UG基于的三轴铣床运动仿真

亶缄工建院毕业设计说明书基于UG的三轴铳床运动仿真专业机械设计制造及其自动化学生姓名 孔湘成 班 级B机制077学 号0710101703指导教师 赵海涛 完成日期 2011年6月6日基于UG的三轴铳床运动仿真摘要：铳床是一种应用广泛的机床，铳床除能铳削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。本课题设计的是一台实现三轴联动的铳床，并利用UG软件进行运动仿真。机床运动仿真分析已成为机床设计过程中重要的辅助手段，利用仿真可以及时发现存在的运动干涉、设计不合理等问题，这样可以在机床制造前及时解决，避免产生巨大的成本花费。首先，简单介绍课题来源，铳床的分类及发展历程。其次,对三轴铳床进行总体设计，确定各个零件的尺寸和定位关系并进行校核。使用UG软件，建立铳床运动模型并进行简单的运动仿真。最后，总结全文，并展望了计算机仿真技术在机床设计方面的前景。本课题是涉及机械和计算机技术的研究型项目。文中对UGNX软件的应用、铳床总体结构进行了一些探究，为机床设计与研制方面累积了一些经验。关键词：三轴铳床；UG；运动仿真Motionsimulationofthree-axismillingmachinebasedonUGAbstract:Millingmachmeisawidelyusedmachine.Millingmachmecannullplane,groove,teeth,thread,splineaxis,andmoiecomplexsurfacemachuung.Itshigherefficiencythantheplaner,itliasbeenwidelyusedinthemachineiymanufactunngandrepaksector.Theprojectisdesignedtoachievealinkageaxismillingmachine,andusingmotionsimulationbyUGAnalysisofmachinetoolmotionsunulationliasbecomeanmipoitantadjunctmtheMaclunetooldesignpiocess.Thissunulationcanbeusedtodetecttheexistenceofthemovementmteiference,designissuessuchasumeasonable.Thiscanberesolvedintimeforthemacliuietoolmanufactuieis,toavoidspendinghugecost.Firstly,mthispaperjtmtroducesabriefsubjectsources,classificationanddevelopmentprocessofmilling.Secondly,itmakestheoveralldesignoftluee-axismillingmachine,determinesthesizeandlocationofeachpartandchecksthembetween.,ConfinnasmiplemotionmodelandmotionsunulationbyUGsoftwate.Finally,itconcludslemaiksandprospectsofthecomputersunulationmthedesignoffiituiemacliines.Tlusissueisidatedtomechanicalandcomputerteclmologyleseaichprojects,Inthispaper,applicationofUGNXsoftwareandtheoverallstnictiueofmillingmacluiieshasbeexploredataccumulatssomeexperiencemdesignanddevelopmentofmacluiietools.Kevwords:Tluee-axismillmgmachme;UG;Motionsimulation目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument".绪论 1简介： 1发展历程： 1国内外现状综述： 1主要分类： 2\o"CurrentDocument".铳床机械部分设计 42.1总体设计要求 42.2运动轴的布置 42.3运动部件的行程范围 42.4导轨的选择 42.5联轴器的选择 52.6铳削力的计算 56.1主轴电机的选择 6.6.2X、Y轴铳削力的计算 6.7步进电机的选择 77.1步进电机应用中的注意事项 77.2步进电机三因素的选择 77.3步进电机参数的计算选择 88滚珠丝杠的选择 88.1滚珠丝杠的选择计算 98.2滚珠丝杠的校核 109轴承的选择 11\o"CurrentDocument"3.运动仿真 16建模 162装配 163创建机床运动模型 183.1定义机床基础部件 183.2定义机床运动组件和分类 183.3创建联接坐标系和分类 184机床入库 21\o"CurrentDocument"结论 25\o"CurrentDocument"参考文献 26致谢 27附录 28.绪论简介：铳床是一种用途广泛的机床，在铳床上可以加工平面（水平面、垂直面）、沟槽（键槽、T形槽、燕尾槽等）、分齿零件（齿轮、花键轴、链轮乖、螺旋形表面（螺纹、螺旋槽）及各种曲面。此外，还可用于对回转体表面、内孔加工及进行切断工作等。铳床在工作时，工件装在工作台上或分度头等附件上，铳刀旋转为主运动，辅以工作台或铳头的进给运动，工件即可获得所需的加工表面。由于是多刀断续切削，因而铳床的生产率较高。用铳刀对工件进行铳削加工的机床。铳床除能铳削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。发展历程：铳床最早是由美国人E.惠特尼于1818年创制的卧式铳床。为了铳削麻花钻头的螺旋槽，美国人J.R.布朗于1862年创制了第一台万能铳床，是为升降台铳床的雏形。1884年前后出现了龙门铳床。20世纪20年代出现了半自动铳床，工作台利用挡块可完成“进给-快速”或“快速-进给”的自动转换。1950年以后，铳床在控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大提高了铳床的自动化程度。尤其是70年代以后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铳床上得到应用，扩大了铳床的加工范围，提高了加工精度与效率。随着机械化进程不断加剧，数控编程开始广泛应用与于机床类操作，极大的释放了劳动力。数控编程铳床将逐步取代现在的人工操作。对员工要求也会越来越高,当然带来的效率也会越来越高。国内外现状综述：我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998〜2004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娇4.9机尽管如此，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，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%,2003年仅占27.7机1999年机床进口额为8.78亿美元（7624台），2003年达27.1亿美元（23320台），相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。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间的差距主要分类：一、按布局形式和适用范围加以区分：(1)升降台铳床：有万能式、卧式和立式等，主要用于加工中小型零件，应用最广。(2)龙门铳床：包括龙门铳镇床、龙门铳刨床和双柱铳床，均用于加工大型零件。(3)单柱铳床和单臂铳床：前者的水平铳头可沿立柱导轨移动，工作台作纵向进给；后者的立铳头可沿悬臂导轨水平移动，悬臂也可沿立柱导轨调整高度。两者均用于加工大型零件。(4)工作台不升降铳床：有矩形工作台式和圆工作台式两种，是介于升降台铳床和龙门铳床之间的一种中等规格的铳床。其垂直方向的运动由铳头在立柱上升降来完成。(5)仪表铳床：一种小型的升降台铳床，用于加工仪器仪表和其他小型零件。(6)工具铳床：用于模具和工具制造，配有立铳头、万能角度工作台和插头等多种附件，还可进行钻削、链削和插削等加工。(7)其他铳床：如键槽铳床、凸轮铳床、曲轴铳床、轧辐轴颈铳床和方钢锭铳床等，是为加工相应的工件而制造的专用铳床。按控制方式，铳床乂分为仿形铳床(见仿形机床)、程序控制铳床和数字控制铳床(见数字控制机床)二、按结构分：(1)台式铳床：小型的用于铳削仪器、仪表等小型零件的铳床。(2)悬臂式铳床：铳头装在悬臂上的铳床，床身水平布置，悬臂通常可沿床身一侧立柱导轨作垂直移动，铳头沿悬臂导轨移动。(3)滑枕式铳床：主轴装在滑枕上的铳床，床身水平布置，滑枕可沿滑鞍导轨作横向移动，滑鞍可沿立柱导轨作垂直移动。(4)龙门式铳床：床身水平布置，其两侧的立柱和连接梁构成门架的铳床。铳头装在横梁和立柱上，可沿其导轨移动。通常横梁可沿立柱导轨垂向移动，工作台可沿床身导轨纵向移动，用于大件加工。(5)平面铳床：用于铳削平面和成型面的铳床，床身水平布置，通常工作台沿床身导轨纵向移动，主轴可轴向移动。它结构简单，生产效率高。(6)仿形铳床：对工件进行仿形加工的铳床。一般用于加工复杂形状工件。(7)升降台铳床：具有可沿床身导轨垂直移动的升降台的铳床，通常安装在升降台上的工作台和滑鞍可分别作纵向、横向移动。(8)摇臂铳床：摇臂装在床身顶部，铳头装在摇臂一端，摇臂可在水平面内回转和移动，铳头能在摇臂的端面上回转一定角度的铳床。(9)床身式铳床：工作台不能升降，可沿床身导轨作纵向移动，铳头或立柱可作垂直移动的铳床。(10)专用铳床：例如工具铳床：用于铳削工具模具的铳床，加工精度高，加工形状复杂。三、按控制方式分：铳床又可分为仿形铳床、程序控制铳床和数控铳床等。我的课题是基于UG的三轴铳床运动仿真。内容是设计一台简易三轴铳床，并利用UG的运动仿真功能实现铳床的三轴联动功能。设计思路为先根据机床加工运动范围、特点，制定机床总体结构方案，然后具体零部件设计计算，确定各部件的关键尺寸，最后设计计算运动幅，并编制零件数控程序驱动机床运动以实现运动仿真。在进行设计之前我们要做好以下几方面的工作：首先，要有丰富的实践经验。整个设计，仅靠一些参考资料是远远不够的，这样设计出来的三轴铳床只是结构完美，外形美观，但实用性差，因此，在设计工作开始前，指导老师特地带我们到江淮动力集团、盐城长虹涂装有限公司、东风悦达二厂等企业进行了实地参观考察，与企业工程技术人员共同讨论，积累了一些宝贵的实践经验。其次，运用四年来所学的专业知识，针对现实中遇到的实际情况，做到举一反三。整个设计过程不仅涉及到以前所学的知识，还涉及到一些新的概念，这就要求我们一边温习以前的知识，一边还要学习新的知识，可以说，整个设计过程就是我们不断复习和学习的过程。第三，通过自身的努力，理论联系实际，从合理性、经济性、工艺性、实用性及对被加工零件的具体要求对现有机床进行研究和分析，找出可以进行改进的地方,通过反复推敲对比，拟订较为合理的铳削组合机床的总体方案。在设计过程中，由于铳床大部分是由标准零件构成，另外一些非标准件尽量适应工厂的生产条件，使加工和维修方便，大大减少了设计工作量。限于本人知识水平有限，乂缺乏相应的实践经验，在设计中定存在不到之处，敬请老师批评指正，提出宝贵意见，以便及时纠正。.铳床机械部分设计总体设计要求.铳床应能满足三轴联动加工要求，保证加工精度；.铳床应运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整；.铳床尽量用通用件以便降低制造成本；.铳床各动力部件用电气控制。2.2运动轴的布置铳床的布置形式分立式和卧式，两种形式各有其优点。选择立式布置形式，主轴升降为Z轴，水平方向进给为X、Y轴。选择合适的滚珠丝杠安装方式，步进电机选择等。由于垂向滑台窗洞升降机构在安装滚珠丝杠后会因为失去自锁而自动下滑，必须增加平衡装置和制动装置。水平方向，选择十字滑台作为运动部件。其采用滚珠丝杠和直线导轨副的传动方式，因而具有精度高,效率高，寿命长,磨损小，节能降耗，结构紧凑，通用性较强的特点，符合总体设计要求。竖直方向，选择机械滑台，机械滑台具有如下优点：.进给量稳定，慢速无爬行，高速无振动，可以降低加工工件的表面粗糙度。.具有较好的抗冲击能力，断续切削、钻头钻通孔将要出口时，不会因冲击而损坏刀具。.运行安全可靠，易发现故障，调整维修方便。.没有液压驱动管路泄露、噪声和液压占地的问题。2.3运动部件的行程范围根据铳床的加工特点及参数，选择铳床XYZ三轴的行程分别为：300nun300nun350niiiio2.4导轨的选择铳床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等支撑件上的导轨进行运动的，导轨的作用概括的说是对运动部件起导向和支承作用。在导轨副（如工作台和床身导轨）中，运动的一方（如工作台导轨）叫做动导轨，不动的一方如床身导轨叫支承导轨。导轨选择考虑的因素：（1）导向精度导轨在空载下运动和在切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。保证轴承运动的准确性，是保证导轨工作质量的前提。（2）几何精度直线运动导轨的几何精度一般包括：导轨在竖直平面内的直线度；导轨在水平平面内的直线度：两导轨面间的平行度。在前两项精度中，都规定了导轨在每米长度上和导轨全长上，两导轨面间在横向每米长度上的扭曲值。（3）接触精度磨削和刮研的导轨表面，接触精度按JB2278的规定，采用着色法进行检查。用接触面所占的百分比或每25平方毫米面积内接触点数衡量。（4）精度保持性影响精度保持性的主要因素是磨损。（5）低速运动平稳性当导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性，即不出现滑移现象。（6）结构简单平稳性好大多数机床的导轨都要淬硬，因此导轨的精加工不能淬硬。设计时应注意使导轨的制造和维修方便，刮研量少。由于其制造简单维修、检查方便的特点，选择矩形滑动导轨。2.5联轴器的选择联轴器是用来联接两进给机构的两根轴使之一起回转传递扭矩和运动的一种装置。目前的联轴器类型繁多，有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最为广泛。套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难（轴需作轴向移动）。且要求两轴严格对中不允许有径向或角度偏差，因此使用时受到一定的限制。绕行联轴器则采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有方向间隙。凸缘式联轴器结构简单，成本低，可传递较大扭矩，常用于转速低、轴的刚性大及对中性好的场合。主要缺点是对两轴的对中性要求很高。2.6铳削力的计算现假设刀具材料为高速钢，工件材料为碳钢（4=650）Z轴铳削工作时铳削力的计算：最大铳削直径dmax=l0mm，最小直径"mm=力用〃oTOC\o"1-5"\h\z由《实用机床手册》得：铳削功率匕=_2二 （2-1）6xl04铳削力£=6424M0%产47S6ZK" （20铳削力修正系数K*=（"zKmzK," （2-3）其中工件材料系数K»n=（7^%产=L0060.638高速钢铳刀乙=15°,前角系数长.=0.92主偏角熊=75°K*=L0因此K*=1.006x0.92x1.0%一工件材料的抗拉强度;明一铳削深度;町一每齿进给量；。卬一铳削宽度；(一铳削直径；z一铳刀齿数，现取。,=0.05〃〃〃/Zan=4nunZ=4dn=lOnuna1.=Snmin=400i7min.} p ° wFy=642x4x0.5072x8°86x10-086x4x0.9255=907.8NV=^n?/1000=3.14x10x400/1000=12.56〃〃〃/$P='zV=907.8x12.56/60000=0.19kW〃'6X1042.6.1主轴电机的选择选主轴电机时按切削计算，因为铳削时的最大切削力为：心=642x4x0.5°x8°S6x4086x4x0.9255=19963NV=^/?/1000=3.14x10x1600/1000=20Amm/sPn,="z、=1996.3x20.1/60000=0.68kW6xl04主轴功率P=E“/0.88=0.68/0.88=0.77Kw所以选电动机为匕=LlkW,型号：Y90S—4型。2.6.2X、Y轴铳削力的计算主转动中主轴功率P=0.77KW,则〃=0.77/1.1=0.7电动机的额定功率线=L1KW。铳削力同样与道具材料、被铳削工件的材料、切削量等因素有关，现以刀具材料为高速钢，工件材料为碳钢进行计算。主传动功率包括铳削功率匕、空载功率以八附加功率匕，三部分。即：P=+与”“+%,，对于一般轻载高速的中、小型机床，取优”,=0.5尸，故总功率为：P=E〃+0.5P+(l—〃)匕，匕=0.5尸—在进给传动中铳削功率匕=kxO.5P/(2—〃),查机床设计手册得k=0.85,那么£=0.85x0.5x1.1/Q—0.7)=0.36&W切削时主轴上的扭矩为=974002 (2-4)n则主轴上的最大扭矩：=97400x0.36/400=876.6(^-c//7)铳刀的最大直径为：10mm。主切削力£=876.6/l=876.6N。铳削加工时主切削力与铳削进给抗力之间的比值由《机床设计手册》查得为1.0~1.2,取12则Fs=1051.9AT,垂直分力F：与F,之间的比值为0/75〜0.8,取0.8,£=84L5N02.7步进电机的选择步进电动机乂称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。2.7.1步进电机应用中的注意事项1）步进电机应用于低速场合2）步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3）转动惯量大的负载应选用大机座号电机4）电机在较高速或大惯量负载时，采用逐渐升频提速。5）高精度时，应通过机械减速、提高电机速度或采用高细分数的电机来解决。6）电机不应在振动区内工作7）电机在600Pps以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。8）应遵循先选电机后选驱动的原则。2.7.2步进电机三因素的选择步进电机由步距角、静转矩及电流三部分组成。一旦三大因素确定步进电机的型号便确定了下来。步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求。将负载的最小分辨率换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度，电机的步距角应等于或小于这个角度。静力矩的选择一般情况下静力矩应在摩擦负载的2〜3倍内，静力矩一旦确定，电机的基座及长度就能确定。电流的选择依据矩频特性，确定电流力矩和功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用，功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=QM （2-5）Q=2万n/60P=2^-iiM/60其中P为功率，单位为瓦；。为每秒角速度，单位为弧度；n为每分钟转速；M为力矩，单位为牛顿•米。P=2^fM/400(半步工作)其中f为每秒脉冲数。混合式步进电机控制系统优缺点：混合式步进电机控制系统优点：稳定可靠，性能好，运行平稳。混合式步进电机控制系统缺点：制造复杂，成本高；虽然共振区不明显，振荡较小，但是仍然影响性能。2.7.3步进电机参数的计算选择1)步进电机转轴上启动力矩的计算7；=365〃[F,+〃(G+£)]/(2物刀) (2-6)铳削时：f；=105L9N£=841.5N,分别取u=0.03,G=300N,Oh=1.Smm/step,T(=3^X0.01X[1051.9+0.03X(300+841.5)]/(2^X1.8X0.7)=49.4N/cm由手册可知：7；/心欣=0.866,步进电机最大转矩T.„=7'/0.866=49.4/0.866=57N/cm2)确定步进电机最高工作频率几L1000嚷/%，假定Vmax=0.025nVsf=1000X0.025/0.02=1250Hz根据以上参数，初选混合式步进电机57BYGH6403。采用两相四拍通电方式。相数,3；步距角，1.8°；电流，2.5A；静力矩，110N-cm；转动惯量,280gc〃J;引线数，4o2.8滚珠丝杠的选择滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。滚珠丝杠主要由丝杠螺母副完成运动转换，滚珠丝杠螺母副的特点：滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构。它的机构效(=0.92-0.96)比滑动丝杠(n=0.20-0.40)高3-4倍。滚珠丝杠螺母副的动(静)摩擦系数基本相等，配以滚动导轨，启动力矩很小，运动极灵敏，低速时不会出现爬行。滚珠丝杠螺母副可以完全消除间隙并可预紧，故有较高的轴向刚度，且反向无空程死区，反向定位精度高。滚珠丝杠螺母摩擦系数小，无自锁，能实现可逆传动。滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分内循环和外循环两种。在设计滚珠丝杠时，首先要确定其名义直径、螺距及滚珠直径等。确定滚珠丝杠的上述参数时，目前采用的方法是，在防止疲劳点蚀的基础上，即滚珠丝杠在工作过程中受轴向负载时，在滚珠和滚道型面间使产生接触应力。在这种交变接触应力的作用下，经过一定的应力循环次数后就要使滚珠或滚道型而产生疲劳剥伤，而使滚珠副丧失其工作性能，这是滚珠丝杠副的主要破坏形式。在设计滚珠丝杠副时,必须保证在一定的轴向负载作用下，这种名义直径D和螺距t的滚珠丝杠在回转一百万次后，在它的滚道上由于受滚珠的压力而不致有点蚀现象，这个负载的最大值称为这个滚珠丝杠能承受的最大动负载。在选用滚珠丝杠时，应从以下儿个方面考虑：滚珠丝杠的安装方式：一端固定、一端自由的安装方式适用于转速较低、滚珠丝杠较短的情况。两端游动是一种常见的安装方法，适用于中等转速的情况。一端固定、一端游动则适用于中等转速、需要高精度运行的场合。而两端固定的安装则适用于高速运转、需要高精度运行的场合。丝杠的最小底径尺寸：滚珠丝杠在正常使用时，须保证在轴向方向上被施加的最大压缩负荷不能使丝杠发生弹性变形，这就确定了丝杠的最小底径尺寸。允许转速：随着滚珠丝杠转速的提高，会逐渐接近丝杠的固有振动频率，进而会发生共振以至不能继续转动。因此滚珠丝杠一定要在临界转速共振点以下使用。2.8.1滚珠丝杠的选择计算动载荷C的计算C=l/LfnfhF^ (2-7)其中，一载荷系数取为L0九一硬度系数取为1.2尸口皿一最大工作负载L—使用寿命工作负载F是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠轴上的轴向压力，它的数据可以用进给牵引力的实验公式计算:

对于类似燕尾型导轨的机床尸皿=死+/(£+2玛+@ (2-8)匕一X方向的切削力Fy-Y方向的切削力£一Z方向额切削力G—移动部件的重量/-导轨上的摩擦系数我一考虑颠覆力矩影响的实验系数正常润滑情况下，对类似燕尾型导轨=1.4,/=0.03在铳削过程中，F.=841.5N,f\=0,Fv=1051.9N,G=300NFma=1.4x0+0.03x(841.5+2x0+300)=97.4^而L=60〃T/l()6式中n一滚珠丝杠的转速，T-使用寿命对于铳床，n一般取125017mm,T一般取15000h,因为L=60X1250X15000/1()6=1125C=Vil25-xl.0xl.2x94.7=1181.9N根据以上参数，选择规格为3205-5的内循环浮动式法兰型单螺母制滚珠丝杠副。名义直径为32mm；基本导程5mm；滚珠直径3.5mm：丝杠大径3L5min。螺母内径50min;螺母外径80nmi；螺母长度56nmio2.8.2滚珠丝杠的校核效率计算：(2-9)从《机械原理》中得知，滚珠丝杠副的传动效率〃=吆4/吆(4+。)(2-9)式中夕一螺纹的螺旋升角；P=arctg—^―=arctg =4.550H)o167。一摩擦角；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003〜0.004,其摩擦角约为10°,故〃=0.966刚度的检验从《材料力学》中得知滚珠丝杠受工作负载P的作用而引起的一个螺距T的变化量

Pt_ 97.4x0.4EF-20.1x106x3.14x6.52滚珠丝杠受扭矩M作用而引起的一个螺距t的变化量区=±其中。一在扭矩M的作用下，滚珠丝杠每一螺距长度两截面上的相对扭转角；““Pt97.4x0.4M= = 2%；2x3.14x0.965G一扭转弹性；对钢而言，G=841X105N/cw72心一滚珠丝杠载面积的极惯性矩(=就4/32。心/,=tt13.「/32=2889.8c7〃4=1.O6x1O"N・c〃7A/r_ 6,43x0.4=1.O6x1O"N・c〃7g77-841x1O5x2889.8S0.4xl.06xl0-ua不△八= = ： =o./jx1U-2万841xIO,x2889.8如果Y方向的滚珠丝杠的长度为100cm,则整个工作长度上的螺距变形总误差:△=100/0.4AL=3.5x10cm/〃7查表得，对E级丝杠，允许误差△= 故丝杠满足要求。稳定性验算机床的进给丝杠通常是一种受轴向压力的压杆，如果轴向压力过大，可使丝杠失去稳定性而产生翘曲。长柱压杆失稳时的临界负载外,可用《材料力学》中的欧拉公式计算：(2-10)丝杠的工作长度(2-10)丝杠的工作长度对钢而言，弹性模数七=2.1xl(fN/cm2对实心圆杆而言，截面惯性矩J=嘤=当上=1445cm4；64 64/=30c7〃丝杠轴端系数u=l7.5x10s/V_^22.1x107.5x10s/V卜~(lx20)2故此丝杠不致失稳。号7.5x10 „_［八6、、「］］故此丝杠不致失稳。nL.=-= =7.7x10>>［nL.J=4kP97.4 人2.9轴承的选择机床传动轴的滚动轴承的主要失效形式，是循环接触应力下的作用，滚动体和滚道表面出现疲劳剥落。而丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，对丝杠轴承的主要要求是轴向精度和刚度要高，摩擦力矩要小，所以选用六十度角接触球轴承该轴承是与滚珠丝杠配合的专用轴承，其主要特点如下：

1）接触角大，钢球数多承载能力高，刚度高。2）既能承受轴向载荷，乂能承受径向载荷，支承结构可以简化。3）轴承启动摩擦矩小，降低丝杠副的驱动功率，提高进给系统灵敏度。现选用7000C型号，基本尺寸为：d=10nim,外径D=26mm,宽度B=8mm,基本额定动负荷cr=4.29KN，基本额定静载荷，C,r=2.25KN,极限转速为2800i7'mmc对轴承的疲劳寿命进行校核：由《机械设计》可知，in6C轴承的基本额定寿命为：6=嘉（J （2-11）式中：P—当量动载荷；右皿一基本额定寿命；£一寿命指数一般球轴承为3；〃一轴承工作转速，n=1250i/min;C—基本额定动载荷，C=2250N；其中：P=L（XF「+YFD （2-12）力一冲击载荷系数，取L1;工一径向载荷；X、Y一径向动载荷系数。X=0.44,Y=l;P=l.lx(0.44x0)+97.4=107.WLioh106Lioh106 2250360x1250(107.1)=123628.3万〉15000h所以该轴承的选用是合格的。2.10轴的校核a.轴系零件的轴向固定为使轴和轴上零件在机器中有正确的位置，防止轴系轴向窜动和正确传递轴向力，轴系零件应予轴向固定。常见的轴向固定方式有三种：（1）两端单向固定的支承结构；（2）一端双向固定，一端游动的支承结构；（3）两端游动的支承结构。轴系零件不论采取哪种固定方式，都是根据具体情况通过选择轴承的内圈与轴,外圈与轴承座孔的固定方式来实现的。轴承内外圈的周向固定主要由配合来保证，轴承内圈和轴的轴向固定，其原则及方法与一般轴系的轴向固定方式基本相同，外圈与轴承座孔的轴向固定形式主要是利用轴承盖、孔用弹性垫圈、套孔的凸肩以及轴承座孔的凸肩。具体选择时要考虑轴向载荷的大小，方向，转速高低，轴承的类型，支承的固定型式等情况。根据上面的要求，结合本设计情况，主轴箱内的轴系

零件的轴向固定方式采用两端单向固定的支承结构。b.轴的结构轴的结构主要取决于：轴在机器中的安装位置及形式；轴上零件的类型，尺寸及配置，定位和固定方式；载荷的性质，大小，方向及分布情况；轴的加工和装配工艺性等。由于影响轴结构的因素较多，其结构随具体条件不同而灵活变化，所以轴一般并无标准的结构形式。但不论何种具体条件，轴的结构均须满足：足够的强度和刚度；轴和装在轴上的零件应有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应该具有良好的制作工艺性。c.轴的校核作出轴的弯扭矩如图3-1所示。1、求出传动轴上的转矩T：传动轴上的传递功率：2传=尸〃=7.5x0.97=7.285KW (2-13)p 7295WljT=9.55xl06x-=9.55xl06x—^=3.24x105N•mm (2-14)n 2152、求作用在齿轮上的力：d[= =3.5x48=168mm2T_2x3.24xl052T_2x3.24xl05石168=3857.14NFzl=FZ1tan20°=1403.99N<//=〃4=3.5x70=245mm口2r2x3.24xl05cczF.=--= =2644.90Nd；245Fr2=Ft2tan20°=962.74N3、轴的受力分析a.画出传动轴的受力简图（如图3-1）b.计算支承反力在水平方向上437.26N/]+/?+=6G878在垂直方向上尸=Fj+小—)=2207.57N/,+/.

A .C.画出弯矩图(如图3-1)截面B处水平弯矩Mh=FjW1/1=437.26x177=77395.02N・mm截面C处的水平弯矩MJ=FnhiQ+l2)-F’h=437.26x232.5-3857.14x55.5=-112408.32N・mm截面B处垂直弯矩Mv=1.J=159.16x177=28171.32N*mm截面C处的垂直弯矩尸mua+4)-尸J=159.16x232.5-1403.99x55.5=-40916.745N・mm截面B处的合成弯矩My= =82362.69N・mm截面C处的合成弯矩=119623.62N-mm4、弯矩合成强度校核通常只校核轴上受最大弯矩和扭矩的截面的强度，由以上计算得，危险截面为截面Co考虑启动、停机影响，扭矩为脉动循环变硬力，a=0.6,Mca=1M：+(叫)2=Jll9623.62?+(0.6x324000)?=228256.81N・mm(2-15)截面C处计算应力j,=色色=228236.81=3567Mpa (2-16)W0.1x403根据文献［12］表11.2,轴的常用材料及其主要力学性能表可得45号调质钢的［b_』=60MPa。%＜匕.』所以该轴的强度满足设计要求。用同种方法校核其他轴，均满足要求。图3-1轴的弯扭矩图3.运动仿真根据课题要求，使用UG软件进行运动仿真。UG是Unigiaphics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。NX包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。NX具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。NX优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、镀金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。UGNX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UGNX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镶孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关。UGNX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于2〜5轴或更多轴的铳削加工、2〜4轴的车削加工和电火花线切割。仿真过程由于铳床的结构和装配悬系复杂，不宜进行单次建模，而是创建若干零部件，在装配界面中将这些部件装配成完整的铳床。.1建模在确定了铳床各个零部件的尺寸形状后，在UG的草图界面中选择创建部件的一个剖面，通过拉伸、旋转、镜像等操作画出零部件的三维实体图。.2装配在NX中，装配只是PARTFILE,其中不包括实际的几何体，而是用于管理几何体，其中只包含组件，是指针的集合。装配时，从开始进入装配界面，选择装配和加载选项，选择添加组件选项，选择合适的定位方式添加组件。按此方法逐一添加组件，组件之间选择接触对齐平行、垂直等装配约束方式进行相互间的定位。WT7.5-M-fXrrt) SIIIMIMS，页帧DMiinffioa»A<^略夫®I*®发ga、M，2毋向U•0承000。CCIMWmH iTl^fx.Qi「U c WT7.5-M-fXrrt) SIIIMIMS，页帧DMiinffioa»A<^略夫®I*®发ga、M，2毋向U•0承000。CCIMWmH iTl^fx.Qi「U c 不.区・&・p•€)•木fl•□•U什.r”•O•一.、， ,…・•: 1- / 、f i1/目，里・里9/…wawau4-6%、口・图刁力工小阅。⑴刁国•唐F■*•“••，一・’•学，“会1»金风-七>0女用史记》Q必单的。「一CH.00Jj5lffl(2>,SKETCM.O.M&»®G^TCrt.O.55(05・⑷e・G-J：卜田4。飞?•.侬，S/、O□、+i・••-i ◎说*«・■"， ？、〉g度懵零0a的 wct.5・图LUG创建的导轨三维图A文帆玲MLHfflM。入03天9IM©«»A>m«V分殖WWBW'BWO(Qf(XXJUiEM (7(31fxl0开超・Q'U c、p"逐"：'b.W•G•3•€)/ •□•0盛.•？•①vo•一氐.口・工iO力阳」，3K国二，，。人仃5•£，S<㉖♦备•信康•金・宙,翁.SQ纭&Y；分。，」.经国,-、A上演3.cltAJHMT5r一n-lw”•1,•,”: 。为小尸.311in/-o 口〜+u♦ ：e&：•，7T.V 0MM3-«tcr. 尸，w»itT.i- -」*-rFi、&⑤t:k图2.部件间的装配3.3创建机床运动模型完成装配后，就有了机床的整体视图。进入机床构造器MTB进行机床运动模型的定义并在机床导航器中重新命名新添机床名mm3ax.运动模型是用来描述机床运动的，定义了运动模型后各组件的运动方式才得以确定。3.3.1定义机床基础部件机床基础部件是定义机床运动关系的基础是机床导航器中关系树的根，一般定义机床床身。▼SIEMENS5'="根麻柯曾。=[•iH3Mx.Frt)会H财■会CSYS*•5CTW,日二，□AW^S＞：-tierT5-rf构PART.MI.13*X 8[▼SIEMENS5'="根麻柯曾。=[•iH3Mx.Frt)会H财■会CSYS*•5CTW,日二，□AW^S＞：-tierT5-rf构PART.MI.13*X 8[maCHnE^T6ZRASE'fi2SUDE图3.创建机床运动模型%sYEASE0VSUOE9X5UDEYAS?sanv?另英P野摧定US”IACHIXI.ZEW_JUl|国曲㈤3.3.2定义机床运动组件和分类根据机床部件和装配关系在上级部件下插入所要添加的k组件定义，k组件的父子关系决定了它们的依存关系。当定义PART、BLANK.FIXTURE等设备组件时只需先定义名称并分类，不必指定几何对象。分类的目的是在进行碰撞干涉检查时，可以按照类进行检查。通常对毛坯、工件和夹具进行分类。333创建联接坐标系和分类为了便于描述机床各运动副之间的相对运动关系分别在机床原点、工件和刀具上建立同向平行的坐标体系，并且使机床处于初始状态时，工件坐标系、刀具坐标系坐标方向均与机床坐标系一致。1）首先必须在机床基础件上定义机床坐标系和机床原点，用于指定机床各组件的

运动方向，因此机床坐标系轴的方向的确定很重要，但原点的位置可以定义在机床的任意位置。创建一个名为MACHINE_ZERO,分类为MachmeZeio的连接坐标系。3始由螺^«®W郅询的播ISM）螭引信物钟籍观触窗口◎确叱 目⑥C开即4 ・XCPR包蝴&国・@「字・酚富•口•般伊・总，•沙V>•一住.■•■□£■■・△口©■■.二―…■「'；，人.底电电市将下第nue •r*,.，②— ,；论分切，县自切・CSYS45CTVnan”a木管点Yam力淋务，7R^cgrs币爆使P-KRT,卢佛MLO.KX-二石而上嬴6勰「-EZ5UDE祐w.、M6YRASE8-Y5U0E9XSUDE，MACHI娠.瓜氏等支，SE0生信机床,并.MACHNLa\S45CTVnan”a木管点Yam力淋务，7R^cgrs币爆使P-KRT,卢佛MLO.KX-二石而上嬴6勰「-EZ5UDE祐w.、M6YRASE8-Y5U0E9XSUDE，MACHI娠.瓜氏等支，SE0生信机床,并.MACHNLa\S图lACHIME.WJUlW A|冲C5R仅»3衣略极7、百CHf汽环的..3RX7S•就钠,.：<-is图4.建立机床原点2）在机床工作台上创建一个名为PART_MOUNT_JCT的连接，用于在模拟仿真时，安装加工工件将零件安装坐标系定在当前坐标系位置。PART_MOUNT_JCT实际上定义工件在机床上安放时的参考点，即装卡原点。同样方式在刀具主轴端面创建一名为TOLL_MOUNT_JCT的连接，用于模拟仿真时安装刀具。应注意坐标系方向，X轴为刀具安装轴。

妙才能硼WCSYSv■，T.5-AKW2Shin3ax.*rt1SIEMENS。lurftsam»K(卜一落.0IVKE.W3LD至后31油出白PART.M3UMT山SERJP然MLL3AX9MKHNE.妙才能硼WCSYSv■，T.5-AKW2Shin3ax.*rt1SIEMENS。lurftsam»K(卜一落.0IVKE.W3LD至后31油出白PART.M3UMT山SERJP然MLL3AX9MKHNE.以SEZ“SE]-8^$UD£__：h£W.MAM[swseiYSUDEBXSUDE-MACHNL8AJ.PART.5CTUP.JbUPJUVP件4glCE05.O€^CE.HOLD€RG.De^CE.HOL»R.ON.rf.ADQ.MRTi.^<FKEG.$aUP.£L£MENT5JAMJHN%J.TOOLCUniMC卜1J-Jv图5.创建刀具安装连接3）创建机床运动轴：该功能的作用机床组件的运动形式，定义XYZ轴的运动行程和连接关系。

T.s=敏床 [Bkin*x.prt!.■文笛⑵««i£i 躺、0格式区।ijuht-av分■即e/口Q布劭却。加c 出・引•痣・Q0.・•□・壮伊.SIEMEMS-/X=1:MLL3i\X8MACHNE.BASE.MACHIME.1ASeZRA$( ■■■WANE•DEVKE.HOCBAYR45(Qr$uO£8XSLID6PART.MOUXTJMT..$CTUP.0SHIPSmP_O£M：SIEMEMS-/X=1:MLL3i\X8MACHNE.BASE.MACHIME.1ASeZRA$( ■■■WANE•DEVKE.HOCBAYR45(Qr$uO£8XSLID6PART.MOUXTJMT..$CTUP.0SHIPSmP_O£M：h<O料比导映看权球构*胃MKUon2me珀出逊«：.«.00卬.«.00卬I.08M*flT»*WS/隹%LU.00CUJ.003、：并始 电您啾皿…" F百度的产冗”-段对图6.定义机床运动轴3.4机床入库建好运动模型后，用机床模型文件路径将设置好的机床加入机床库以便调用。修改机床库文件在...MACH\resouice\lib[ary\machme\ascii\machine_data_dat下添加新机床入口DATA|null3ax_fanuc_nmi|l|3-AxMillVertical|Fanuc|Example|S{UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_MACHINES_DIR}mill3ax\iiiill3ax_fanuc_nmLdat|1.000000|${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_MACHINES_DIR}null3ax\graphics\inill3ax使机床库指向mill3ax.dat文件以便在该.dat文件中，定义将用的机床后处理器。执行完以上操作步骤将生成一个完整的虚拟机床，当需要时就可以在机床库中调出并可实现该机床仿真运动和生成加工NC程序。

虚拟机床仿真加工与验证将建立好的机床添加到虚拟仿真机床库之后就可以通过后置处理实现加工过程仿真及验证。a）首先在加工环境下打开要验证的以生成刀具路径的加工件，使导航器切换到刀具导航器，并载入建立好的机床运动模型。n7.5-»T-(JIlCOlCJIAI.nt ]夕殖出顺W 帆由XAO>由汹僧H加分府 %口@«ttlH g]画一4W・y&,电*・*・A•■气♦、,JJJL，x.■■■口£■■・△□0■【,—>■■■■■■■■■■■■■■■♦.«£*»lit：GENERIC-MACHINE，*稔，|&辨m•备a.,fU«£*»lit：GENERIC-MACHINE，*稔，|&辨m•备a.,fU度超车故的w.n倒外9・任律密Mr.airier上固太••二一*/A从氐中晨用7JH从耳中迎电设备•坦71同安笠»n<b)⑻由tt「800.刈,1口留同图7,调入虚拟机床b）定义加工件及夹具，打开机床构造导航器在载入的虚拟机床上定义机床加工件、毛坯及夹具等。

图8