，Coa=29.2KN,然后由值确定滚珠丝杠型号。滚珠丝杠螺母副的校核1.刚度计算：数控机床的滚珠丝杠是最精密的元件，它在轴向力的作用下产生伸长和缩短，在扭矩的作用下产生扭曲变形这将引起丝杠导程发生变化，从而影响结构精度和定位精度，因此， 滚珠丝杠在受力情况下的变形量由公式（2.5）确定： （2.5）上式（2.5）中各参数的确定见表2-5。表2-5 参数表螺距变形总误差工作载荷弹性模量丝杠的内径面积扭矩弹性模量滚珠丝杠截面积的惯性距： ：将各参数代入（2.5）后得：对于数控机床而言，根据机床设计手册表8-9可知，丝杠精度和表面光洁度选取为J级精度。则，故丝杠可用。2.稳定性校核：根据材料力学欧拉公式： （2.6） ：丝杠材料的弹性模量取。 ：丝杠的工作长度 l=360mm。 ：。 ：丝杠轴端系数，由轴承条件决定，由于丝杠安装方式为两端游动，则。将上面的参数代入（2.6）式中：故可以用。3.计算丝杠系统的刚度，由公式（2.7）： （2.7） ：丝杠传动的综合拉压刚度 ：轴承刚度 ：丝杠拉压刚度 ：轴的接触刚度由于丝杠的拉压刚度特别大，故可以不考虑由与传动刚度变化而引起的定位误差带入公式（2.7）。 + 初选丝杠专用轴承40TAC72A，参数如下表2.6轴承参数表：表2-6 轴承参数表轴承型号（）()（）40TAC72A2210340014540125则： 4.反向死区的校核：死区误差，是指的是系统启动和反向时产生的输入运动与输出运动之间的差值，在开环系统中，由于启动和反向死区误差的存在，影响刀具与工件定位精度，对于反向死区可采用消隙措施减小，消隙后，根据公式（2.8）： （2.8） ：导轨摩擦系数 ：系数980 ：机械传动装置固有频率，故可用。丝杠直径的确定：由公式（2.8）死区误差：再一次说明丝杠所取的直径可用。 2.2.4 床身钳安装阻尼缸部分的尺寸及台面板尺寸的设计 根据阻尼液压缸的尺寸，阻尼缸直径为50mm，长度为125mm，选用阻尼缸端盖尺寸为75mm75mm,综合考虑安装等因素，确定出床身钳安装阻尼缸的那部分尺寸为350mm125mm。台面板的尺寸根据床身钳的上面部分尺寸确定为460mm280mm25mm，台面板随着液压缸的驱动实现进给运动。 3 基于UG的横向机构三维建模与虚拟装配3.1 UG软件的简介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。UG的开发始于1969年，它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用再利用1。UGS公司的Unigraphics NX为产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段，并针对虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。它能够使企业通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。它提供了一套完整的集成解决方案，从流程开始一直到产品最终交付，汇聚了风格与样式、设计、仿真、加工和制造各项功能。UG的发展历史1960年，McDonnell Douglas Automation 公司成立。1976年，收购了Unigraphics CAD/CAE/CAM系统的开发商United Computer 公司，UG的雏形问世。1983年，UG 上市。1986年，Unigraphics吸取了业界领先的、为实践所证实的实体建模核心Parasolid的部份功能。1989年，Unigraphics宣布支持UNIX平台及开放系统的结构，并将一个新的与STEP标准兼容的三维实体建模核心Parasolid引入UG。1990年，Unigraphics作为McDonnell Douglas（现在的波音飞机公司）的机械CAD/CAE/CAM的标准。1991年，Unigraphics开始了从CAD/CAE/CAM大型机版本到工作站版本的转移。1993年，Unigraphics引入复合建模的概念，可以实体建模、曲线建模、框线建模、半参数化及参数化建模融为一体。1995年，Unigraphics首次发布了Windows NT版本。1996年，Unigraphics发布了能自动进行干涉检查的高级装配功能模块、最先进的CAM模块以及具有A类曲线造型能力的工业造型模块：它在全球迅猛发展，占领了巨大的市场份额，已经成为高端及商业CAD/CAE/CAM应用开发的常用软件。1997年，Unigraphics新增了包括WAVE（几何链接器）在内的一系列工业领先的新增功能。WEAV这一功能可以定义、控制、评估产品模板，被认为是在未来几年中业界最有影响的新技术。2000年，Unigraphics发布了新版本的UG17，最新版本的，是UGS成为工业界第一个可以装载包含深层嵌入“基于工程知识”（KBE）语言的世界级MCAD软件产品的供应商。2001年，Unigraphics发布了新版本UG18，新版本对旧版本的对话框进行了调整，使得在最少的对话框中能完成更多的工作，从而简化了设计。2002年，Unigraphics发布了UG NX1.0.新版本继承了UG18的优点，改进和增加了许多功能，使其功能更强大，更完美。2003年，Unigraphics发布了新版本UG NX2.0 。新版本基于最新的行业标准，它是一个全新支持PLM的体系结构。EDS公司同其主要客户一起，设计了这样一个先进的体系结构，用于支持完整的产品工程。2004年，Unigraphics发布了新版本的UG NX3.0，它为用户的产品设计与加工过程提供了数字化造型和验证手段，。它针对用户的虚拟产品的设计和工艺设计的需要，提供经过实践验证的解决方案。2005年，Unigraphics发布了新版本的UG NX4.0.它是崭新的NX体系结构，使得开发与应用更加简单和快捷。2007年04月， UGS公司发布了NX5.0 NX的下一代数字产品开发软件，帮助用户以更快的速度开发创新产品，实现更高的成本效益。2008年06月，Siemens PLM Software发布NX6.0，建立在新的同步建模技术基础之上的NX 6将在市场上产生重大影响。同步建模技术的发布标志着NX的一个重要里程碑，并且向MCAD市场展示Siemens的郑重承诺。 NX 6将为我们的重要客户提供极大的生产力提高。2009年10月 西门子工业自动化业务部旗下机构、全球领先的产品生命周期管理（PLM）软件与服务提供商Siemens PLM Software 宣布推出其旗舰数字化产品开发解决方案NX 软件的最新版。NX 7.0引入了“HD3D”（三维精确描述）功能，即一个开放、直观的可视化环境，有助于全球产品开发团队充分发掘PLM信息的价值，并显著提升其制定卓有成效的产品决策的能力。此外，NX 7.0还新增了同步建模技术的增强功能。修复了很多6.0所存在的漏洞，稳定性方面较6.0有很大的提升。2010年5月20日Siemens PLM Software在上海世博会发布了功能增强的NX7最新版本（NX 7.5），NX GC 工具箱将作为NX 7最新版本的一个应用模块与NX 7一起同步发布。NX GC 工具箱是为满足中国用户对NX特殊需求推出的本地化软件工具包。在符合国家标准（GB）基础上，NX GC 工具箱做了进一步完善和大量的增强工作。2011年09月-Siemens PLM Software发布了UG8.0。2012年10月-Siemens PLM Software发布了UG8.57。3.2 主要零部件的三维建模UG为用户提供了强大、广泛的产品设计应用模块，它具有高性能的机械设计和制图功能。它为灵活地制造设计产品提供了可能性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。除组件设计处，UG还提供了强大的基于系统产品建模和协同的产品级装配设计方法。一般来说，UG的建模，首先要建立基本的几何体，然后在上面添加其他的特征。不同的应用领域有不同的特征，其分类方法也各不相同，对于机械产品的实体模型及其工程图纸信息，可将常用的特征15信息分为管理特征、技术特征、材料特征、精度特征、形状特征、装配特征等六大类。在建模工程中，最常用的是零部件的形状特征，在此可以进一步的分解出零件的形体特征类。本横向机构的形状特征主要包括：床身钳，台面板，滚珠丝杠副，调节丝杠，线轨，阻尼液压缸等部分。下面介绍一下轴承内外圈加工专用机床横向机构的建模过程。1.台面板的建模根据第二章的数据，已知台面板的尺寸。 在台面板建模的过程中，需要用到多种不同的UG建模工具，具体如下：（1）“草图绘制”：主要用于绘制曲线草图，需要先绘制曲线，然后才能创建曲面和实体特征。点击“插入”“草图”，弹出创建草图对话框，选择类型为“在平面上”，然后根据第二章的数据画出主视图。如图3.1所示： 图3.1 台面板草图的绘制（2）“拉伸”命令：用于创建曲面特征，也就是将绘制的曲线拉伸成曲面，创建拉伸实体。如图3.2所示：图3.2 台面板的拉伸（3）“孔”命令：通过沉头孔、埋头孔和螺纹孔选项向部件或装配中的一个或多个实体添加孔。如图3.3所示： 图3.3 台面板的打孔（4）“镜像”命令：对于对称结构而言，这个工具特别有用，可以节省创建特征的时间，同时操作比较准确方便。如图3.4所示：图3.4 台面板的三维建模 2.床身钳的建模床身钳主要起安装、支撑其它部件的作用，如阻尼液压缸要安装在其里面，线轨和滚珠丝杠要安装在床身钳上表面上，床身钳的尺寸在第2章中已经得出，它的建模比较复杂，涉及到拉伸、打孔、挖槽、抽壳、倒角等特征操作。其模型见图3.5所示：图3.4 床身钳的三维建模3.3 阻尼液压缸的虚拟装配 3.3.1 基于UG的高级装配功能1.出现在Assemblies-Advanced下的所有功能：包括建立缠绕装配，建立连接的外型，建立操纵区，建立小平面表示，Script(脚本）13。2.出现在Analysis-Assembly Clearance下的所有功能：包括设定间隙区、选择分析对象、执行各种间隙分析、接触干涉、软干涉、硬干涉和包容干涉。3.出现在File-Open-Options或File-Options-Load Options 中的利用最后组件集、利用最后过滤器和规定过滤器。UG虚拟装配技术常用的术语： （1）装配（Assembly）表示一个产品的零件盒子装配的集合。在UG中，装配体是包含组件对象的一个部件文件。（2）组件对象（Component Objects）在一个装配内，在一特定位置和方位上一个部件的使用。一个组件可以是一个由其他低级组件组成的一个子装配。在一个装配中的每个组件仅含有一个指向它的主要几何体的指针，当修改一个组件的几何体时，在作业中利用同一主要几何体的所有其他组件将自动反映这一变化。 （3）组件部件（Component Part）在一个装配内由一组件对象的指针所指向的部件文件。实际的几何体存储在组件中并由装配体引用而不是复制。（4）组件成员（Component Members）显示在装配件内来自组件部件的几何对象。如果使用引用集，组件成员可能是在组件部件中的所有几何体的一个子集，也称为组件几何体。（5）上下文设计（Design in Context)当组件几何体显示在装配件中时，直接编辑它的能力。可以选择来自其他组件的几何体辅助建模，也称为就地编辑。（6）自顶向下建模（Top-down Modeling）在这种建模技术中，当工作在装配级时可以建立和编辑组件部件。在装配级上做的几何体改变立即自动地反映在个别组件中。（7）从底向下建模（Bottom-up Modeling）在这种建模技术中，它们使用于某些高级装配内的孤立状态中设计和编辑组件部件。当打开反映在零件级做的几何编辑时，所有利用该组件的装配件自动地更新。（8）显示的部件（Displayed Part）当前显示在图形窗口中的部件。（9）工作部件（Work Part）用户在其中建立和编辑几何体的部件。工作部件可以是显示的部件或是包含在显示的装配部件中的任一组件部件。当显示一零件时，工作部件总是与显示部件相同。（10）装载的部件（Loaded Part）当前打开和在内存中的任一部件。部件利用File-Open命令装载，当它们被用于一般装配中时被隐式打开。（11）引用集（Reference Set）来自一部件的命名的几何体集合，可以用来在高级装配中简化组件部件的图形显示。（12）配对条件（Mating Condition）对一单个组件定位的约束集。在一装配体中，每个组件都可以有一个配对条件，尽管配对条件可以由对其他组件的关系组成。（13）装配导航器，提供了装配结构的图形显示，为在其他功能中使用选择和操作组件8。UG的虚拟装配方法：UG根据装配体与零件之间的引用关系，提供了3种建立装配体的方法，即自底向上设计（Bottom-up）、自顶向下（Top-down）设计和混合装配方法。（1）自底向上装配指首先在设计过程中设计零部件模型，然后组合成子装配体，最后生成装配部件的装配方法。这种装配方式需要设计人员交互的给定配合构件之间的约束关系，然后由UG系统自动计算出构件的转移矩阵，并实现虚拟装配。（2）自顶向下装配指首先设计完成装配体，并在装配体中创建零部件模型，然后拆成子装配体和单个可以直接用于加工的零件模型。这种设计方式可以方便、直接的进行设计，由一个由粗入精的过程，多用于全新的开发过程，可以保证设计出的产品相互间有一个合理的位置。基于自顶向下的装配设计技术也与工程实际相符合，而UG的装配建模技术完全支持自顶向下的设计方法。这样在虚拟装配操作中，设计者可以根据需要混合使用以上两种装配方法。（3）混合装配是指将自顶向下装配和自底向上装配结合在一起的装配方法，即首先创建几个主要的零部件模型，将它们组装在一起，然后在装配体中设计其他零部件。在实际产品设计过程中，可根据需要在两种模式间相互切换9。 3.3.2 阻尼液压缸的虚拟装配本文设计的阻尼液压缸采用自左向右装配，既先设计出液压缸的零部件，然后级合成子装配体，最后生成装配部件的装配方法。首先将整个阻尼缸分为几个子装配体：前端盖与缸装配体、中间端盖缸装配体、活塞杆子装配体。将这些子装配体装配完毕后，分别进行干涉检查，确保子装配体无误之后再统一导入整体装配模型中进行装配。 首先建立一个文件作为装配文件，然后建立已存在的组件之间的引用关系和相对关系和相对位置关系。1.选择新建“文件”“新建”“装配”确定进入装配界面。 2.在装配界里面选择“添加组件”按钮，在弹出的添加组件选项中，选择“打开”按钮，单击按钮，弹出【部件名】对话框，根据组件的存放路径选择部件ASS/01-01.prt，单击确定按钮，返回到【添加组件】对话框设置定位为“绝对原点”，单击确定按钮，将实体定位于原点。 3.再返回到【添加组件】对话框，打开按钮，选择部件ASS/01-02.prt，单击确定按钮，返回到【添加组件】对话框设置定位为“通过约束”，单击确定，进入【装配约束】对话框，类型选择“接触对齐”，方位选择“接触”，选择前端盖与缸，中间端盖与缸，再点击确定按钮。 4.用相同的方式，装配其它部件，装配后的结构如图3.5所示。图3.5 阻尼液压缸装配结束后，需要检查各个组件之间是否存在干涉情况。静态干涉检验对组件的运动不加考虑。其分析的结果类型包括：不干涉、接触、干涉、包容四种类型。干涉检查形式灵活，可以进行选定组件间的检查，也可以进行整个装配体的干涉检查。如果发现干涉检查中存在干涉或包容，则表明两装配体之间存在尺寸关系错误，需要重新对模型进行修改，需要重新确定和校核阻尼缸的尺寸，直到装配后没有干涉和包容现象。液压阻尼缸的干涉检查结果显示符合要求，如图3.6所示。图3.6干涉结果显示3.4 本章小结 本章详细地阐述了横向机构主要部件的三维建模过程，如草图的绘制，打孔，拉伸，挖槽等操作，对阻尼液压缸进行了虚拟装配、静态干涉检验等操作，实现三维设计过程与零部件制造、装配过程的高度统一。4 基于UG的运动仿真4.1 运动仿真的工作界面 本章主要介绍UG/CAE模块中运动仿真的功能。运动仿真是UG/CAE（Computer Aided Engineering）模块中的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过UG/Motion的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学分析就可以验证验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化10。运动仿真功能的实现步骤为：（1）建立一个运动分析场景；（2）进行运动模型的构建，包括设置每个零件的连杆特性，设置两个连杆间的运动副和添加机构载荷；（3）进行运动参数的设置，提交运动仿真模型数据，同时进行运动仿真动画的输出和运动过程的控制；（4）运动分析结果的数据输出和表格、变化曲线输出，人为的进行机构运动特性的分析11。4.2 横向机构的运动仿真 4.2.1 运动界面的的打开 在UG的主界面中选择菜单命令【Application】【Motion】。如图4.1所示： 图4.1 打开UG/Motion操作界面选择该菜单命令后，系统将会自动打开UG/Motion的主界面，同时弹出运动仿真的工具栏。 4.2.2 连杆特性的建立点击运动仿真工具栏区的连杆命令，系统将会打开连杆对话框。如图4.2所示： 图4.2 连杆命令对话框下面开始创建“连杆”了，选择图标，选择气缸活塞和台面板，侧面板，滚珠丝杠为第一连杆，如图4.3所示，杆件名字为L001。图4.3 创建连杆L00129选择剩余的零件作为第二个连杆，设置该连杆为固定连杆，如图4.4所示，杆件名字为L002。图4.4 创建连杆L002最后在“运动导航器”里面的连杆的关系如图4.5所示。图4.5 连杆关系图 4.2.3 运动副特性的建立下面开始创建“运动副”，单击仿真工具条上的运动副图标。在弹出的“运动副”选项中，选择类型为“滑动副”，“选择连杆”为连杆L001，也就是第一个定义的连杆，这时候选择“指定方向”为Z轴方向，如图4.6所示。图4.6 创建滑动副J001 4.2.4 施加运动（1）设定运动参数完成运动副后，右击“运动导航器”中J001（滑动副），选择编辑，弹出设定该编辑的对话框。选择“驾驶员”选项，在滑动副中选择“恒定”，初速度设为30。（2）定义解算方案右击“运动导航器”中的“motion_1”,选择“新建解算方案”,或者单击工具栏中的（解算方案）按钮，弹出如图4.7所示的对话框。在“时间”栏中输入6，“步数”栏中输入100，表示运动时间为6s,运动过程通过100步完成12。在对话框选中“通过按确定进行解算”，再单击“确定”按钮，在单击求解方案，系统便开始进行仿真求解，此时“运动导航器”中生成“Solution_1”树状结构，如图4.8所示。图4.7 定义解算方案 图4.8 运动导航器求解完成后，我们进行动画预览。完成后的图形如图4.9所示： 图4.9 横向机构的运动仿真图 4.2.5 分析验证在运动仿真后，可以输出运动仿真的图表，点击功能菜单区运动分析模块中的作图按钮，弹出图表对话框，选择对象为滑动副J001，图表设置为NX，点击确定，弹出表格，如图4.10所示。图4.10 滑动副J001验证图表 由图可知J001滑动副初始速度为30，恒速做Z方向的滑动。该运动由阻尼液压缸中活塞杆推动前侧板，然后前侧板带动台面板做横向运动。4.3 本章小结 本章首先对仿真软件UG进行了介绍，然后将三维模型导入UG仿真界面，建立虚拟样机，并利用其进行运动学和动力学的分析，通过分析仿真结果，验证了模型的正确性。5 结论与展望5.1 结论 本文所做的工作及取得的成果如下：（1）对轴承内外圈加工专用机床横向机构的整体结构进行了研究和设计。 （2）利用UG软件完成了对横向机构主要零件的实体建模，进行了虚拟装配，实现理论与实践的高度统一。 （3）将三维模型导入UG仿真界面，建立虚拟样机，并利用其进行运动学和动力学的分析，通过分析仿真结果，验证了模型的正确性。5.2 不足之处及展望在此次横向机构UG运动动态分析这一过程中，未能精确掌握动态分析这一环节，可能导致横向运动的精度误差增大。还有UG除了能实现三维建模及装配和运动仿真外，还有NX钣金、外观造型设计、加工等，而且还可以进行二次开发，对于这一块未能了解，例如：（1）Open Grip，提供了最简单的解释性语言，类似于AutoCAD的Lisp，可以完成绝大多数曲线，实体CAD操作功能，生成的文件可以被UI Styler二次开发的菜单.men文件调用，也可被Open API(C语言
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