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寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床基礎(chǔ)件的設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
磨床可以加工各種表面，如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開線齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床可進(jìn)行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以進(jìn)行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進(jìn)行切斷等，工藝范圍十分廣泛。
磨床可以加工各種表面，如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開線齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床的種類很多，按其工作性質(zhì)可分為：外圍磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床，工具磨床以及一些專用磨床。如螺紋磨床、球面磨床、花鍵磨床、高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床與無心磨床等。高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床就是一種按照工作性質(zhì)劃分出來的磨床。
本文主要是對(duì)高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。
關(guān)鍵詞：高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床，磨床，磨床設(shè)計(jì)
III
Abstract
The grinder can process a variety of surfaces, such as inner, outer cylindrical surface and a conical surface, plane, tooth profile of involute spiral surface and various surface, forming surface. The grinder can be hogging machining, rough machining, finish machining and ultra precision machining, can be a variety of high hard, superhard materials processing, can also be grinding tool and cutting process, a very wide range of.
The grinder can process a variety of surfaces, such as inner, outer cylindrical surface and a conical surface, plane, tooth profile of involute spiral surface and various surface, forming surface. Grinder of many types, according to the nature of their work can be divided into: external grinder, internal grinder, surface grinder, grinding machine tools and some special grinding machine. Thread grinder, grinding machine, such as spherical spline grinding machine, grinder and centerless grinder. Rail grinding machine is a kind of according to the nature of the work out of the grinder.
This paper is mainly about the design and research of guideway grinder.
Key Words: Rail grinding machine, grinding machine, grinding machine design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒 論 1
1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 2
1.4論文研究的主要內(nèi)容 8
第2章 高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床總體方案設(shè)計(jì) 9
2.1 機(jī)床的設(shè)計(jì)要求 9
2.2 設(shè)計(jì)方案 9
2.3 本章小節(jié) 11
第3章 立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.1 立柱的結(jié)構(gòu)選型與三維建模 12
31.1 三維設(shè)計(jì)應(yīng)用的趨勢(shì) 12
3.1.2 選擇三維設(shè)計(jì)軟件的關(guān)鍵考慮因素 13
3.1.3 SolidWorks的功能 13
3.2 立柱結(jié)構(gòu)的有限元分析 13
第4章 床身、橫梁設(shè)計(jì) 21
4.1 床身結(jié)構(gòu) 21
4.1.1 對(duì)床身結(jié)構(gòu)的基本要求 21
4.1.2 床身的結(jié)構(gòu) 22
4.2橫梁設(shè)計(jì) 23
4.3橫梁有限元分析 25
4.4 本章小節(jié) 27
結(jié) 論 28
參考文獻(xiàn) 29
致 謝 30
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒 論
1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)人類社會(huì)最偉大的科技成果是計(jì)算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)在機(jī)械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進(jìn)步。自從1952年美國(guó)第１臺(tái)數(shù)控銑床問世至今已經(jīng)歷了50個(gè)年頭。
數(shù)控設(shè)備包括：車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以及各類專機(jī)，形成龐大的數(shù)控制造設(shè)備家族，每年全世界的產(chǎn)量有10～20萬(wàn)臺(tái)，產(chǎn)值上百億美元。 世界制造業(yè)在20世紀(jì)末的十幾年中經(jīng)歷了幾次反復(fù)，曾一度幾乎快成為夕陽(yáng)工業(yè)，所以美國(guó)人首先提出了要振興現(xiàn)代制造業(yè)。90年代的全世界數(shù)控機(jī)床制造業(yè)都經(jīng)過重大改組。如美國(guó)、德國(guó)等幾大制造商都經(jīng)過較大變動(dòng)，從90年代初開始已出現(xiàn)明顯的回升，在全世界制造業(yè)形成新的技術(shù)更新浪潮。如德國(guó)機(jī)床行業(yè)從2000年至今已接受３個(gè)月以后的訂貨合同，生產(chǎn)任務(wù)飽滿。
我國(guó)數(shù)控機(jī)床制造業(yè)在80年代曾有過高速發(fā)展的階段，許多機(jī)床廠從傳統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)向數(shù)控化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型。但總的來說，技術(shù)水平不高，質(zhì)量不佳，所以在90年代初期面臨國(guó)家經(jīng)濟(jì)由計(jì)劃性經(jīng)濟(jì)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)移調(diào)整，經(jīng)歷了幾年最困難的蕭條時(shí)期，那時(shí)生產(chǎn)能力降到50％，庫(kù)存超過４個(gè)月。從1995年“九五”以后國(guó)家從擴(kuò)大內(nèi)需啟動(dòng)機(jī)床市場(chǎng)，加強(qiáng)限制進(jìn)口數(shù)控設(shè)備的審批，投資重點(diǎn)支持關(guān)鍵數(shù)控系統(tǒng)、設(shè)備、技術(shù)攻關(guān)，對(duì)數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)起到了很大的促進(jìn)作用，尤其是在1999年以后，國(guó)家向國(guó)防工業(yè)及關(guān)鍵民用工業(yè)部門投入大量技改資金，使數(shù)控設(shè)備制造市場(chǎng)一派繁榮。從2000年８月份的上海數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)和2001年４月北京國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，也可以看到多品種產(chǎn)品的繁榮景象。
數(shù)控技術(shù)經(jīng)過50年的２個(gè)階段和６代的發(fā)展： 第１階段：硬件數(shù)控（NC） 第１代：1952年的電子管 第２代：1959年晶體管分離元件 第３代：1965年的小規(guī)模集成電路。第２階段：軟件數(shù)控（CNC） 第４代：1970年的小型計(jì)算機(jī) 第５代：1974年的微處理器 第６代：1990年基于個(gè)人PC機(jī)（PC-BASEO） 第６代的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)主要有：
（１） 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可達(dá)到５萬(wàn)小時(shí)以上；
（2） 提供了開放式基礎(chǔ)，可供利用的軟、硬件資源豐富，使數(shù)控功能擴(kuò)展到很寬的領(lǐng)域（如CAD、CAM、CAPP，連接網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、攝影機(jī)等）；
（3） 對(duì)數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠來說，提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，簡(jiǎn)化了硬件。 目前，國(guó)際上最大的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠是日本FANUC公司，１年生產(chǎn)５萬(wàn)套以上系統(tǒng)，占世界市場(chǎng)約40％左右，其次是德國(guó)的西門子公司約占15％以上，再次是德海德漢爾，西班牙發(fā)格，意大利菲亞，法國(guó)的ＮＵＭ，日本的三菱、安川。
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)
隨著機(jī)械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增多，磨削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動(dòng)化磨床等方向發(fā)展[4]，如用于超精密磨削的樹脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達(dá)0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達(dá)400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為40－60m/s；從精度上看，定位精度＜2μm，重復(fù)定位精度≤±1μm的機(jī)床已越來越多；從主軸轉(zhuǎn)速來看，8.2kw主軸達(dá)60000r/min，13kw達(dá)42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。
北京第二機(jī)床廠引進(jìn)日本豐田工機(jī)公司先進(jìn)技術(shù)并與之合作生產(chǎn)的GA（P）62－63數(shù)控外圓/數(shù)控端面外圓磨床，砂輪架采用原裝進(jìn)口，砂輪線速度可達(dá)60m/s，砂輪架主軸采用高剛性動(dòng)靜壓軸承提高旋轉(zhuǎn)精度，采用日本豐田工機(jī)公司GC32－ECNC磨床專用數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)二軸（X和Z）到四軸（X、Z、U和W）控制。
此外，對(duì)磨床的環(huán)保要求越來越高，絕大部分的機(jī)床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼，絕對(duì)沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機(jī)和切削液處理機(jī)系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)環(huán)保越來越高的要求。
1.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展
隨著機(jī)械制造生產(chǎn)模式的演變,對(duì)機(jī)械制造裝備提出了不同的要求.在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動(dòng)化程度,進(jìn)行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”實(shí)現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從90年代開始，為了對(duì)世界生產(chǎn)進(jìn)行快速響應(yīng)，逐步實(shí)現(xiàn)社會(huì)制造資源的快速集成，要求機(jī)械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實(shí)制造和快速成形制造技術(shù)。
工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對(duì)比之下，我國(guó)目前機(jī)械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動(dòng)化程度基本上還是“一個(gè)工人，一把刀，一臺(tái)機(jī)床”，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國(guó)同工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個(gè)方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重。
數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向 六個(gè)方面：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速、高精度、符合、環(huán)保。目前德國(guó)和瑞士的機(jī)床精度最高，綜合起來，德國(guó)的水平最高，日本的產(chǎn)值最大。美國(guó)的機(jī)床業(yè)一般。中國(guó)大陸、韓國(guó)。臺(tái)灣屬于同一水平。但就門類、種類多少而言，我們應(yīng)該能進(jìn)世界前4名。
數(shù)控系統(tǒng) 由顯示器、控制器伺服、伺服電機(jī)、和各種開關(guān)、傳感器構(gòu)成。目前世界最大的三家廠商是：日本發(fā)那客、德國(guó)西門子、日本三菱；其余還有法國(guó)扭姆、西班牙凡高等。國(guó)內(nèi)由華中數(shù)控、航天數(shù)控等。國(guó)內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)剛剛開始產(chǎn)業(yè)化、水平質(zhì)量一般。高檔次的系統(tǒng)全都是進(jìn)口。 華中數(shù)控這幾年發(fā)展迅速，軟件水平相當(dāng)不錯(cuò)，但差就差在電器硬件上，故障率比較高。華中數(shù)控也有意向數(shù)控機(jī)床業(yè)進(jìn)軍，但機(jī)床的硬件方面不行，質(zhì)量精度一般。目前國(guó)內(nèi)一些大廠還沒有采用華中數(shù)控的。廣州機(jī)床廠的簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)也不錯(cuò)。 我們國(guó)家機(jī)床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。
機(jī)床精度 1.機(jī)械加工機(jī)床精度分靜精度、加工精度（包括尺寸精度和幾何精度）、定位精度、重復(fù)定位精度等5種。 2.機(jī)床精度體系：目前我們國(guó)家內(nèi)承認(rèn)的大致是四種體系：德國(guó)VDI標(biāo)準(zhǔn)、日本JIS標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)標(biāo)GB，國(guó)標(biāo)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)差不多。3.看一臺(tái)機(jī)床水平的高低，要看它的重復(fù)定位精度，一臺(tái)機(jī)床的重復(fù)定位精度如果能達(dá)到0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計(jì)法),就是一臺(tái)高精度機(jī)床，在0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計(jì)法)以下，就是超高精度機(jī)床，高精度的機(jī)床，要有最好的軸承、絲杠。4.加工出高精度零件，不只要求機(jī)床精度高，還要有好的工藝方法、好的夾具、好的刀具。
目前世界著名機(jī)床廠商在我國(guó)的投資情況 1. 2000年，世界最大的專業(yè)機(jī)床制造商馬扎克（MAZAK）在寧夏銀川投資建了名為“寧夏小巨人機(jī)床公司”的機(jī)床公司，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心和車銑復(fù)合中心。機(jī)床質(zhì)量不錯(cuò)，目前效益良好，年產(chǎn)600臺(tái)，目前正在建2期工程，建成后可以年產(chǎn)1200臺(tái)。 2. 2003年，德國(guó)著名的機(jī)床制造商德馬吉在上海投資建廠，目前年組裝生產(chǎn)數(shù)控車床和立式加工中心120臺(tái)左右。 3. 2002年，日本著名的機(jī)床生產(chǎn)商大隈公司和北京第一機(jī)床廠合資建廠，年生產(chǎn)能力為1000臺(tái)，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心、臥式加工中心。 4.韓國(guó)大宇在山東青島投資建廠，目前生產(chǎn)能力不知。 5.臺(tái)灣省的著名機(jī)床制造商友嘉在浙江蕭山投資建廠，年生產(chǎn)能力800臺(tái)。
民營(yíng)企業(yè)進(jìn)入機(jī)床行業(yè)情況 1.浙江日發(fā)公司，2000年投產(chǎn)，生產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心。年生產(chǎn)能力300臺(tái)。 2．2004年，浙江寧波著名的鑄塑機(jī)廠商海天公司投資生產(chǎn)機(jī)床，主要是從日本引進(jìn)技術(shù)，目前剛開始，起點(diǎn)比較高。 3．2002年，西安北村投產(chǎn)，名字象日本的，其實(shí)老板是中國(guó)人，采用日本技術(shù)。生產(chǎn)小型儀表數(shù)控車床，水平相當(dāng)不錯(cuò)。
軍工企業(yè)技改情況 軍工企業(yè)得到國(guó)家撥款開始于當(dāng)年“大使館被炸”，后來臺(tái)灣阿扁上臺(tái)后，大規(guī)模技改開始了，軍工企業(yè)進(jìn)入新一輪的技改高峰，我們很多軍工企業(yè)開始停止購(gòu)買普通設(shè)備。尤其是近3年來，我們的軍工企業(yè)從歐洲和日本買了大批量的先進(jìn)數(shù)控機(jī)床。也從國(guó)內(nèi)機(jī)床廠哪里采購(gòu)了大批普通數(shù)控機(jī)床，國(guó)內(nèi)機(jī)床廠商為了迎接這次大技改，也引進(jìn)了不少先進(jìn)技術(shù)，爭(zhēng)取軍工企業(yè)的高端訂單。 聽在軍工企業(yè)的朋友講，阿扁如果再能“頂”三年，我們的整體水平會(huì)上一個(gè)臺(tái)階。 其實(shí)，胡錦濤總書記掌權(quán)以來，已經(jīng)把國(guó)防事業(yè)提到了和經(jīng)濟(jì)發(fā)展一樣的高度上，他說，我們要建立和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的國(guó)防能力，相信再過10年，隨著我國(guó)國(guó)防工業(yè)和汽車行業(yè)的發(fā)展，我們國(guó)家會(huì)誕生世界水平的機(jī)床制造商，也將會(huì)超越日本，成為世界第一機(jī)床生產(chǎn)大國(guó)。
數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國(guó)力的強(qiáng)弱。
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競(jìng)爭(zhēng)日益加劇。我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過“六五”期間的引進(jìn)，“七五”期間的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，“八五”期間的數(shù)控應(yīng)用技術(shù)研究以及“九五”期間的主數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)用，已逐步形成了以航天數(shù)控、藍(lán)天數(shù)控、華中數(shù)控和中華數(shù)控為主的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
近年來，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，數(shù)控化率也顯著提高。另一方面我國(guó)數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量也不斷提高。目前我國(guó)一部分普及型數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)較為成熟，價(jià)格合理，在國(guó)際市場(chǎng)上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)所掌握的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)較成熟，并已有成熟商品走向市場(chǎng)。
我國(guó)在數(shù)控機(jī)床高端產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得了一定的突破。目前我國(guó)已經(jīng)可以供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化的數(shù)控機(jī)床。同時(shí)，我國(guó)也已進(jìn)入世界高速數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國(guó)和高精度精密數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國(guó)的行列。目前我國(guó)已經(jīng)研制成功一批主軸轉(zhuǎn)速在8000~10000轉(zhuǎn)/分以上的數(shù)控機(jī)床。
我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)近年來大力推廣應(yīng)用CAD等信息技術(shù)，很多企業(yè)已開始和計(jì)劃實(shí)施應(yīng)用ERP、MRPⅡ和電子商務(wù)。如，濟(jì)南第二機(jī)床集團(tuán)有限公司的CAD普及率達(dá)100%，是國(guó)家級(jí)“CAD示范企業(yè)”，企業(yè)的MRPⅡ系統(tǒng)應(yīng)用也非常成功，現(xiàn)代化管理水平較高。
但是和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)在信息化技術(shù)應(yīng)用上仍然存在很多不足。
一、信息化技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，對(duì)國(guó)外技術(shù)依存度高。我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)總體的技術(shù)開發(fā)能力和技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，信息化技術(shù)應(yīng)用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術(shù)來源主要依靠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，對(duì)國(guó)外技術(shù)的依存度較高，對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化仍停留在掌握已有技術(shù)和提高國(guó)產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的高度。具有高精、高速、高效、復(fù)合功能、多軸聯(lián)動(dòng)等特點(diǎn)的高性能數(shù)控機(jī)床基本上還得依賴進(jìn)口。
二、產(chǎn)品成熟度較低，可行性不高。國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間在10000小時(shí)以上，國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅3000-5000小時(shí)；整機(jī)平均無故障工作時(shí)間國(guó)外達(dá)800小時(shí)以上，國(guó)內(nèi)最好只有300小時(shí)。
三、創(chuàng)新能力低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。我國(guó)生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的企業(yè)雖達(dá)百余家，但大多數(shù)未能形成規(guī)模生產(chǎn)，信息化技術(shù)利用不足，創(chuàng)新能力低，制造成本高，產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力不強(qiáng)。
隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高要求。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床信息化正朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展。
高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，我國(guó)生產(chǎn)的第六代數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)均采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度，使得高速運(yùn)算、模塊化及多軸成組控制系統(tǒng)成為可能。同時(shí)，新一代數(shù)控機(jī)床將采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。
智能化?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的智能化發(fā)展將通過對(duì)影響加工精度和效率的物理量進(jìn)行檢測(cè)、建模、提取特征、自動(dòng)感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速作出實(shí)現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對(duì)機(jī)床的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使機(jī)床的加工過程處于最佳狀態(tài)。
基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動(dòng)化。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD/CAM圖形交互式自動(dòng)編程已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，經(jīng)計(jì)算機(jī)內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和后置處理，從而自動(dòng)生成數(shù)控機(jī)床零部件加工程序，以實(shí)現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動(dòng)編程方式，其編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫(kù)獲得，推動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展。
發(fā)展可靠性最大化。數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。新一代的數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，減少元器件的數(shù)量，從而提高可靠性。同時(shí)通過自動(dòng)運(yùn)行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。
一、是高速加工技術(shù)發(fā)展迅速
?高速加工技術(shù)發(fā)展迅速，在高檔數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用新的機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，采用當(dāng)前數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
高性能功能部件，移動(dòng)部件輕量化，減少運(yùn)動(dòng)慣性。在刀具材料和結(jié)構(gòu)的支持下，從單一的刀具切削高速加工，發(fā)展到機(jī)床加工全面高速化，如數(shù)控機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速?gòu)拿糠昼妿浊мD(zhuǎn)發(fā)展到幾萬(wàn)轉(zhuǎn)、幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)；快速移動(dòng)速度從每分鐘十幾米發(fā)展到幾十米和超過百米；換刀時(shí)間從十幾秒下降到10秒、3秒、1秒以下，換刀速度加快了幾倍到十幾倍。應(yīng)用高速加工技術(shù)達(dá)到縮短切削時(shí)間和輔助時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)加工制造的高質(zhì)量和高效率。
二、是精密加工技術(shù)有所突破
??? 通過機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動(dòng)誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用等，從而提高機(jī)床加工的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度，減少形位誤差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，從1950年至2000年50年內(nèi)提升100倍。目前，精密數(shù)控機(jī)床的重復(fù)定位精度可以達(dá)到1μm，進(jìn)入亞微米超精加工時(shí)代。
三、是技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合趨勢(shì)明顯
技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是數(shù)控機(jī)床技術(shù)最活躍的發(fā)展趨勢(shì)之一，如工序復(fù)合型——車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術(shù)復(fù)合，跨加工類別技術(shù)復(fù)合——金切與激光、沖壓與激光、金屬燒結(jié)與鏡面切削復(fù)合等，目前已由機(jī)加工復(fù)合發(fā)展到非機(jī)加工復(fù)合，進(jìn)而發(fā)展到零件制造和管理信息及應(yīng)用軟件的兼容，目的在于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過程集約化管理。技術(shù)集成和復(fù)合形成了新一類機(jī)床——復(fù)合加工機(jī)床，并呈現(xiàn)出復(fù)合機(jī)床多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。
四、是數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)入了智能化的新階段
數(shù)字化控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:數(shù)字化控制技術(shù)對(duì)機(jī)床單機(jī)控制；集合生產(chǎn)管理信息形成生產(chǎn)過程自動(dòng)控制；生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和無人化工廠的智能化新階段。智能化指工作過程智能化，利用計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工過程實(shí)行智能監(jiān)控和人工智能自動(dòng)編程等。加工過程智能監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)工件裝卡定位自動(dòng)找正，刀具直徑和長(zhǎng)度誤差測(cè)量，加工過程刀具磨損和破損診斷、零件裝卸物流監(jiān)控，自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償、調(diào)整、自動(dòng)更換刀具等，智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的機(jī)械、電氣、液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動(dòng)診斷、報(bào)警、故障顯示等，直至停機(jī)處理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程故障診斷專家智能系統(tǒng)開始應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)具有在線技術(shù)后援和在線服務(wù)后援。人工智能自動(dòng)編程系統(tǒng)能按機(jī)床加工要求對(duì)零件進(jìn)行自動(dòng)加工。在線服務(wù)可以根據(jù)用戶要求隨時(shí)接通INTERNET接受遠(yuǎn)程服務(wù)。采用智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)與管理信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化的智能決策、過程適應(yīng)控制、誤差補(bǔ)償智能控制、故障自診斷和智能維護(hù)等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技術(shù)在制造系統(tǒng)上的應(yīng)用，發(fā)展成柔性制造單元和智能網(wǎng)絡(luò)工廠，并進(jìn)一步向制造系統(tǒng)可重組的方向發(fā)展。
五、是極端制造擴(kuò)張新的技術(shù)領(lǐng)域
極端制造技術(shù)是指極大型、極微型、極精密型等極端條件下的制造技術(shù)。極端制造技術(shù)是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要方向。重點(diǎn)研究微納機(jī)電系統(tǒng)的制造技術(shù)，超精密制造、巨型系統(tǒng)制造等相關(guān)的數(shù)控制造技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)的數(shù)控機(jī)床研制，如微型、高精度、遠(yuǎn)程控制手術(shù)機(jī)器人的制造技術(shù)和應(yīng)用；應(yīng)用于制造大型電站設(shè)備、大型艦船和航空航天設(shè)備的重型、超重型數(shù)控機(jī)床的研制；IT產(chǎn)業(yè)等高新技術(shù)的發(fā)展需要超精細(xì)加工和微納米級(jí)加工技術(shù)，研制適應(yīng)微小尺寸的微納米級(jí)加工新一代微型數(shù)控機(jī)床和特種加工機(jī)床；極端制造領(lǐng)域的復(fù)合機(jī)床的研制等。
1.4論文研究的主要內(nèi)容
論文主要的章節(jié)和內(nèi)容：
1.第一章綜述了高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床的發(fā)展?fàn)顩r，闡述課題提出的目的和意義，明確了本文研究的主要內(nèi)容。
2.第二章對(duì)高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床的總體進(jìn)行研究，進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)。
3.第三章對(duì)高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床主軸系統(tǒng)進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算。
5.第五章對(duì)床身工作臺(tái)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。
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第2章 高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床總體方案設(shè)計(jì)
磨床的總體設(shè)計(jì)方案由以下三部分組成：
1.技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)：主要尺寸規(guī)格、運(yùn)動(dòng)參數(shù)（轉(zhuǎn)速和進(jìn)給范圍)、動(dòng)力參數(shù)（電機(jī)功率，最大拉力）。
2.總體布局設(shè)計(jì)：相互位置關(guān)系、運(yùn)動(dòng)分析、運(yùn)動(dòng)仿真（干涉檢查）、外觀造型。
3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：整機(jī)靜剛度、整機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能、整機(jī)的熱特性。
總布局與使用要求：
1.便于同時(shí)操作和觀察。
2.刀具、工件，裝卸、夾緊方便。
3.排屑和冷卻。
2.1 機(jī)床的設(shè)計(jì)要求
本機(jī)床的設(shè)計(jì)，符合國(guó)家機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)。已定設(shè)計(jì)參數(shù)：
工作臺(tái)直徑(帶磁盤)φ1250mm，最大加工工件高度550mm，最大加工工件重量2500Kg
X軸橫向移動(dòng)行程1760mm，X1軸橫向移動(dòng)行程1300mm，Z軸垂直移動(dòng)行程650mm
Z1軸垂直移動(dòng)行程650mm，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)精度(軸向及徑向)0.0015mm
工作臺(tái)轉(zhuǎn)速(無級(jí))1-100rpm，主軸回轉(zhuǎn)精度(軸向及徑向)0.001mm
立式動(dòng)靜壓主軸最大轉(zhuǎn)速4500r/min ，臥式動(dòng)靜壓主軸最大轉(zhuǎn)速2400r/min
立式動(dòng)靜壓主軸電機(jī)功率15KW，臥式動(dòng)靜壓主軸電機(jī)功率7.5KW
X、Z、X1、Z1軸進(jìn)給分辨率0.001mm
高速高效，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，精度較高，可用于銑削板材以及多種工件等。
2.2 設(shè)計(jì)方案
我設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是工作臺(tái)移動(dòng)高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床。工作臺(tái)高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床是指工作臺(tái)作縱向移動(dòng)的龍門高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床。工作臺(tái)移動(dòng)龍門高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床的最大特點(diǎn)是：（1）造價(jià)便宜,容易制造生產(chǎn)。工作臺(tái)移動(dòng)式龍門高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床，整機(jī)長(zhǎng)度必須兩倍于縱向行程長(zhǎng)度，而移動(dòng)式龍門高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床的整機(jī)長(zhǎng)度只需縱向行程加上龍門架側(cè)面寬度即可。（2）機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。工作臺(tái)移動(dòng)式龍門高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床采用的是固定龍門架,工作臺(tái)移動(dòng)可以銑刀做切削運(yùn)動(dòng)時(shí)更加穩(wěn)定，從而保證了加工精度和機(jī)床的響應(yīng)性能。
2.2.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)
整機(jī)分為床身、龍門架、滑臺(tái)、主軸箱、三軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械部分及相關(guān)數(shù)控伺服部分。現(xiàn)把設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)闡述如下：
床身是本次設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，床身的尺寸設(shè)計(jì)影響著對(duì)整機(jī)的設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)的合理性直接影響到整機(jī)的剛度。床身的上平面即工作臺(tái)面設(shè)計(jì)有 K 條T形槽，為方便床身工作臺(tái)面和T形槽的精刨加工，槽完全貫通。床身的左、右兩下腳各設(shè)計(jì)有一個(gè)狹長(zhǎng)平面，用來安放滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。我把導(dǎo)軌面設(shè)計(jì)在床身的兩下側(cè)，主要是考慮力的傳遞方向與卸荷問題。因床身會(huì)受到龍門框架的重力、切削力和工件的重力，這樣的設(shè)計(jì)可使龍門框架的重力直接傳入到機(jī)床的基礎(chǔ)上，而床身只受到工件的重力。
龍門框架采用的是整體龍門架的設(shè)計(jì)概念，即把橫梁與左右立柱設(shè)計(jì)成一體，雖然使鑄造和裝配調(diào)整時(shí)的難度加大，但整體龍門框架的剛性更好，更重要的是使主軸箱、滑臺(tái)等部件有了裝配基準(zhǔn)。
滑臺(tái)的設(shè)計(jì)是在龍門架和主軸箱的幾何尺寸確定后，按照主軸的中心盡量貼近橫梁上的導(dǎo)軌面為原則，并把Z軸驅(qū)動(dòng)安裝位置設(shè)計(jì)在滑臺(tái)上，有效地減輕滑臺(tái)的重量。
設(shè)計(jì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)思如下：X 軸的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙邊齒輪齒條副加重預(yù)壓滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，Y 軸與 X 軸采用大直徑預(yù)壓滾珠絲杠副加硬導(dǎo)軌副，且導(dǎo)軌滑動(dòng)部分貼有工程塑料，避免低速時(shí)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而且導(dǎo)軌部分設(shè)計(jì)有斜鑲條可調(diào)裝置。這樣設(shè)計(jì)使機(jī)床的整體進(jìn)給性能得以協(xié)調(diào)，各軸的進(jìn)給速度和進(jìn)給力得到了最佳匹配。
主軸箱的上下垂直運(yùn)動(dòng)Z軸采用滾珠絲杠副傳動(dòng)。由于本機(jī)床不是高速高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床，Z軸的進(jìn)給系統(tǒng)為伺服電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)比為4的平行軸定比齒輪箱帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)。Z 軸的安全問題。首先選用帶電磁剎車的伺服電動(dòng)機(jī)，其次在滾珠絲杠上裝有一雙向超越離合器，防止?jié)L珠螺母自轉(zhuǎn)引起主軸箱機(jī)械式下垂。當(dāng)然，為了保護(hù)Z軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精度，還在滑臺(tái)上裝有兩個(gè)平衡油缸。
平衡力Q等于主軸箱部件質(zhì)量的85﹪。
主軸箱的左右移動(dòng)為Y軸，為了保證Y軸的傳動(dòng)精度，并使絲杠只受水平軸向力，故采用伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直聯(lián)方式。筆者選用的聯(lián)軸器帶有過載保護(hù)裝置，在過載時(shí)聯(lián)軸器會(huì)自動(dòng)脫開。
2.3 本章小節(jié)
本章主要講解了高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床的總理方案設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容有機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和數(shù)控部分設(shè)計(jì)，根據(jù)所給要求制定出總體設(shè)計(jì)方案。
第3章 立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 立柱的結(jié)構(gòu)選型與三維建模
機(jī)架型式有三梁四柱式、三梁雙柱式、整體框架式。通過比較這幾種型式，選擇整體框架式機(jī)架。整體焊接式框架是常見的型式，組成一個(gè)剛性的封閉框架，承受全部工作載荷。
圖5－1立柱的結(jié)構(gòu)
立柱的設(shè)計(jì)老師建議采用三維建模的形式進(jìn)行。
31.1 三維設(shè)計(jì)應(yīng)用的趨勢(shì)
三維設(shè)計(jì)即實(shí)體建模技術(shù)。比較二維軟件，三維軟件的革新之處在于：
1、產(chǎn)品形象直觀，方便理解，不易出錯(cuò)。
2、可評(píng)估配合和公差，易于糾錯(cuò)。
3、能設(shè)計(jì)大型裝配。
4、創(chuàng)建即時(shí)工程圖。可根據(jù)所設(shè)計(jì)的實(shí)體模型自動(dòng)創(chuàng)建等軸測(cè)視圖、爆炸視圖、局部視圖和剖面視圖。
5、方便修改設(shè)計(jì)。三維設(shè)計(jì)中工程圖相互關(guān)聯(lián)。對(duì)實(shí)體模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行更改時(shí)，可自動(dòng)更改所有相關(guān)工程圖和關(guān)聯(lián)視圖。
6、在下游的工程和制造工作可使用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，提高產(chǎn)品制造效率
三維設(shè)計(jì)軟件的集成模塊可直接將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)力分析、切削創(chuàng)建和數(shù)控編程。
7、電子模型節(jié)省制造樣機(jī)的時(shí)間和成本。由于上述功能，自上世紀(jì)90年代起，國(guó)際CAD設(shè)計(jì)領(lǐng)域已逐漸轉(zhuǎn)向三維技術(shù)。下圖按用戶數(shù)量比例列出了11種主流CAD設(shè)計(jì)軟件，其中三維數(shù)據(jù)格式已占大部分。
據(jù)國(guó)外用戶的資料，三維實(shí)體建模技術(shù)的應(yīng)用有效縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和削減開發(fā)成本。應(yīng)用三維軟件也有助于國(guó)際間數(shù)據(jù)的交流。為與國(guó)際的接軌，應(yīng)用三維設(shè)計(jì)已是勢(shì)在必行。
3.1.2 選擇三維設(shè)計(jì)軟件的關(guān)鍵考慮因素
1、是否易于使用
早期三維軟件較為復(fù)雜，學(xué)習(xí)和培訓(xùn)周期長(zhǎng)，不易操作。隨著技術(shù)的改進(jìn)，現(xiàn)在已出現(xiàn)了SolidWorks等較為操作的三維軟件，其易用性好于平面AutoCAD。
2、設(shè)計(jì)效率是否高效
3、雙向關(guān)聯(lián)性和參數(shù)化設(shè)計(jì)能力
雙向關(guān)聯(lián)是指模型的所有元素都是相互關(guān)聯(lián)。在裝配體模型、工程圖、局部視圖和物料清單之間都是雙向。一旦對(duì)其中的任何數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，都將在所有關(guān)聯(lián)文件中自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)更改。
參數(shù)化設(shè)計(jì)在創(chuàng)建設(shè)計(jì)模型時(shí)，所有特征和尺寸作為設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行保存。通過修改參數(shù)值可以迅速更改設(shè)計(jì)。
4、設(shè)計(jì)大型裝配的能力
5、與Office等桌面效率工具的集成程度
6、輔助工具。是否具備分析工具、設(shè)計(jì)交流等工具，并與輔助工具集成。
7、應(yīng)用基礎(chǔ)。應(yīng)用的廣泛程度和教育教學(xué)方面的廣泛程度。
3.1.3 SolidWorks的功能
從功能和需求角度綜合評(píng)估，SolidWorks是較好的一種三維設(shè)計(jì)工具。理由如下：
1、應(yīng)用基礎(chǔ)廣泛。SolidWorks是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣的設(shè)計(jì)格式。多數(shù)學(xué)校已將SolidWorks列入教學(xué)。
2、方便易用。
3、功能特性較為齊全。
4、提供多種文件轉(zhuǎn)換程序，方便管理舊有二維數(shù)據(jù)。特別面向AutoCAD，提供對(duì)DWG格式文件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的插件。
5、提供零件庫(kù)功能，節(jié)省設(shè)計(jì)資源。設(shè)計(jì)中來自外購(gòu)的零件大部分可從SolidWorks在線零件庫(kù)選取。
6、設(shè)計(jì)功能與分析功能集成，方便設(shè)計(jì)驗(yàn)證
3.2 立柱結(jié)構(gòu)的有限元分析
COSMOS為 SolidWorks 用戶提供了一容易使用的有限元分析工具。COSMOS通過在計(jì)算機(jī)上測(cè)試您的設(shè)計(jì)而取代昂貴并費(fèi)時(shí)的實(shí)地測(cè)試可幫助您降低成本及上市時(shí)間。SolidWorks公司推出COSMOS 2007分析軟件，將驗(yàn)證這步驟整合到設(shè)計(jì)過程中，讓設(shè)計(jì)者可輕易尋找和糾正設(shè)計(jì)中可能存在的缺陷。利用SolidWorks2007自帶的有限元分析軟件COSMOS對(duì)立柱單側(cè)承載梁進(jìn)行加載分析,模擬本試驗(yàn)臺(tái)的最大工作載荷。
圖3－2 啟動(dòng)COSMOSXpress
1.材料
號(hào)數(shù)
零件名稱
材料
質(zhì)量
體積
1
立柱
[SW]灰鑄鐵
4421.34 kg
0.5742 m^3
圖3－3 選擇材料
2.載荷和約束信息
約束
假設(shè)一端固定 <框架單側(cè)承載梁>
于1面immovable (no translation).
圖5－4 設(shè)定約束
載荷
加載壓力 <框架單側(cè)承載梁>
于 1 面 應(yīng)用法向力 -8.5e+006 N使用均勻分布
圖5－6 填寫載荷大小
算例屬性
網(wǎng)格信息
網(wǎng)格類型:
實(shí)體網(wǎng)格
所用網(wǎng)格器:
標(biāo)準(zhǔn)
自動(dòng)過渡:
關(guān)閉
光滑表面:
打開
雅各賓式檢查:
4 Points
單元大小:
83.118 mm
公差:
4.1559 mm
品質(zhì):
高
單元數(shù):
16439
節(jié)數(shù):
33478
完成網(wǎng)格的時(shí)間(時(shí);分;秒):
00:00:16
計(jì)算機(jī)名:
4FB67FB0EBB24EE
解算器信息
品質(zhì):
高
解算器類型:
自動(dòng)
圖5－7 采用系統(tǒng)默認(rèn)網(wǎng)格劃分設(shè)置
圖5－8 COSMOSXpress運(yùn)行分析中
4結(jié)果（圖5－9）
圖5－9 顯示分析結(jié)果
應(yīng)力（圖5－10）
名稱
類型
最小
位置
最大
位置
圖解1
VON:von Mises 應(yīng)力
8.53554e+007 N/m^2
(540 mm,
-101.25 mm,
0 mm)
1.98313e+008 N/m^2
(-15 mm,
285 mm,
-41.3532 mm)
圖5－10 框架應(yīng)力分析結(jié)果
位移（圖5－11）
名稱
類型
最小
位置
最大
位置
圖解2
URES:合位移
0 mm
(0 mm,
0 mm,
0 mm)
8.52536 mm
(-30 mm,
-315 mm,
-11000 mm)
6.結(jié)論
通過模擬本試驗(yàn)臺(tái)的最大加載載荷，單側(cè)最大承載8500kN。通過COSMOSXpress對(duì)立柱單側(cè)承載梁進(jìn)行加載分析，結(jié)果安全系數(shù)為3.12851，完全滿足本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)出定的安全系數(shù)1.5的要求。所以本框架的結(jié)構(gòu)可行。
圖5－11 框架位移分析結(jié)果
7.附錄
材料名稱:
[SW]碳素鋼
材料來源:
所使用的 SolidWorks 材質(zhì)
材料模型類型:
線性彈性同向性
屬性名稱
數(shù)值
單位
彈性模量
2.1e+011
N/m^2
泊松比
0.28
NA
質(zhì)量密度
7700
kg/m^3
屈服強(qiáng)度
6.2042e+008
N/m^2
COSMOSXpress 設(shè)計(jì)分析結(jié)果基于線性靜態(tài)分析，且材料設(shè)想為同象性。 線性靜態(tài)分析設(shè)想:材料行為為線性，與 Hooke 定律相符。誘導(dǎo)位移很小以致由于載荷可忽略剛性變化。載荷緩慢應(yīng)用以便忽略動(dòng)態(tài)效果。
第4章 床身、橫梁設(shè)計(jì)
4.1 床身結(jié)構(gòu)
4.1.1 對(duì)床身結(jié)構(gòu)的基本要求
機(jī)床的床身是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支持件，一般用來放置導(dǎo)軌，主軸箱等重要部件。為了滿足數(shù)控機(jī)床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動(dòng)化程度的要求，與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床應(yīng)有高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振性。
一、對(duì)數(shù)控機(jī)床的床身主要在以下3 個(gè)方面提出了更高的要求：
1．很高的精度和精度保持性
在床身上有很多安裝零部件的加工面和運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面，這些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要長(zhǎng)時(shí)間保持。另外，機(jī)床在切削加工時(shí)，所有的靜、動(dòng)載荷最后往往都傳到床身上，所以，床身受力很復(fù)雜。為此，為保證零部件之間的相互位置或相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度，除了滿足幾何尺寸位置等精度要求外，還需要滿足靜、動(dòng)剛度和抗振性、熱穩(wěn)定性、工藝性等方面的技術(shù)要求。
2．應(yīng)具有足夠的靜、動(dòng)剛度
靜剛度包括：床身的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施，最后達(dá)到有較高的剛度-質(zhì)量比。動(dòng)剛度直接反映機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，為了保證機(jī)床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動(dòng)及自激振動(dòng)的能力，可以通過適當(dāng)?shù)脑黾幼枘?、提高固有頻率等措施避免共振及因薄壁振動(dòng)而產(chǎn)生噪音。
3．較好的熱穩(wěn)定性
對(duì)數(shù)控機(jī)床來說，尤其是高精度數(shù)控機(jī)床，熱穩(wěn)定性已經(jīng)成了一個(gè)突出問題，必須在設(shè)計(jì)上要做到使整機(jī)的熱變形小，或使熱變形對(duì)加工精度的影響小。熱變形將直接影響機(jī)架的原有的精度，從而是產(chǎn)品精度下降，如立軸矩臺(tái)平面磨床，立柱前臂的溫度高于后臂，是立柱后傾，其結(jié)果磨出的零件工作表面與安裝基面不平行；有導(dǎo)軌的機(jī)架，由于導(dǎo)軌面與底面存在溫差，在垂直平面內(nèi)導(dǎo)軌將產(chǎn)生中凸或中凹熱變形。因此，床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使熱變形盡量小。
二、床身機(jī)架設(shè)計(jì)的一般要求 ：
1） 在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，機(jī)架的重量應(yīng)要求輕、成本低；
2） 抗振性好。把受迫振動(dòng)振幅限制在允許范圍內(nèi)；
3） 躁聲小；
4） 溫度場(chǎng)分布合理，熱變形對(duì)精度的影響?。?
5） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機(jī)械加工；
6） 結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件；
7） 有導(dǎo)軌的機(jī)架要求導(dǎo)軌面受力合理、耐磨性良好；
8） 造型好。使之既適用經(jīng)濟(jì)，有美觀大方。
4.1.2 床身的結(jié)構(gòu)
1．床身結(jié)構(gòu)
根據(jù)數(shù)控機(jī)床的類型不同，床身的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式。例如數(shù)控車床床身的結(jié)構(gòu)形式有平床身、斜床身、平床身斜導(dǎo)軌和直立床身等四種類型。
另外，斜床身結(jié)構(gòu)還能設(shè)計(jì)成封閉式斷面，這樣大大提高了床身的剛度。數(shù)控鉆高精度數(shù)控立式萬(wàn)能磨床、加工中心等這一類數(shù)控機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)與數(shù)控車床有所不同。例如加工中心的床身有固定立柱式和移動(dòng)立柱式兩種。前者一般使用于中小型立式和臥式加工中心，而后者又分為整體T形床身和前后床身分開組裝的T形床身。所謂T形床身是指床身是由橫置的前床身和與它垂直的后床身組成。整體式床身，剛性和精度保持性都比較好，但是卻給鑄造和加工帶來很大不便，尤其是大中型機(jī)床的整體床身，制造時(shí)需要大型設(shè)備。而分離式T形床身，鑄造工藝性和加工工藝性都大大改善。前后床身聯(lián)接處要刮研，聯(lián)接時(shí)用定位鍵和專用定位銷定位，然后再沿截面四周， 用大螺栓固緊。這樣聯(lián)接成的床身，再剛度和精度保持性方面，基本能滿足使用要求。這種分離式T形床身適用于大中型臥式加工中心。 由于床身導(dǎo)軌的跨距比較窄，致使工作臺(tái)在橫溜板上移動(dòng)到達(dá)行程的兩端時(shí)容易出現(xiàn)翹曲，將會(huì)影響加工精度，為了避免工作臺(tái)翹曲，有的立式加工中心增設(shè)了輔助導(dǎo)軌。
2．床身的截面形狀
數(shù)控機(jī)床的床身通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)床身的截面形狀及尺寸，采用合理布置的肋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率。床身肋板一般根據(jù)床身結(jié)構(gòu)和載荷分布情況，驚醒設(shè)計(jì)，滿足床身剛度和抗振性要求，V形肋板有利于加強(qiáng)導(dǎo)軌支承部分的剛度；斜方肋和對(duì)角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強(qiáng)床身的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設(shè)計(jì)成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。
此外，還有縱向肋板和橫向肋板，分別對(duì)抗彎剛度和抗扭剛度有明顯效果；米字形肋板和井字形肋板的抗彎剛度也較高，尤其是米字形肋板更高。
3．床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免薄壁結(jié)構(gòu)并簡(jiǎn)化表面形狀。根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體情況及要求，床身的結(jié)構(gòu)設(shè)如下：
4.床身的設(shè)計(jì)步驟
⑴根據(jù)床身上的零件、部件情況和設(shè)計(jì)要求初步確定床身及機(jī)架的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，以保證機(jī)架內(nèi)外的零件能正常運(yùn)動(dòng)
⑵根據(jù)產(chǎn)品批量和結(jié)構(gòu)形式初步確定制造方法，合理選擇材料，單件小批量的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備機(jī)架可以采用焊接和鍛喊結(jié)合的機(jī)架
⑶分析承載情況，根據(jù)承載情況合理的選擇截面形式，確定主要設(shè)計(jì)參數(shù)
⑷畫出結(jié)構(gòu)草圖，進(jìn)行必要的強(qiáng)度和剛度計(jì)算和尺寸修改
⑸對(duì)重要設(shè)備的床身，還應(yīng)該進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模擬實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。
4.2橫梁設(shè)計(jì)
梁設(shè)計(jì)的要求
與軸心受壓相仿，鋼梁設(shè)計(jì)應(yīng)考慮強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定各個(gè)方面滿足要求。
(1)梁的強(qiáng)度計(jì)算主要包括抗彎、抗剪和折算應(yīng)力等強(qiáng)度應(yīng)足夠。
(2)剛度主要是控制最大撓度不超過按受力和使用要求規(guī)定的容許值。
(3)整體穩(wěn)定指梁不會(huì)在剛度較差的側(cè)向發(fā)生彎扭失穩(wěn)，主要通過對(duì)梁的受壓翼緣設(shè)足夠的側(cè)向支承，或適當(dāng)加大梁截面以降低彎曲壓應(yīng)力至臨界應(yīng)力以下。
(4)局部穩(wěn)定指梁的翼緣和腹板等板件不會(huì)發(fā)生局部凸曲失穩(wěn)，在梁中主要通過限制受壓翼緣和腹板的寬厚比不超過規(guī)定，對(duì)組合梁的腹板則常設(shè)置加勁肋以提高其局部穩(wěn)定性。
梁的截面選擇
一、型鋼梁截面的選擇
型鋼梁截面應(yīng)滿足梁的強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定四個(gè)要求，其中強(qiáng)度包括抗彎、抗剪、局部壓應(yīng)力和折算應(yīng)力。由于型鋼截面的翼緣和腹板等板件常有足夠的厚度，一般不必驗(yàn)算局部穩(wěn)定，無很大孔洞削弱時(shí)一般也不必驗(yàn)算剪應(yīng)力。局部壓應(yīng)力和折算應(yīng)力只在有較大集中荷載或支座反力時(shí)計(jì)算。
型鋼梁設(shè)計(jì)通常是先按抗彎強(qiáng)度(當(dāng)梁的整體穩(wěn)定有保證或Mmax處截面有較多孔洞削弱時(shí))或整體穩(wěn)定(當(dāng)需計(jì)算整體穩(wěn)定時(shí))選擇型鋼截面，然后驗(yàn)算其它項(xiàng)目是否足夠，不夠時(shí)再作調(diào)整。為了節(jié)省鋼材，應(yīng)盡量采用牢固連接于受壓翼緣的密鋪面板或足夠的側(cè)向支承以達(dá)到不需計(jì)算整體穩(wěn)定的要求。
按抗彎強(qiáng)度或整體穩(wěn)定(φb值可先估計(jì)假定)選擇單向(強(qiáng)軸)彎曲梁的型鋼截面時(shí)，所需要的截面抵抗矩為：
2、腹板尺寸
梁高確定后腹板高也就確定了，腹板高為梁高減兩個(gè)翼緣的厚度，在取腹板高時(shí)要考慮鋼板的規(guī)格尺寸，一般使腹板高度為50mm的模數(shù)。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，腹板薄一些比較省鋼，但腹板厚度的確定要考慮腹板的抗剪強(qiáng)度，腹板的局部穩(wěn)定和構(gòu)造要求。從抗剪強(qiáng)度角度來看，應(yīng)滿足下式：
3、翼緣尺寸
由式5.2.1求得需要的凈截面模量，則整個(gè)截面需要的慣性矩為：
4.3橫梁有限元分析
4.4 本章小節(jié)
本章主要講述了床身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)合理性特點(diǎn)，橫梁的類型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)要求最終的選擇的類型。
結(jié) 論
短短的幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們對(duì)大學(xué)的機(jī)械知識(shí)的整體總結(jié)，也是理論與實(shí)踐的結(jié)合，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們收益非淺，這次設(shè)計(jì)，主要是對(duì)立式數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了許多新的知識(shí)。我深刻的認(rèn)識(shí)到，要想成為一名合格技術(shù)人員只掌握本專業(yè)的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們應(yīng)該具有更加淵博的知識(shí)。
沒有具體的了解，經(jīng)常會(huì)有無從下手的感覺，碰到問題只有去問老師和看相關(guān)書籍，確實(shí)雖然完成了大概模型，有許多地方還是不是完全吃透的，這需要在以后的工作學(xué)習(xí)中進(jìn)一步加深學(xué)習(xí)，期間我得到了許多教師的大力幫助。本次設(shè)計(jì)算基本符合設(shè)計(jì)要求。在此，我表示由衷地感謝！
立柱設(shè)計(jì)部分，借助于三維軟件SolidWorks 2007進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，并借助于SolidWorks 2007自帶的一款有限元分析工具COSMOS進(jìn)行了應(yīng)力分析。
具體的研究結(jié)論如下：
1.在新產(chǎn)品開發(fā)和立柱的基礎(chǔ)研究方面,通過測(cè)試可驗(yàn)證立柱技術(shù)性能是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析, 可判斷立柱的結(jié)構(gòu)方案是否合理、所用材料是否最佳, 解決立柱在設(shè)計(jì)、加工、材料等方面存在的問題; 幫助分析立柱最佳工作范圍, 以便確定液壓缸合理工況, 延長(zhǎng)立柱使用壽命。
2.制造企業(yè)對(duì)批量產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制時(shí), 通過定期和隨機(jī)抽樣測(cè)試, 驗(yàn)證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性, 消除潛在問題, 保證產(chǎn)品質(zhì)量, 提高用戶對(duì)產(chǎn)品的信任, 有助于開發(fā)和穩(wěn)固市場(chǎng)。
參考文獻(xiàn)
參考文獻(xiàn)
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致 謝
本論文是在導(dǎo)師XX的悉心指導(dǎo)下完成的，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，XX老師給了我很大的幫助，不僅讓我在規(guī)定時(shí)間能完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，還使我學(xué)到了很多有用的經(jīng)驗(yàn)。在這里我衷心的感謝她。我還要感謝這四年能教授我知識(shí)的老師們，還有曾經(jīng)幫過我的同學(xué)們。
經(jīng)過幾個(gè)月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲。由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的匱乏，本次設(shè)計(jì)難免有考慮不周的地方。如果沒有XX老師的悉心指導(dǎo)以及本組人員的支持，恐怕設(shè)計(jì)不會(huì)這么順利完成。自開題一來，XX老師一直認(rèn)真指導(dǎo)設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)，從資料的查閱到具體方案的修改，任老師都提出了寶貴的建議，讓我受益匪淺。除此之外，何老師科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和淵博的專業(yè)知識(shí)更是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣。再次對(duì)老師及本組的同學(xué)表示衷心的感謝！
畢業(yè)設(shè)計(jì)很快已經(jīng)結(jié)束了，在這段時(shí)間里，不僅僅感覺到的是忙碌，還有忙碌后作完一件令自己心動(dòng)的東西時(shí)的那種無聲的喜悅。
在寫致謝信的這個(gè)時(shí)候心里想有一些說出的東西，想想自己在做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的種種困難，在老師同學(xué)的用心幫助下也一一解決了，說句實(shí)話，憑自己的能力要作完畢業(yè)設(shè)計(jì)是有些太困難了，但是在你的身邊總有一些人會(huì)給你帶來驚喜，自己的能力畢竟有限，在面對(duì)別人無私幫助的時(shí)候我的內(nèi)心十分感激，帶自己畢業(yè)設(shè)計(jì)的王老師會(huì)有問必答，有難必解，雖然接觸不是很多，但有些東西使用心感覺的。還有好多老師在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給于我一些幫助，我非常的感激。當(dāng)然還有我身邊的那些同學(xué)，在我有疑惑的時(shí)候總是不厭其煩的給我解釋清楚。在我設(shè)計(jì)的時(shí)候，因?yàn)槲乙郧皬臎]接觸過的東西，一開始很是迷茫，我的好幾位同學(xué)都在這時(shí)候一邊忙自己的事，一邊還要在我有疑惑的時(shí)候?yàn)槲規(guī)兔Ψ治?，共同解決。最終自己終于完成了主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一部分的畢設(shè)要求?，F(xiàn)在想起來，有時(shí)候最能讓自己感動(dòng)的事就發(fā)生在自己的身邊。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅給我?guī)砹酥R(shí)上的收獲，在做人方面也教會(huì)了我許多許多，在對(duì)待事情方面，尤其是有選擇的時(shí)候自己該放棄什么，該抓住什么。什么是該自己作的，什么時(shí)候做，我明白了好多。
在此，我對(duì)給我?guī)椭睦蠋煟瑢W(xué)至以誠(chéng)摯的謝意和由衷的感激。感謝您們對(duì)我的幫助，和教會(huì)我那些人生的道理。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！
附 錄