1、沈阳理工大学学士学位论文I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
2、：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；数控加工沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractSince the 1990s, CNC machining technology has been rapidly gaining popul
3、arity 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 techn
4、ology 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 d
5、isc 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. U
6、sing 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
7、 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 t
8、he 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沈阳理工大学学士学位论文III目录摘 要 IAbstract.II1 绪 论 11.1 数控机床的发展 11.2 数控铣床的
9、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 3
10、44.2.1 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 .36沈阳理工大学学士学位论文IV4.2.5 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 A .50附 录 B .57沈阳理工大学学士学位论文11 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
11、，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(Computer number control)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-Cooperati
12、on）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
13、，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 标沈阳理工大学学士学位论文2准.、统计法),就是一台高精度机床，在 0.005mm(ISO 标准.、统计法)以下
14、，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
15、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
16、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
17、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、沈阳理工大学学士学位论文3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
18、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 Elec
19、tric） 、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
20、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沈阳理工大学学士学位论文4KUKA，FANUC 公司的 M-1iA、M-2000iA、M-71
21、0ic。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
22、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
23、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。沈阳理工大学学士学位论文51.3 刀库发展从换刀系统发展
24、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
25、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
26、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。国外最新研制沈阳理工大学学士学位论文6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
27、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
28、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
29、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
30、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、刀具轨沈阳理工大学学士学位论文7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
31、、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
32、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：沈阳理工大学学士学位论文8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）
33、 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 i 2.78,二级涡轮蜗杆减速器1传动比 i 35，则总传动比合理范围为 i 97，故电动机转速约为2an = i n=97 =1455 （2-1 ）da15minr故选取转速为 1500 的电机。初选 SM130-100-15LFB 伺服电机，其规格mir参数如下：（2）各轴转速（2-2 ）01inmir式中： 电动机满载转速；mn电动机至 轴的传动比。0i沈阳理工大学学士学位论文9以及 = （2-3 ）In101iimnr（2-4 ）2102iiII i由式（2-3 ）（2-5）得I 轴 = =1500 01inm5inrII 轴 =
34、 = 540 I101iiiIII 轴 = = 15.4 2102ininmII3578.0minr（3）各轴输入功率（2-5 ）dIPkW , （2-6 ）12IIP321kW, （2-7 ）3II 3式中 、 分别为轴承、齿轮传动的传动效率。23由式（5）（ 7）得I 轴 = 1.5kWdIPII 轴 = = 1.5 0.98 0.97 =1.4259kW 12II 32dIII 轴 1.4259 1.3555 kWI 3II 97.08II、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。（
35、4）各轴输入转矩9550 N m （2-8 ）TnP其中 为电动机的输出转矩，按下式计算：dT9550 N m （2-9 ）dTdn沈阳理工大学学士学位论文10所以= 9550 =9.55N m （2-10 ）dIT150.9550 =25.2173N m （2-11 ）I4299550 N m （2-12 ）I 863II、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 N m，I 轴为电机轴，输出转矩为 9.55 N m。运动和动力参数计算结果如下表 2-2：表 2-2转矩 TN m功率 PkW轴名输入 输出 输入 输出转速
36、nmir传动比i效率I 轴 9.55 9.55 1.5 1.5 15002.78 0.93II 轴 25.2173 24.7130 1.4259 1.3974 540III 轴 840.5860 823.7743 1.3555 1.3284 15.435 0.95（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= =5.6 0.04 10+24510=1525N mg24310423.0则可得刀库作用在轴 III 上的转矩T/3 =Gd3=15250.025=38.1 N m可得 T/3
37、 n ，故此电动机的转速也满足刀库的转速要求。md沈阳理工大学学士学位论文11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
38、 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，比交错轴斜齿轮沈阳理工大学学士学位论文12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
39、、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
40、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：沈阳理工大学学士学位论文13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Cr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 =9.8
41、8kN。Cr沈阳理工大学学士学位论文14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Cr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）轴承校核沈阳理工大学学士学位论文15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： 2137TFNd
42、蜗杆轴上产生的轴向力： 401.6经计算，蜗轮轴上轴承动载荷 =92kC蜗 轮蜗杆轴上轴承动载荷 783.蜗 杆因此、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 1624 2030 20120换刀方式 直接与主轴
43、配合， 不通过机械手 与机械手配合 与机械手配合表 2-1 刀库分类对比表沈阳理工大学学士学位论文16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 2
44、4 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。沈阳理工大学学士学位论文17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。沈阳理工大学学士学位论文18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-
45、17 气缸受力图P（A1-A2）=mgA1=24DA2=2d沈阳理工大学学士学位论文19则气缸活塞与活塞杆直径之间需满足d= 24mgDP3 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
46、、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、动力学分析和沈阳理工大学学士学位论文20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
47、 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
48、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、
49、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。沈阳理工大学学士学位论文215 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
