2771 光學磨床主軸設計及三維建模

2771 光學磨床主軸設計及三維建模,光學,磨床,主軸,設計,三維,建模 XXXX 大學本科畢業(yè)設計( 論文)題目：光學磨床主軸設計及三維建模系 別： 機電信息系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化班 級： 1230203 學 生： XXXX 學 號： 123020303 指導教師： XXXX 2011 年 06 月畢業(yè)設計（論文）任務書系別 機電信息系 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 1230203 姓名 XXXX 學號 123020303 1.畢業(yè)設計(論文)題目： 光學磨床主軸設計及三維建模 2.題目背景和意義：光學磨床是光學玻璃精加工的主要設備，國產(chǎn)光學磨床普遍存在精度低、自動化程度低、工作環(huán)境差等缺點，平面磨床主軸部件是保證光學零件精度的關鍵部件，實現(xiàn)光學磨床主軸部件設計，并利用三維軟件實現(xiàn)建模，對關鍵部件進行分析，提高設計精度，對提高我國光學玻璃的制造水平有一定的現(xiàn)實意義，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。3.設計(論文) 的主要內容及技術指標： (1) 了解光學磨床的的工作原理和主軸精度要求，提出主軸設計方案； (2) 主軸主要部件設計計算及校核； (3) 主軸主要部件設計三維建模； (4) 關鍵部件的分析； 4 設計的基本要求及進度安排： (1) 學習、熟練應用計算機繪圖工具。 (2) 1-3 周，課題調研，開題準備，提交開題報告。 (3) 4-10 周，完成中期工作，提交中期報告。 (4) 11-18 周，完成全部設計工作，進行論文撰寫，提交畢業(yè)論文和必要的圖紙，準備答辯。指導教師簽名： 年 月 日學生簽名： 年 月 日系主任審批： 年 月 日說明：1 本表一式二份，一份由學生裝訂入冊，一份教師自留。2 帶*項可根據(jù)學科特點選填。 I光學磨床主軸設計及三維建模摘 要現(xiàn)代機床的發(fā)展日益趨向高效率和高精度，這對機床的設計提出了更高的要求，需要采用更先進和合理的設計方法來完成機床設計優(yōu)化。對于磨床而言，主軸組件是磨床極為重要的組成部分，其性能的好壞對磨床的性能有著重要的影響。本文具體研究分析了磨床發(fā)展的現(xiàn)狀，磨床主軸組件的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢；在總結前人研究成果的基礎上，結合當前的技術發(fā)展趨勢，對主軸組件進行了受力分析計算，同時對該類立軸圓臺平面磨削的磨削力進行了分析。利用軸承靜剛度的有效經(jīng)驗計算公式，結合該磨床的實際情況對軸承的剛度狀況進行了分析。 關鍵詞：光學磨床；主軸設計；三維建模；Solid Edge IIOptical design and three-dimensional modeling ogrinding spindleAbstractThe growing tendency of the development of modern machine tools with high efficiency and precision, the design of this machine a higher requirements, the need to adopt more advanced and reasonable design method to complete the machine design optimization. For the grinding, the grinding spindle is a very important component part of, the performance is good or bad performance on the grinding machine has a significant impact. This detailed analysis of the development status grinder, grinding machine spindle component of development conditions and trends; In conclusion, based on the results of previous studies, combined with current technology trends, force analysis of spindle components were calculated at the same time that type of spindle and round table surface grinding of the grinding force is analyzed. STIFFNESS OF EXTERNALLY effective use of axis empirical formula, combined with the grinding reality of the bearing stiffness conditions were analyzed.KeyWords: optical grinder; Spindle Design; three-dimensional modeling; Solid Edget 目 錄1 緒 論 ....................................................................................................11.1 課題研究的背景和意義 ......................................................................................11.2 磨削精度和表面質量 ..........................................................................................21.3 國內外平磨設備的發(fā)展 ......................................................................................21.4 PM500 平面磨床的工作原理 ..............................................................................31.5PM5OO 傳動系統(tǒng) .................................................................................................41.6 磨頭機構及其主軸組件的研究現(xiàn)狀 ..................................................................42 主軸組件的受力與支承軸承剛度 ......................................................62.1 主軸組件的受力分析 ..........................................................................................62.1.1 動力及工況簡介 ............................................................................................62.1.2 帶傳動產(chǎn)生的軸壓力 ....................................................................................62.2 主軸支承軸承的剛度分析 ..................................................................................72.2.1 軸承剛度計算理論 ........................................................................................72.2.2 軸承預緊 ........................................................................................................82.3 主軸支承軸承的剛度計算 .............................................................................102.3.1 下支承剛度 ..................................................................................................102.3.2 中支承剛度 ..................................................................................................102.3.3 上支承剛度 ..................................................................................................112.3.4 推力球軸承 ..................................................................................................113 主軸部分的設計 ................................................................................123.1 主軸設計的主要內容 ........................................................................................123.2 軸材料的選擇 ....................................................................................................123.3 主軸結構分析 ....................................................................................................133.4 主軸結構的改進 ................................................................................................133.5 主軸的結構設計 ................................................................................................134 SOLID EDGE 三維建模 ..................................................................164.1 三維設計軟件的簡介 ........................................................................................164.2 特征建模技術的特點 ........................................................................................164.3 SOLID EDGE 建模的操作方法 ............................................................................174.3.1 簡單三維實體建模技術 .............................................................................18 4.3.2 復雜三維實體建模技術 .............................................................................184.4 主軸系統(tǒng)部分零部件建模 ................................................................................195.磨床主軸的模型裝配 ...........................................................................236 結論 .......................................................................................................25致 謝 ......................................................................................................27畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明 ..........................................................28畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 ..............................................................29 主要符號表HRC硬度m?微米 T絲桿所受扭距inr轉/分鐘[]p?許用擠壓應力2/N抗拉壓強度P許用壓強 ( )Mpa.mrad扭轉剛度'H鍵與輪轂的接觸高度I絲桿危險截面慣性距p?擠壓應力P壓強d軸的直徑E絲桿材料的抗壓彈性模量tW絲桿螺紋抗扭截面系數(shù) 1 緒論 11 緒 論1．1 課題研究的背景和意義制造業(yè)，尤其是裝備制造業(yè)的整體能力和水平將決定各國的經(jīng)濟實力、國防實力、綜合國力和在全球經(jīng)濟中的競爭能力。20世紀以來 ,世界各國對制造業(yè)都極其重視。為此美國重新提出了“制造業(yè)仍是美國的經(jīng)濟基礎 ”,要“促進先進制造技術的發(fā)展”。為了預測未來制造業(yè)的發(fā)展，1997 年美國制定了“下一代制造計劃”,提出了人、技術、與管理為未來制造業(yè)成功的三要素及關鍵技術。接著又提出了“展望2020年制造業(yè)的挑戰(zhàn)”制造業(yè)是國家財富的主要創(chuàng)造者，而裝備制造業(yè)作為整個國家工業(yè)部門的裝備提供者，其水平的高低決定了我國制造業(yè)的國際競爭力，特別是我國加入到WTO以后，行業(yè)競爭更加激烈，系關我們國家現(xiàn)代化的進程和民族的復興，因此提高我國裝備制造業(yè)的整體技術水平具有重大的理論和現(xiàn)實意義。機床是機械加工行業(yè)中最基本的勞動工具，在工廠中每時每刻都在使用，是制造業(yè)和機械零件加工行業(yè)中最根本的工作手段，也是應用最廣泛的加工工具。而磨床是車，銑、刨、磨各類機床中最基本的最普遍的施行精加工的機床，絕大部分機器零件最終加工的精度和質量，都取決于磨床的精度水平。因此，在制造業(yè)中，磨床的總體技術水平和擁有數(shù)量對于各類零部件的加工質量和加工效率是十分重要的。由于工業(yè)、農業(yè)、國防與科學技術的發(fā)展，對機械設備提出了越來越高的要求，同時現(xiàn)代產(chǎn)品的更新速度比較快。為了提高產(chǎn)品的市場競爭力，就要縮短產(chǎn)品生產(chǎn)設計周期，提高產(chǎn)品設計的水平。為了實現(xiàn)這個要求，要求產(chǎn)品設計人員在產(chǎn)品物理樣機設計完成后，在產(chǎn)品的物理樣機制造出來之前，能夠對產(chǎn)品的各項性能進行評價，了解和掌握產(chǎn)品的靜態(tài)和動態(tài)性能，從而可以在產(chǎn)品投產(chǎn)之前對設計進行修改和結構優(yōu)化，提高設計的成功率和產(chǎn)品質量。對于設備改造而言，也要有同樣的步驟：首先，確定改造的目標；進而分析原設備的性能參數(shù)；然后根據(jù)分析結果對原設計進行取舍和相應的改造并加以分析優(yōu)化以實現(xiàn)改造目標。長期以來，國內的機床設計多為經(jīng)驗模擬設計，結構設計計算沿用傳統(tǒng)的計算方法，如材料力學、結構力學以及彈性力學的一些公式進行計算。這些公式的推導多以強度方面的理論為主，輔以實驗和測試方法得出，具有一定的可靠性。但由于機床結構的復雜，計算過程中的數(shù)學模型對結構進行了許多簡化， 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 2導致了計算的精度差異較大。同時憑借簡單的計算工具，計算繁冗，時間很長，有些項目無法準確計算。因此，利用傳統(tǒng)的模擬設計方法進行機床設計雖然可以對機床或某些組成的零部件進行綜合或者部分的技術性能實驗，但是受實驗手段和方法的限制，還不能夠進行全面深入的研究，從而根本上也談不上優(yōu)化設計以及動態(tài)設計，多為“設計一制造一修改設計一制造 ”周期循環(huán)，有些甚至經(jīng)過幾代制造才可能形成比較好的產(chǎn)品，費時費力，效率低下。1.2 磨削精度和表面質量許多零件加工磨削是最終加工工序，因此直接決定工件的質量。影響表面粗糙度的主要因素是磨削用量、磨具特性、砂輪表面狀態(tài)、切削液、工件材質和機床條件等。由于磨削熱和塑性變形等原因，磨削表面會產(chǎn)生殘余應力。殘余壓應力可提高工件的疲勞強度和壽命；殘余拉應力則會降低疲勞強度，當殘余拉應力超過材料的強度極限時，就會出現(xiàn)磨削裂紋。磨削過程中因塑性變形而發(fā)生的金屬強化作用，使表面金屬顯微硬度明顯增加，但也會因磨削熱的影響，使強化了的金屬發(fā)生弱化。在平面磨削時，工件速度硬為 10~20m/min。而常規(guī)外圓磨削，該速度應為 15~20m/min，對于尺寸較小的工件，該速度應相應減小，一般為 5~10m/min。工件移動速度的變化是砂輪磨削性能也隨之改變。增加工件移動的速度像使砂輪變軟，而減慢工件移動的速度，像使砂輪變硬。1.3 國內外平磨設備的發(fā)展平面磨床是磨床類機床中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮臋C床，在完成傳統(tǒng)的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、臺面、磨頭等大件為基礎，可以演變成外圓、曲線、工具、無心等磨床。由于我國的平面磨床大多為六十年代制造，性能相對都比較差，近幾十年以來，先后采用新技術對一些磨床進行了改造，提高了精度和性能。改造過程中主要采用滑動軸承尤其是靜壓技術對其進行了改進。近幾年來，精度作為平面磨床的一項重要的考核指標而越來越受到各國專家的重視，而主軸部件作為磨床的主要組成部件，亦是影響平面磨床精度的關鍵技術之一。我國把高速主軸單元制造技術研究作為“十五” 目標及主要研究內容之一：著力進行主軸材料、結構、軸承的研究與開發(fā)；主軸系統(tǒng)動態(tài)特性及熱態(tài)性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術研究；主軸系統(tǒng)的潤滑與冷卻技術研究；主軸的多目標優(yōu)化設計技術、虛擬設計技術研究；主軸換刀技術研究。目前，國際上平面磨床工作臺往復速度最高可達 200m/min，工作臺的加速度 50m/s2。當然，這都是采用直線電機后才達到了這個水平。確實，新功能部件的使用對提高機床主機的性能起了非常大的作用。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 3對于難加工材料和硬質材料具有很大的潛力的磨削方法高速行程磨削，也稱為快速短行程磨削，這種方法是以高的工作臺速度和高的加速度進行磨削加工。傳動方式由原來的直流電機齒帶或滾珠絲杠傳動變?yōu)椴捎弥本€電機驅動，其運動速度更快，效率更高，應用范圍更廣。近幾年，歐洲高速行程磨削得到較快的進步，實現(xiàn)了 2 個目標——減少加工費用 40%和減少磨削時間 50%。從磨削機理看，高速行程磨削不是一種全新的加工方式，而是平面磨削的變型或是平面磨削的延伸?？傊?，高速行程磨削技術是一種新的有效的平面磨削方法。磨削加工中心的小型化、實用化和復合化，磨削加工中心的發(fā)展已有多年的，隨著磨削加工技術和計算機技術的不斷進步，磨削加工中心的制造水平不斷提高。磨削加工中心是一種柔性的磨削加工系統(tǒng)，它的技術基礎是機電一體化和計算機技術。磨削加工中心一般可分為加工中心延長型和常規(guī)磨床延長型二種。國外機床制造企業(yè)都有強大的自主創(chuàng)新能力，在每屆重要的機床展覽會上都能發(fā)現(xiàn)新的亮點。例如在 2005 年的歐洲機床展覽會上，MAEGERLE 公司展出了一臺最新的 MFP 數(shù)控磨床，該機在世界上首次采用最新的驅動技術和西門子最新一代的 SINUMERIK 在線控制的數(shù)控裝置。其最大的優(yōu)點是：最大的阻尼特性和進給力，加上在絲杠軸和螺母之間無磨損的運行。此外，與直線驅動相比，能量消耗要低 10 倍以上，不會產(chǎn)生任何熱量精度作為平面磨床的一項重要的考核指標而越來越受到各國專家的重視，因此平面磨床加工精度有了新的突破。微米以下進給機構是超精密平面磨床的關鍵技術之一。目前，很多平面磨床己實現(xiàn)了最小進給量 0．1μm，各國制造廠為實現(xiàn)這種微小進給一般都采用精密數(shù)控系統(tǒng)，最大限度地縮短進給傳動鏈等措施來滿足機床這一要求。1.4 PM500 平面磨床的工作原理現(xiàn)代平面磨床的種類很多，有立軸圓臺式平面磨床、立軸矩形式平面磨床、臥軸圓臺式平面磨床、臥軸圓臺式平面磨床。 PM500 為立軸圓臺式平面磨床，利用砂輪的端面進行磨削加工。磨頭在作旋轉運動的同時，作垂直方向的升降運動。下降運動依靠磨頭自身的重力實現(xiàn)，而上升運動依靠絲杠的帶動實現(xiàn)，工作臺帶動工件作旋轉運動，從而進行對工件的磨削加工。平面磨床是光學玻璃精加工的主要設備，國產(chǎn)光學磨床普遍存在精度底，自動化程度底，工作環(huán)境差等缺點，平面磨床工作臺是保證光學零件精度的關 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 4鍵部件，實現(xiàn) PM500 平面磨床工作臺設計，提高設計精度，對提高我國光學玻璃的制造水平有一定的現(xiàn)實意義，具有提高經(jīng)濟效益和社會效益的重要意義。 1.5PM5OO 傳動系統(tǒng)圖 1.1 傳動系統(tǒng)示意圖磨床傳動系統(tǒng)如圖 1.1 所示，它的驅動源是三相異步電動機。電動機是安置于主軸箱內，主要負責主軸系統(tǒng)的上下移動，由一級帶輪的一個分支通過以上的傳動系統(tǒng)驅動磨床工作臺。1.6 磨頭機構及其主軸組件的研究現(xiàn)狀磨頭機構是磨床的核心機構，它的性能好壞直接決定著磨床的加工質量和精度，而其中最核心的即主軸組件，主軸組件的性能主要有如下幾個方面：受力變形、固有頻率、頻率響應、臨界轉速等。國內外許多學者針對主軸組件做了很多研究。早在1964年，Bollinger將軸承模擬為一個簡單的徑向彈簧和阻尼器，采用有限差分模型分析了車床主軸的特性。Taha使用理論和實驗相結合的方法，研究了滾動軸承徑向靜態(tài)剛度。1985年，Neddy和Sharo應用有限元模型研究車床主軸的動態(tài)特性及其設計。1988年，Sadeghipo將動柔度分析引入對主軸系統(tǒng)的動力特牲和動態(tài)設計的研究之中。1997年，美國普渡大學的Bert．R．Jorgensen和Ytmg．C．Shintlul推出了一個包括熱變形的軸承載荷變形模型，并與離散的主軸動態(tài)模型結合在一起，這一模型可以得到主軸固有頻率、軸承剛度和熱變形的較好的計算值。同年Tsutsumi等人研究了滾動軸承的動態(tài)性能對主軸振動特性的影響，YhlandLlu建立了僅受球軸承幾何缺陷激勵的無阻尼主軸——軸承系統(tǒng)的線性分析模型，該模型在主軸的中、低速有效。我國的學者也在該領域進行了研究，采用的方法有理論分析計算、動態(tài)試驗以及二者相結合等。何邦貴等糾對主軸系統(tǒng)動力特性研究是以某車床主軸為 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 5研究對象，應用有限元析法和實驗方法，根據(jù)動柔度實驗數(shù)據(jù)辨識出主軸系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，建立主軸和支撐系統(tǒng)的動力學模型。采用計算機仿真技術，研究軸承等效徑向(軸向)剛度與阻尼參數(shù)、軸承預緊力、跨距、附加集中質量和阻尼等設計參數(shù)對主軸系統(tǒng)動力特性的影響規(guī)律。1992年，江蘇工學院的付華應用試驗模態(tài)分析與有限元計算相結合的方法，對傳統(tǒng)主軸部件進行了動力特性分析，并對主軸進行了動力修改。1994年，大連理工大學的肖曙紅I州用有限元結合迭代的分析方法，編制了主軸組件靜動特性分析軟件SAAS。1999年，北京工業(yè)大學的費仁元等叫采用實驗方法對復雜的主軸部件進行了動態(tài)特性分析。2000年，沈陽工業(yè)學院的史安娜等對主軸部件建立了空間梁單元模型，并在此基礎上對其靜動態(tài)特性進行了分析。同年，北京理工大學的劉素華利用有限元分析軟件ALGOR FEAS對電主軸的動靜態(tài)特性進行了分析。2001年，楊曼云等利用MSC．Nastran軟件對TH6350臥式加工中心的主軸系統(tǒng)進行了靜、動態(tài)特性分析。武漢理工大學的楊光等利用傳遞矩陣法對電主軸系統(tǒng)進行了動力學特性分析。2003年，無錫機床股份有限公司的蔡英等M叫基于RiccaRi傳遞矩陣法，對MK2120A型內圓磨床的高速主軸系統(tǒng)進行了動力學特性分析。2005年，東北大學的賈振超瞄”利用ANSYS虛擬樣機有限元分析與實驗模態(tài)相結合的方法CKS6125機床進行了動態(tài)性能分析。對于磨床的專門主軸系統(tǒng)，天津市磨床總廠的王玉新1221通過實驗對高效率，強力磨削磨床的抗振性進行了研究。2002年，天津大學的楊志永口馴對數(shù)控臥軸矩形平臺平面磨床的主軸系統(tǒng)進行了抗振性研究，并通過設計主軸減振裝置使主軸的振動最大幅值降低了30％左右。2003年湖州市城市規(guī)劃設計研究院的陸琴新1241以working model和VC++為平臺，對磨床主軸性能進行了仿真分析。宋德儒等瞄川以實驗方法對高速實驗磨床電主軸高速旋轉時振動的原因進行了研究，并對其結構進行了改進。 2 主軸組件的受力與支承軸承剛度 62 主軸組件的受力與支承軸承剛度2.1 主軸組件的受力分析主軸組件依托磨頭機構在絲杠作用下沿導軌作豎直方向的進給運動,除自重外主要承受兩種外力：皮帶傳動過程中對主軸產(chǎn)生的軸壓力；磨削過程中的磨削力。2.1.1 動力及工況簡介磨頭的動力傳動方式為帶傳動：電機一皮帶一皮帶輪一花鍵副一主軸～砂輪，電機為5.5Kw,皮帶為3根普通v帶(A型),實現(xiàn)的主軸轉速為2000轉／分。2.1.2 帶傳動產(chǎn)生的軸壓力帶傳動的軸壓力計算依據(jù)于“槽面摩擦原理”：在同樣的張緊力下,V 帶傳動較平帶傳動能產(chǎn)生更大的摩擦力。P =P (2.1)dAK?(2.2)ooaD3.5718012????(2.3)20).(5qvkzvpFad?(2.4)sin210?式中：P—— 電機功率——設計功率dp——工況系數(shù)AK——小帶輪包角1?——大帶輪直徑2D——帶輪直徑1a——帶輪中心距 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 7——單根皮帶拉力0Fz——皮帶根數(shù)v——帶速( 其中 為小帶輪轉速),/106smnDv???1n——小帶輪包角正系數(shù)aKq——V 帶單位長度質量F——軸壓力對于本課題,P=5.5Kw, =363mm, =145mm,a=500m,z=3,q=0.10Kg／m ，2D1取工況系數(shù) =1.2,將(2.1)(2.2)(2.3)式計算的結果代入(2.4)式可計算出軸壓力aKF=1712N。2.2 主軸支承軸承的剛度分析機床主軸支承一般都是采用滾動軸承,主軸的支承剛度是最重要的參數(shù)之一,它直接影響到動力學模型的精確度。剛度是主軸軸承動態(tài)性能的主要評價指標,軸承的動態(tài)性能對主軸軸承系統(tǒng)的工作精度和抗振能力有很大的影響。對于主軸系統(tǒng)來說,軸承的剛度影響約占40％左右,因此本節(jié)內容對軸承的工作狀態(tài)迸行分析。2.2.1 軸承剛度計算理論軸承抵抗外載荷作用下變形的能力稱為軸承的剛性,利用軸承剛度表示,軸承剛度是軸承在某一狀態(tài)下所受外加載荷改變量與內外套圈之間相對位移改變量的比值：LFK??其中，K——軸承剛度——外加載荷的改變量,負荷可以為力或力矩——內外套圈間的位移改變量,可以為線位移或角位移l軸承的工作狀態(tài)指軸承的轉速,內,外圈溫差,預緊力以及游隙和負荷。游隙定義為一個套圈固定,另一個套圈不受外負荷時,沿徑向或軸向從一個極限位置到另一個極限位的移動量,按照移動方向,前者稱為徑向游隙,后者稱為軸向游隙。軸承滾動體與滾道間在無載荷情況下的接觸為點接觸或線接觸,承受載荷后 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 8接觸面積隨著載荷的增大而增大。因此，軸承的剛度不是一個常數(shù),而是隨著載荷的改變而改變。位移與載荷的一般曲線關系如圖2.1,負荷較小時,負荷改變量引起位移改變量,比負荷較大時同樣的負荷改變量引起的位移改變量要大。說明在一般情況下,當負荷增加時,軸承的剛度有所增大。圖2.1軸承位移載荷關系圖滾動軸承剛度計算的理論基礎為彈性接觸理論,即赫茲接觸理論。赫茲最早研究了兩個彈性體的接觸問題,在某些簡化假設下,求得接觸面的壓力分布及其作用力的大小。赫茲的研究成果,至今仍為滾動軸承作用力和變形計算的主要依據(jù)。滾動軸承的滾動體與內外圈滾道的接觸是典型的赫茲接觸問題。為此一個滾動軸承的剛度可以按如下公式計算：K=F/( )321??其中, F——經(jīng)向載荷 ,N——軸承的徑向彈性位移,mm1?——軸承外圈與箱體的接觸變形,mm2——軸承內圈與軸徑的接觸變形,mm3?2.2.2 軸承預緊滾動軸承預緊指在安裝時使?jié)L動體與滾道保持一定的初始壓力和彈性變形, 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 9以減少工作負荷下軸承的實際變形量。適當?shù)念A緊可以提高支承剛度、提高旋轉精度、提高軸承壽命、提高軸承的阻尼和降低噪聲,同時也保證了軸承磨損之 后其徑向間隙的可補性。磨床磨頭機構如圖2.2所示：作為下支承的是一個雙列向心短圓柱滾子軸承,中間支承為一個圓柱滾子軸承(內圈有擋邊),上支承為兩個并聯(lián)的單列向心球軸承,其間有一個推力球軸承來承受預緊彈簧的軸向預緊力。作為主軸組件上支承的為雙列向心短圓柱滾子軸承,它既可以承受一定量的軸向變量載荷,也可以承受較大的徑向沖擊載荷。它的預緊是通過帶有l(wèi)：12錐度的內圈錐孔來實現(xiàn)的,見圖2.3：當內圈在主軸的錐頸上受軸向力而移動時，內圈將脹大,引起滾子包絡圓直徑 變大。滾子包絡圓直徑 與安裝后外圈滾道直2D2D徑 之差g= ,就是這種軸承的徑向預緊量(簡稱預緊量)；g>O時軸承處于1D12?預緊狀態(tài)，g[S]，該軸C截面是安全的 4 Solid Edge 三維建模 164 Solid Edge 三維建模4.1 三維設計軟件的簡介隨著計算機技術的不斷發(fā)展，機械設計和工業(yè)設計方面的自動化也隨之蓬勃發(fā)展，同時世界上也出現(xiàn)了越來越多的 CAD/CAM 設計軟件，如 Solid Edge、 Pro/Engineer、AutoCAD 等。Solid Edge 是 UGS 公司的中檔 CAD 系統(tǒng)， Solid Edge 是為機械設計量身定制的 CAD 系統(tǒng)，從零件設計、裝配設計到工程制圖，各種功能無所不在。裝配造型無以倫比，通用零件造型功能強大，專業(yè)化的鈑金、管道、焊接設計獨具特色，而制圖模塊則簡潔明了。 Solid Edge 采用了 STREAM 技術，將邏輯推理和決策分析融入到機械設計的各個過程中，動態(tài)捕捉您的設計意圖。同樣是機械設計，STREAM 技術能減少鼠標和鍵盤操作達 45%~57%，提高效率 36%。Solid Edge 采用 Para Solid 作為軟件核心，將中端 CAD 系統(tǒng)與世界上最具領先地位的實體造型引擎結合在一起，功能強大，是從事三維設計的優(yōu)秀 CAD 軟件。同時還提供了從二維視圖到三維實體的轉換工具。您無需摒棄多年來二維制圖的成果，借助 Solid Edge 就能迅速躍升到三維設計…… Solid Edge 不但是一個獨特的 CAD 系統(tǒng)，同時又是實現(xiàn)系統(tǒng)集成的基礎?；?Solid Edge 的 CAM、CAE 軟件豐富多樣，且都能與 Solid Edge 無縫結合。通過系統(tǒng)集成，就能有效地剔除冗余數(shù)據(jù)，減少從設計到產(chǎn)品的開發(fā)周期。機械 CAD 軟件 Solid Edge，是美國 EDS 公司的一款中檔機械 CAD 應用軟件，適合于有自主設計產(chǎn)品的企業(yè)（公司），如：機械制造、模具（模型）設計、薄壁箱體設計制造、船舶設計制造、飛機設計、汽車設計、三維效果設計等方面。4.2 特征建模技術的特點4.2.1 特征機械 CAD 軟件 Solid Edge 有以下特點：a.是運行在 Windows 操作系統(tǒng)上的 CAD 工具:Solid Edge 是真正的原創(chuàng) Windows 軟件。Solid Edge 與 Microsoft Office 兼容，這使得設計師們使用 CAD 系統(tǒng)時，能夠進行 Windows 下的字處理、電子報表、數(shù)據(jù)庫、演示和電子郵件包等，也能與其它 OLE 兼容系統(tǒng)集成。用戶通過幫助教程，不用培訓也可以自行掌握基本的 Solid Edge 技術?？梢哉f，Solid Edge 是一個徹底的“傻瓜型，三維 CAD 設計軟件，適合于廣大的設計人員使 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 17用。b.允許二次開發(fā) ：因為 Solid Edge 完全支持 OLE2 的標準并提供了自動化接口，用戶可以使用開發(fā)語言，如 VB 或 VC，在其之上進行二次開發(fā)，編寫具有自己企業(yè)特點的應用程序。c.具有系列連動的參變數(shù)設計和特征技術:區(qū)別于低端軟件，Solid Edge 是基于參數(shù)和特征實體造型的新一代機械設計 CAD 系統(tǒng)。它是為設計人員專門開發(fā)的易于操作的實體造型系統(tǒng)，并完全執(zhí)行設計工程師的意圖。專業(yè)設計人員完全可以利用參變數(shù)技術，完成幾乎任何機械零件或裝配件的造型，并且可以把 Solid Edge 特征保存在特征庫內供以后使用。d.容許二維轉三維自動完成:Solid Edge 通過繪制輪廓而生成實體。它的二維繪圖模塊充分體現(xiàn)了參數(shù)和變數(shù)技術的完美結合。設計人員可以在二維狀態(tài)任意徒手繪圖，毫不受約束地表達設計思想,使設計人員在概念設計時得心應手，并立刻轉成三維圖。e.基于數(shù)學關系式變量表和零件族:設計人員可以利用 Solid Edge 變量表的技術，針對一些關鍵尺寸建立數(shù)學關系式，使產(chǎn)品“活”起來。用戶只要改變關鍵尺寸，就可以得到形狀和性能各異的零件，并通過零件族的功能存儲起來。這樣，工程師設計了一個零件后，實際上是設計了一個系列的產(chǎn)品。Solid Edge 流技術使人們工作得更好，計算機運轉得更快，進而企業(yè)獲益更高,很快會回報客戶的投資。f.視覺多層次的裝配設計:Solid Edge 的裝配采用樹狀的管理方式。一個裝配件內可以包含多個子裝配件和零件，層次清楚并易于管理。Solid Edge 包含一個獨特的爆炸環(huán)境，可以在保留裝配結構和零件關系的同時，使系統(tǒng)按預先設定的方向自動爆炸裝配件。g.獨立的鈑金設計模塊:Solid Edge 的鈑金功能非常強大，包括平面特征、多重彎曲、凸緣、切割、自動展平、彎折和斜角等十余項功能，足以完成極其復雜的鈑金設計。Solid Edge的最新版本更增加了諸如打折、凹坑和特殊孔等功能，可以造出散熱器氣窗和沖壓孔等各種沖壓和冷拔特征，并能展開天圓地方類的鈑金表面。h.優(yōu)化了的模塑和鑄造設計:Solid Edge 模塑加強模塊為模塑零件造型樹立了一個新的典范。如分割零件、替換面優(yōu)化了模塑業(yè)的造型過程。模塑加強模塊還包括附加的曲面造型命令、如替換曲面、掃描和放樣，曲面命令能幫你輕松地實現(xiàn)模塑零件的造型。i.復雜造型的演示渲染功能：Solid Edge 模塑加強模塊提供了一系列新的復雜特征，專門用于較為復雜的模塑和鑄造設計的造型。設計人員可以快速完成高品質的 Solid Edge 零件和裝配件渲染功能，用于演示、設計、查詢、銷售或其它目的。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 184.3 Solid Edge 建模的操作方法4.3.1 簡單三維實體建模技術下面介紹生成簡單三維實體所用的拉伸、旋轉、掃描和混合等基本操作方法和技巧。拉伸特征是將一個用草圖描述的輪廓或橫斷面沿垂直于橫截面方向延伸一段距離后所生成的特征。草圖、拉伸方向和拉伸長度是拉伸特征的 3 要素。旋轉特征是草圖輪廓或橫斷面，繞旋轉中心線轉動掃過的軌跡所形成的特征。其中，草圖輪廓、旋轉中心線和旋轉角度構成了旋轉特征的 3 要素。掃描特征是由一組草圖輪廓或橫斷面，沿某一路徑掃掠所形成的特征。掃描路徑和掃描輪廓是掃描特征的必備要素?；旌咸卣魇且唤M空間輪廓按一定的順序，在輪廓之間進行過渡生成的特征。混合特征的生成必須具備兩個或兩個以上的輪廓，其中輪廓可以是草圖也可以是其它特征的面，甚至可以是一個點。簡單三維實體的建模方法一般可以歸納為：a. 由基本體素產(chǎn)生標準幾何體特征(方塊、圓柱、圓管、圓錐、球等特征)；b. 由滿足約束條件的截面輪廓二維草圖經(jīng)過拉伸/旋轉生成三維特征；c. 沿路徑配置的二維幾何圖形經(jīng)掃描/蒙掠生成曲面實體特征；d. 結合以上 3 種方法，利用三維實體特征間的布爾運算(交/并/差)生成新的實體。建模中參數(shù)的約束有兩種形式：一是幾何約束，包括相互平行、相互垂直、相互同心、相互共線和等長等，幾何約束是確定要素之間的幾何關系，這種約束關系（具有參數(shù)化性）在后面的設計中是保持不變的；二是尺寸約束，包括長、寬、高、角度、半徑，距離等，這種約束用于確定要素之間的尺寸大小和相對距離。4.3.2 復雜三維實體建模技術在實際建模過程中，簡單特征可能通過以上任一種方法完成；但對復雜特征，常規(guī)的特征操作已難以滿足設計的要求，這時可以采用參數(shù)和關系式等輔助工具和環(huán)形折彎、唇、螺旋掃描等高級特征功能。盡管機械產(chǎn)品的結構形式千差萬別，用途和工作原理也各不相同；但在計算機上進行三維實體建模還是有一些規(guī)律可循，特別是復雜三維實體的建模方法。復雜三維實體的建模過程一般為：零件結構分析—特征分解—基準體系分析—創(chuàng)建基本特征—創(chuàng)建附加特征。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 19a.零件結構分析：在三維建模前，一般要根據(jù)零件的總體構造特點與零件工作功能機理對零件進行結構分析，把關聯(lián)關系比較緊密的一些特征作為一個特征集，這樣可以把一個復雜零件分成幾個類似“零件”的特征集，并分析這些特征集之間的位置關聯(lián)關系，確定特征集之間的建模順序。b.特征分解：是將一個零件分解為一個具體特征的細化過程，是對復雜設計特征（或功能特征）進行體素分解，將復雜的設計特征分解為簡單的設計特征，如草圖拉伸特征，孔、倒角特征以及圓柱、方塊、圓錐等體素特征，以便進行基于特征的建模。特征分解得到的體素應滿足以下條件：一是分解后的體素具有幾何意義和工程意義；二是分解后的體素具有還原性，其布爾運算形成的特征應能還原成被分解的特征。c.創(chuàng)建基本特征：同簡單三維實體建模技術。d.創(chuàng)建附加特征：包含可疊加在基本特征中或從基本特征中剪切下來的附加特征，如孔、螺紋、倒角、圓角、退刀槽等局部特征和加強筋。4.4 主軸系統(tǒng)部分零部件建模4.4.1 主軸建模主軸系統(tǒng)主要是主軸帶動磨頭做旋轉運動，由主軸和主軸支撐和安裝在主軸上的傳動件和密封件組成，下面是主軸系統(tǒng)部分建模 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 20圖 4.1 主軸圖 4.2 小軸圖 4.3 蝸桿 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 21圖 4.4 螺釘圖 4.5 軸承支撐圖 4.6 支座的模型圖 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 22圖 4.7 花鍵軸承的模擬 5 磨床主軸的模型裝配 235.磨床主軸的模型裝配裝配設計所涉及的對象是立體的工業(yè)產(chǎn)品。裝配設計的優(yōu)劣，對于縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高設計質量，降低裝配成本有著顯著的影響。對處于設計階段的工業(yè)產(chǎn)品，比較直觀的評判是在計算機上仿真產(chǎn)品的實際裝配過程，實現(xiàn)由可視化方式展開并改進產(chǎn)品性能的目的。另外，Solid Edge 多個設計師在同一裝配件并行工作時，可以隨時看到其他設計師的工作情況在完成磨床主軸的零件建模之后,就可以進行裝配了?？梢灾苯佑?Solid Edge 中的快速裝配、貼合、面對齊、軸對齊、相切等命令將所有零件模型按要求先裝配成部件，然后再加以裝配形成完整主軸系統(tǒng)的模型。完成總裝配，如圖 5.1圖5.1光學磨床主軸總裝配圖模型Solid Edge中創(chuàng)建爆炸視圖，同時保持裝配件結構和零件的相互關系。如圖5.2 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 24圖 5.2 光學磨床主軸設計三維爆炸圖 6 結論 256 結論通過PM500平面磨床主軸系統(tǒng)模態(tài)分析，可以得出主軸的工作轉速遠低于主軸的臨界轉速，主軸在工作時不會發(fā)生共振。從主軸的各階固有振型可以看出，主軸在按固有振型振動時，砂輪的安裝端變形較小，振動量值也小，所以主軸對于磨削加工中所造成的誤差很小，驗證了主軸設計的合理性。主軸的模態(tài)頻率能夠用來預測機床各運動部件之間的動態(tài)干擾的可能性，通過合理的結構設計可避開共振頻率，這為機床主軸系統(tǒng)的設計改進提供有力的理論依據(jù)和改進思路。對主軸部件結構的改進設計后，主軸的空心結構引入了仿生學設計理論，液體靜壓軸承的應用，消除了滾動軸承支承主軸由于軸承外套內孔、內圈外徑及滾動體的形狀誤差所引起的主軸回轉中心產(chǎn)生的“飄移”現(xiàn)象，使主軸的回轉精度得到極大的提高。砂輪主軸采用花鍵聯(lián)接，大大減小了主軸中心的傾斜程度，減小了主軸的振動。新的結構設計改善了影響主軸部件精度的諸多因素，可提高PM500平面磨床的加工精度、加工質量和生產(chǎn)效率。 參考文獻 26參考文獻[1] 機械設計手冊[M]（同類書籍） [2] 李哲, 新編中文 AutoCAD 2005 機械設計短期培訓教程,西北工業(yè)大學出版社,2005.4 [3] 尹常治，機械設計制圖[M]. 高等教育出版社,2004.10 [4] 馬保吉，機械設計基礎[N]. 機械工業(yè)出版社,2005.9 [5] 孔慶華，機械設計基礎[M]. 同濟大學出版社,2004.7 [6]《機床設計手冊》編寫組編機床設計手冊[M]. 第四冊：液壓、氣動系統(tǒng)設計及機床現(xiàn)代設計方法北京：機械工業(yè)出版社,1997 [7] 機床故障診斷與檢修叢書編委會編，磨床常見故障診斷與檢修 [N]. 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