轴瓦定位唇专用铣床夹具设计【含CAD图纸、文档全套】【GJ系列】
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哈尔滨工业大学华德应用技术学院 毕业设计(论文) 题 目 轴瓦定位唇专用铣床夹具设计 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 109511104 学 生 王彤 指 导 教 师 段铁群 答 辩 日 期 2013年12月 哈工大华德学院哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文)摘 要随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步,数控机床的应用范围还在不断扩大,并且不断发展以更适应生产加工的需要。在现有汽车发动机轴瓦定位唇加工中,所用的设备大多为普通铣床,。我国汽车轴瓦制造技术水平仍较低。其制造工艺发展缓慢,加工装备落后,加工自动化水平低,提高轴瓦寿命和可靠性等技术攻关未能取得突破。本文在充分调研了国内外轴瓦定位唇专用铣床实际应用的前提下,深入了解和分析了国内外现有的技术特点和发展趋势。随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高,机械加工设备的专项专用要求越来越高,且对批量生产和高速生产的需要,这已经越来越制约着当今机械工业的发展。越来越多的专用机械加工设备相继出现。而在中国的机械加工设备的铣床中普通车床没有对各种型号轴瓦铣削用的专业铣床。所以对铣床机型专业方面专用机床的设计和国产化是非常必要的。关键词 轴瓦定位唇;铣床;结构设计。- I -哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文)AbstractWith surging demand of numerical control machine, and the rapid advance so as satisfy the needs of the production and processing. In the processing of the existing is still relatively low level. The slow development of manufacturing technology, processing equipment is backward, processing the low level of automation, improve bearing life and reliability technology research has failed to make a breakthrough.Investigation of the subject in bearing bush positioning lip milling in home and abroad under the premise of understanding, analysis of the characteristics and the development tend of the technology, in this article. we present the overall design of the bearing efficiency. We are also based on finite element theory, the use of ANSYS, the dynamic analysis of the main shaft of bearing bush positioning lip milling was analyzed to verify the structural design is reasonalble and reliable.Bearing bush positioning lip milling in this article is one of the few types of bearing bush positioning lip milling both domestic and overseas at present, it belongs to there are no special lathes which are used to produce bearing bush in China. Moreover, it is expensive to import the same type lathes and the maintenance charge is very high. It is vitally necessary to design and produce special purpose machines by ourselves.Keywords positioning bearing bush lip, milling, structural design。- II -目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1课题研究的背景11.2国内外研究现状21.2.1国外研究现状21.2.2国内研究现状51.3主要工作内容6第2章 轴瓦定位唇铣床结构设计82.1工艺流程82.2总体设计的基本要求92.3总体结构布局102.3.1总体结构布局原则102.3.2方案的拟定102.3.3基本构成112.4总体结构及工作原理122.4.1 总体结构122.4.2 工作原理132.5运动和动力分析152.5.1运动分析152.5.2动力分析162.3.2电动机功率计算17第3章 主要结构设计183.1.1滚珠丝杠的设计方案183.1.2机械手的设计方案183.1.3动力箱的设计方案193.1.4本章小结20第4章 三维软件分析214.1 Solidworks软件介绍214.2铣削状态研究244.3 适应轴瓦的加工范围244.4铣床综合分析25致 谢26结 论27参考文献29附 录131附 录234千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”。打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后- IV -第1章 绪论1.1课题研究的背景进入21世纪,随着我国经济与国际的接轨,迎来了一个快速发展的新时期。机床制造业既遭遇到加入WTO后带来的国际市场竞争的压力同时也是一个发展的良机,加快推进数控机床的发展进度是当今机床制造业的重中之重。随着制造业的飞速发展以及现代微机技术的不断进步,数控机床也得到了较快的发展。如图1-1所示,为了防止轴瓦在轴承座内移动,把轴瓦一端或两端做成凸缘进行轴向定位,即轴瓦定位唇。 在现有轴瓦定位唇加工中,由于国内的专用加工设备发展缓慢,迄今所用的设备大多为普通铣床。在定位唇铣削加工时,由手工将轴瓦放入模具中,通过调整铣刀位置和下模来完成轴瓦定位唇加工工序。其存在的主要问题:一是精度难以保障,用手将轴瓦放入模具时是否到位全凭手感和经验,公差一致性和稳定性很难保证;二是安全性差,从放料到取料均手工操作,易造成工伤事故;三是效率低,全靠手工操作,无法提高工作效率。图1-1 轴瓦定位唇面对越来越高的技术质量要求、招工难、工人工资高、人员不稳定、工人跳槽率高等原因,全行业渴望得到高性价比、高水平的全自动生产线来解决技术质量和成本瓶颈的呼声越来越强烈。尽快研制高性价比、具有自主知识产权的车用轴瓦全自动柔性加工生产线的任务就摆在了国人面前。庞大的市场和高技术含量带来的高附加值自然会让设备制造业人士神往,但是国内至今尚没有投入高端自动线研制的消息,究其原因是国内目前的设备专业队伍大多缺乏产品制造技术诀窍的有力支撑;没有扎实的机电一体化理论和实践的基本功;最缺乏的还是没有多兵种联合作战的协调能力和实践。本课题轴瓦定位唇专用铣床与现有的普通铣床技术相比,由于整个加工都是全自动化的,各个环节减少了人工的劳动强度因而减少了因人的失误而造成的不必要的错误的发生,避免一些工伤不安全因素的发生;其次,由于整个运行过程均是自动控制,这样可以在加工时使其对每个轴瓦的力量均衡,确保了加工每个轴瓦定位唇的稳定和精度,进而保证了加工出的定位唇的外形一致性,成品率也得到提高。由于本设备从送料到取料,均是自动控制,加工效率大大的提高了,另外采用立式铣的结构,不但可以避免加工屑的影响,而且减小占地面积1。1.2国内外研究现状 由于机床事业发展已久,有较长的发展历史。国内外对机床的研究非常的深入,涉及的内容非常的丰富。下面介绍一下国内外对机床都做了那些研究。1.2.1国外研究现状国外在机床结构优化、有限元分析、参数化设计方面都有不少研究2。美国Catholi大学GBianchi等学者将机床的动态设计与控制相结合3,Lowa州立大学的JMance与ISU研究中心的TPYeh等学者应用虚拟现实技术进行机床结构的形状优化设计4,Michigan大学的TJiang等在应用有限元法和动态分析的基础上,提出了一种数学模型来模拟机床结构的联接形式,建立整机的模型并对机床结合面的连接件(如焊点、螺栓等)的位置和数量进行拓扑优化设计5。下面综合概括有关国外在对机床主要零部件做动态优化分析和设计时的一般步骤:首先依托计算机平台,利用CAD软件对机床整体及部件进行三维实体建模,并在不丢失其重要数据的情况下对其进行简化,以便我们得到一个合理的有限元模型6。根据仿真结果的分析,对其结构进行优化设计,在达到设计要求的情况下,有效的避免了机床粗大笨现象的出现;利用一些阻尼装置对其进行减震设计,避免由某些激励下引起机床的振动,从而有效的改善了机床的加工精度;利用CAD软件对优化过的机床进行整体结构的详细设计7。在上述过程中还有许多理论与应用问题有待研究和解决。首先,随着各行业的迅速发展低精度的机床已不能满足加工要求,对高精度机床的呼声越来越高的情况下,有限元分析设计难以满足。这样当机床工作时,其各部件的运动必然导致部件质心的改变、各个交点力的改变等对机床仿真结果造成的不良影响无法模拟出来,使结果偏离了实际情况8。虚拟样机技术的问世使上诉问题迎刃而解,它是以机械系统动力学及运动学为核心的一项新的应用技术。同时它还集成了三维建模技术、机电液控制技术等。它可以比较真实的反映出机床实际工作时整机的动力学性能9。为物理样机前期的设计和制造提供理论依据,有效地避免不必要失误的出现,提高产品设计的效率。与传统设计方法相比,虚拟样机的设计方法有如下特别之处:它能在早期设计时确定一些关键的设计参数、简化新产品的开发流程和提高产品性价比等。传统设计方法不仅使产品的质量难以提高和产品更新换代慢,而且时间和金钱消耗特别大,如图1-2所示为传统的产品开发过程。而虚拟样机的设计方法,可以在制造样机前通过计算机对其进行检测,事先发现设计不合理的地方,提高了设计效率,缩短了产品开发周期,其开发流程如图1-3所示。概念设计详细设计制造物理样机物理样机测试产品定型生产发现问题,修改设计并从新制造样机图1-2 传统产品开发流程概念设计详细设计物理样机测试产品定型生产图1-3 虚拟样机开发流程数控铣床是一种基高智能化、高精度和高生产率于一身的自动化程度非常高的机床,对机床本身有比较高的要求比如:为了保证加工的精度要求,机床要具备一定的刚度还必须能承受一定的载荷;还得具备高的切削能力和稳定性,增加加工零件的成品率;同时还应必备自动检测、自动监控等智能化的功能。而国外正向柔性化和智能化水平更高的趋势发展。下面就谈谈国外今后在机床智能化方面的发展趋势。1高速化发展自动换刀装置(ATC)是高速加工中心的关键装置,自动换刀装置的智能化和速度化也成为高速加工中心的重要技术指标。快速化的自动换刀技术的目的是尽可能把辅助加工时间降到最低,从而提高单件生产率,也就是刀具在最短的时间内进行一次自动交换。如采用机械凸轮式装置要远远高于液压式换刀装置和气动式换刀装置。日本SODIC公司研制的立式加工中心(MC450)所采用的换刀机构,使一次换刀时间降低到0.6s。同时为了提高自动换刀速度还采用了如奥地利ANGERG公司研制的多主轴加工中心中使用多主轴换刀机构,使一次换刀时间降低到0.4s;德国CHIRON公司使用的多机械手换刀机构,使一次换刀时间降低到1.5s。自动换刀机构的快速发展为更好地实现高速加工起到了推动作用10。要实现高速加工必须配以高效率的CNC控制系统,因为它是决定机床本身性能(如:加工速度、精度等)的重要因素。程序段处理时间快慢标志着CNC的工作效率好坏,比如在加工高精度空间曲面时,复杂的刀具轨迹需要庞大的加工程序,这时程序处理的快慢至关重要。目前海德汉研制iTNC530控制系统,不但可以把程序段处理时间降低至0.5ms,还能用纳米的分辨率进行工作的Nurbs和样条插补功能,这样就能在高速加工时得到较高的加工精度和表面质量。另外,其必须具备能与不同厂家的CAD/CAM系统进行数据交换功能,尤其对5轴联动加工,巨大的数据程序可以直接通过CAD/CAM系统神经网络以很高的速度传送到控制系统上,在较大程度上缩短了调整时间和编程时间。2向智能化发展机床的智能化:对切削过程中的机床性能的各种参数,通过各种测量元件对其进行监测,由CNC控制系统进行检测,当出现不正常的状态时系统能自动对其故障加以补偿和调整,使其达到正常状态,以保证加工的顺利进行、确保加工件的质量、减少停机检查时间,从而提高了生产率。随着科技的进步智能化在80年代初就开始了,随后各种智能化产品被逐渐应用到各种场合,这标志着智能化的时代到来了。下面就国外数控加工中心所配备的功能做简要的说明: (1)刀具参数的管理功能它是指在进行零件加工前应测量刀具的参数(例如:直径和长度的测量)。这样方便我们确定该切削程序中要求的参数范围是否与该刀具的尺寸参数相符合,如果不符合则系统将会自动加以补偿或自动换新刀;在零件加工过程中系统一旦监测出刀具破损,机床就会自动停止加工等自动换刀结束后重新进行加工11。(2)切削过程监控就是对主轴功率的监控或着是对主轴扭矩的监控,来保证切削过程的正常运行。只要把刀具工作时正确的切削功率和扭矩输入到控制器中,控制器就能通过切削时检测出的实际功率或扭矩与正常范围对比后,自动调节进给速度值的大小使实际的功率或扭矩被调节到功率或扭矩规定的正常范围,这不但改善了生产的速度同时还避免了工件或刀具因功率超出正常范围而造成的切削损坏。这一技术已经达到可直接通过对刀具磨损前后切削功率对比,来确定刀具的磨损情况,当刀具磨损到一定程度后可起到报警作用。此功能和刀具管理功能联合使用,刀具磨损到一定程度就能自动换刀12。3铣床动态测试分析技术随着对机床本身性能(例如:加工精度,生产率等)的要求不断提高,国外现已把铣床的动态特性作为一项重要研究内容纳入日程,特别是随着铣床运动的速度越来越快的情况下,动态特性不容忽视。所以,铣床的设计开始由原始的静态强度设计进入到了动态设计13。1.2.2国内研究现状目前,国内在机床机构优化方面也在不断的研究,而且研究的内容非常丰富,包括结构静力学分析、动态分析等。目前国内有限元分析法有以下几个方面应用在机床结构设计中14,15。东南大学和无锡机床股份有限公司研制内圆磨床(M2120A)时,对其床身结构进行了全面的有限元分析,通过分析和研究得出提高床身结构的静、动态性能最简便、最直接的方法是改变床身的筋板类型和布局设计16,17,并且提出了床身结构设计的主要依据:导轨的振动变形量,然后构建出床身有限元模型,确定设计变量(床身的结构参数)和目标函数(各设计变量对床身动态性能贡献加权)18。确定好以上参数时开始优化,经过数次的尝试和修改最终得到在满足设计要求的情况下床身结构的最优设计方案。同时他们也在参数化设计等领域进行了一些研究,为我们在这方面填补了些空白,给我们提供了一些宝贵的经验和解决此类问题的办法,使我们少走一些弯路19,20。 东南大学张润建、倪向阳在研制龙门加工中心时,对其做了动力学建模与优化设计等方面的研究,在对此进行高级有限元分析时引用了灵敏度分析,根据其分析结果在新机中引用了调谐阻尼器,实际应用效果表明整机的动态性能和加工精度都得到了提高21。 大连理工大学梁延德以有限元的拓扑优化为基础,建立了车床的有限元模型之后,对床身的上平面和前后两个主平面进行了平面拓扑优化,经过多次的研究和调试最终得到优化结果。由优化结果可知,只要适当对床身中筋板布置方式、筋板截面形状和面积加以改变,即可满足结构的设计要求,避免了为达到设计强度而造成结构形式的粗大笨,使我们的结构更加美观、更加合理22。南京航空航天大学的罗辉利用ANSYS有限元分析软件,把卧式(MCH63)加工中心作为研究对象。建立了有限元模型,并对机床的床身、立柱、立滑板等主要结构件进行了动静力学分析研究。还在此基础上对机床进行灵敏度分析,创建和决定了优化模型及需要优化的设计变量,并借助有限元协同仿真功能,对机床展开了多目标优化(如:床身、立柱、立滑板等),从而使机床的动力学性能得到了改善。1.3主要工作内容本课题以轴瓦定位唇专用铣床为研究对象,通过轴瓦定位唇专用铣床设计思想的学习,初步确定本课题对以下几个方面进行了研究和探讨,具体工作内容如下:1在去宁波凯达轴瓦有限公司、宁波野龙轴瓦有限公司和上海菲特尔莫古轴瓦有限公司等进行了实地调研的基础上,结合了国内外轴瓦定位唇专用铣床的发展现状和趋势,提出了轴瓦定位唇专用铣床设计方案。2通过轴瓦定位唇专用铣床的研究,了解了设计方案的选取和设计方案的最终选取,以及设计过程中应注意的问题从而提高设计的成功率。并对轴瓦定位唇专用铣床的功能进行分析,确定参数范围和主参数,(如:运动参数、动力参数和其他参数)。基于此,初步拟轴瓦定位唇专用铣床的整体设计方案,详细给出了机床的总体结构及工作原理。3对SolidWorks的建模、标准件、装配过程和运动仿真进行了概述,并运用SolidWorks三维设计软件建立了整机模型,使我们的设计实体化,并运用其自带的评估功能进行了干涉检查、间距测量等。在此基础上我们利用“时间轨编辑”来做高级的设置,对轴瓦定位唇专用铣床进行运动仿真。4基于有限元理论建立了轴瓦定位唇专用铣床的有限元模型,利用ANSYS有限元分析软件,对铣床主轴进行了模态分析,得出了主轴前7阶固有频率与相应的振型,在此基础上还对其做了谐响应分析,得出了铣床主轴的频率位移响应曲线。目前,国外已对轴瓦定位唇铣床的研究比较多,而国内在这方面的研究特别少,和国外的差距特别大。第2章 轴瓦定位唇铣床结构设计结构设计是机械系统总体设计过程的基础,合理的结构设计可以节省成本,提高生产率,是实现原理方案的结构化设计。通过结构的总体设计,可以选定机械产品的总体布置和产品的系列化以及各传动部分之间相互联系等。2.1工艺流程全线长约五十五米,除了始末端的上下料,全线无人操作,工作节拍6s,工序间零件传递由智能移载物流系统完成,具备故障自我诊断功能,能柔性加工直径50150mm的轴瓦,加工精度等级为0.002mm,产品100%在线测量。整条线共有12道工序其工序流程图如图2-1所示。端面车削及内外倒角铣定位唇冲定位唇铣油槽磨倒角冲油孔油孔倒角外圆磨光外圆抛光拉周长周长测量机分选内圆弧加工 图2-1 工序流程图该线涉及的技术领域有三维机械设计、运动仿真、有限元分析、精密制造及集成、程序总线控制、数控技术、触摸屏人机对话、气动、液压、集中负压排屑等。而本文所要完成的是对轴瓦定位唇专用铣床的研究。2.2总体设计的基本要求机床性能优劣的评价指标是技术经济指标,其若干科学、简明、实用的评价指标的基本要求,可归纳为如下几个方面24。1工艺范围工艺范围内容:能加工的工序种类,机床的生产率和加工件种类、单件成本和尺寸范围,生产规模的适用性等。下面就通用机床和专用机床进行对比说明:通用机床的工艺范围应该宽广一些它不但可以完成一定尺寸的各种工件的多种工序加工还可以适应不同工序的需要。但专用机床工艺范围就比较特定它是为某一特定工艺要求服务的。因此,设计该类机床的基本原则:合理地缩小机床的工艺范围以简化机床的结构、提高效率、保证质量、降低成本25。2生产率和自动化程度机床的生产率要想提高,就应缩短单件加工时间,比如切削加工时间、辅助时间。切削加工时间缩短可以采用先进刀具,这样我们就可以加大切削深度、提高进给速度等方法。另外,辅助时间的缩短也相当重要。随着当今微机的高速发展有利于我们提高机床的自动化程度,这样不但使工人的劳动强度得以大幅度降低,而且使机床的加工精度也得到了有力的保证。3加工精度和表面粗糙度机床的静刚度是影响机床加工精度的主要因素。为了保证加工精度,除了机床具有相当的刚度之外,机床的热变形也是个不可忽视的因素。机床的加工工件表面的粗糙度与工件和刀具的材料、进给量和切削时的主轴的振动有关。机床在自重、夹紧力和各种激振力等的作用下其重要零部件的形位精度是动态精度26。4可靠性机床的可靠性:其在额定寿命内、特定工作环境下和规定时间内出现故障的几率。这是一项重要的技术经济指标。随着自动化水平更高的加工装置的出现,对可靠性也会有更高的要求。5机床的效率和寿命机床的效率是指切削消耗的有效功率与电动机输出功率之比,两者的差值就是损失,主要是摩擦损失。而且,摩擦损失会对机床的运行带来不良后果,因为摩擦功将以热的形式散发,必将引起机床的热变形。机床的寿命是指机床在保持应有加工精度的前提下所工作的时间。即在寿命期内和正常工作条件下,机床应具备设计时所规定的精度性能。对于中、小型通用机床,其寿命在8a左右;对于随着所加工产品的更新而废弃专用机床要求短些;对于大型高端机床则要求更长的寿命27。6造型与色彩机床造型主要有曲线型、方型和梯型三种,它是根据机床功能和特点,要简洁明快,美观大方,使用舒适方便。目前趋向以后两者相结合的形式。机床在色彩的设计上应具备以下要求:有利于产品功能的发挥、符合时代特点、满足使用对象的审美要求,还应充分表达产品功能特征并与使用环境相协调。2.3总体结构布局2.3.1总体结构布局原则机床的总体布局设计是指按工艺要求确定组成部件,决定机床所需的运动,以及确定机床的各个部件的相对运动和位置关系。同时还得定出操纵、控制机构在机床中的位置关系。通用机床的布局主要采用传统的型式,但是,随着数控等新技术的出现,传统的布局也跟着在发生变化。专用机床的布局灵活性特别大,没有什么固定的布局形式,在进行总体布局设计时必须根据被加工工件要求,进行工艺分析。为了能得到轴瓦定位唇专用铣床合理的总体布局提出以下是几点基本要求。(1)保证机床具有相当的刚度和抗振性来达到所要求的加工精度。(2)操作、调整、维修等方便,便于工件的输送、装卸。(3)性价比好、占地面积少等。(4)造型美观。机床总体布局的一般步骤:首先在满足工艺的情况下确定出机床各部件运动,并选择传动支承形式;然后确定操作部位,并拟定措施改善机床性能和技术经济指标。2.3.2方案的拟定本文所研究的轴瓦定位唇专用铣床主要包括控制系统、用于定位轴瓦的定位板、上端设置的丝杠和下端设置弹簧,在所述丝杠和弹簧之间设有模具,在下箱体内设有动力箱,其中控制系统用于控制所述丝杠和弹簧的动作。加工时,轴瓦位于所述定位板内,并且沿所述定位板在丝杠和弹簧动作下被推入至所述的模具与所述铣刀之间的加工位置,而后所述丝杠、弹簧在控制系统的作用下带动模具。它还包括自动送料机械手装置,该装置主要包括用于定位轴瓦的定位板和两个气动滑台:一个前后端行程可调另一个两端都不可调的,在气动滑台的推杆上设有推料板;当轴瓦被传送带送至推料板位置时,所述气动滑台带动推料板将轴瓦推入定位板内。另外,它还包括一个取料机械装置,该装置主要包括一个前端行程可调的气动滑台、气爪以及用于连接气动滑台连接板等。方案初步拟定如图2-2所示。1-伺服电机;2-联轴器;3-滚珠丝杠;4-直线导轨;5-工作台;6-滑台;7-弹簧;8-电机;9-铣削头图2-2 轴瓦定位唇专用铣床方案拟定2.3.3基本构成本机床有两大部分组成,第一加工部分机构,第二进出料部分机构。加工部分机构如图2-2所示。它由伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、直线导轨、滑台、工作台、气缸控制轴瓦的压紧,电机提供动力,铣削头可通过纵横向调解实现轴瓦定位唇的铣削加工。 进出料部分机构如图2-3所示。由电动机、减速器、气缸、气爪、输送带、带轮、气动滑台组成。由电机驱动减速器转动,使带轮带动输送带,并通过气缸带动机械手将轴瓦输送到工作台,进行轴瓦定位唇的铣削加工。1-电机;2-减速器;3-气缸;4-气爪;5-输送带;6-带轮;7-气动滑台图2-3进出料部分机构2.4总体结构及工作原理2.4.1 总体结构本课题轴瓦定位唇专用铣床与现有的普通铣床技术相比,由于整个加工都是全自动化的,各个环节减少了人工的劳动强度因而减少了因人的失误而造成的不必要的错误的发生,避免一些工伤等不安全因素的发生;其次,由于整个运行过程均是自动控制,这样可以在加工时使其对每个轴瓦的力量均衡,确保了加工每个轴瓦定位唇的稳定和精度,进而保证了加工出的定位唇的外形一致性,成品率也得到了提高30。由于本设备从送料到取料,均是自动控制,加工效率大大的提高了,另外采用立式铣的结构,不但可以避免加工屑的影响,而且减小了机身。轴瓦定位唇铣削专用铣床总体结构可以分为加工部分和进出料部分。由于加工装置的模具下端的弹簧稳定性比较差,且根据计算需要三根弹簧,不能保证弹簧精确的同步运动,因此改用气压缸夹紧工件的运动。综合上述设计思想,本设计的轴瓦定位唇铣床的总体结构简图如图2-4所示。1-机架;2-伺服电机;3-滚珠丝杠;4-取料机械手;5-取料输送带;6-滑台;7-送料机械手;8-送料输送带;9-下汽缸;10-支架;11-底座;12-调整机构;13-动力箱;14-脱模机构;15-工作台图2-4 铣床总体结构简图2.4.2 工作原理轴瓦定位唇专用铣床加工轴瓦时的工作过程可描述如下。(1)预先根据轴瓦的直径和定位唇尺寸,调整机床内、外的对刀机构保证铣刀与被加工轴瓦间的距离。(2)挡料机械手退回把输送带上等待加工的轴瓦(上一工序加工完的)送给送料机械手,当轴瓦被传送带送至推料板位置时,所属气动滑台带动推料板将轴瓦推入工作台。(3)此时工作台,在伺服电机与滚珠丝杠和下汽缸的动作下对轴瓦进行夹紧定位在夹具内,而后所述伺服电机与滚珠丝杠、下汽缸在控制系统的作用下带动模具进行加工。(4)此时挡料机械手开始动作让下一个轴瓦通过输送带再送给送料机械手,送料机械手把轴瓦送到工作台时,由已加工好轴瓦由未加工的顶出。(5)取料机械手将加工完的轴瓦取出放在输送带上,使其进行下一工序的加工。轴瓦定位唇专用铣床的工作循环见图2-5。工步部件进退动作过程夹紧进给伺服电机滚珠丝杠快进工进快退送料气缸(上位)进退气缸(下位)进退取料气缸进退气爪夹紧松开挡料气缸进退送料定位气针进退运行时间(s) t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 图2-5工作循环2.5运动和动力分析2.5.1运动分析运动学分析主要是确定机械系统的运动参数,一般是指机械执行件的运动速度、时间等,如机床等加工机械的主轴转速,工作台、刀架的运动速度,变速器主轴的输出转速等。1-伺服电机;2-联轴器;3-角接触球轴承;4-滚珠丝杠;5-直线导轨;6-工作台;7-圆锥滚子轴承;8-小带轮;9-大带轮;10-电动机图2-6 传动系统示意图由图2-6可知,此传动系统由进给系统和主运动系统组成,进给系统是由伺服电动机、轴承、滚珠丝杠、直线导轨和工作台等组成。伺服电动机用于提供所需的运动和动力,同时可以调节其输出的运动速度;丝杠副主要是把回转运动转换为直线运动;通过导向机构保证工作台直线运动的位置精度。主运动系统由电机、带轮、主轴、铣刀等组成。根据电动机执行机构的工作特性要求,可确定其各基本参数。1进给运动计算进给运动是由伺服电动机通过联轴器直接输出给丝杠的,所以输出运动转速n为03000r/min。2铣削运动计算主运动是由电动机通过带轮传动,带动刀具铣削的,所以输出运动转速n为1000r/min。2.5.2动力分析在设计中构件的参数都是由动力参数计算得到的。如果动力参数选的过大,就会导致构件粗大笨影响整机的美观、耗材、运输和占地面积;如果参数定的过小,又将导致整机工作性能不佳达不到工作要求。1铣削力切削力对计算功率消耗,对制定合理的切削用量,优化刀具几何参数,都具有非常重要意义。在自动化生产中,还可通过切削力来监控加工过程和刀具加工状态。铣削力公式如下 (N) (2-1)式中:Ft为铣削力,N;为铣刀的切削接触弧深度,取6.1mm;p为铣削的切削深度,取0.35mm;f为每齿进给量,取0.04mm;z为铣刀齿数,10齿。由以上公式计算可得铣削力Ft为148.81N。2传动效率 进给系统传动效率如下所示 (2-2)式中:1为联轴器效率,0.99;2为滚动轴承效率(一对),0.98;3为螺旋传动效率,0.95;4为导轨传动效率,0.98。将以上参数带入式(2-2)可得进给系统的传动效率为0.833。同样的道理可以得到主运动的传动效率为0.86。3电机功率由图2-6传动系统可知,进给系统的伺服电动分为快进(1000r/min)和工进(150 r/min),因此电动机构的有效功率为2.3.2电动机功率计算:(kW)式中:T为输出转矩,N/m;n为输出转速,r/min。执行机构传动的实际工作情况,其运动所需功率为0.804kW和0.120kW。由图2-6传动系统可知,主运动电动机构的有效功率为 (kW) (2-3)式中:Pm为铣削功率,kW;为铣削速度,m/min;dt为铣刀直径,取30mm;nt为电机转数,r/min。由以式2-3计算可得在nt取1000r/min时,铣削功率Pm分别为0.06kW。执行机构传动的实际工作情况,其运动所需功率为0.07kW。第3章 主要结构设计3.1.1滚珠丝杠的设计方案随着当今机床业的飞速发展,为了满足加工要求,提高加工精度,在进给系统中多采用丝杠进给。在加工精度较高的机床中进给系统采用的是滚珠丝杠,由于它具有以下方面的优点:反向间隙小、传动效率高、不需附属装置而得到了广泛的应用,是使用极为方便的丝杠。滚珠丝杠副中滚珠的循环方式可分为内和外两种循环方式。内循环方式常用于各种高精度、高刚度的定位系统。外循环方式常用于重型载荷、高速运动及精密定位系统特别是在大导程、多头螺纹中显示其独特优点。综上所述,确定本铣床进给系统的滚动丝杠螺母副采用单圆弧、内循环、双螺母螺纹调速方式的结构形式,并采用两端铰支的支承方式。由于本论文篇幅有限没有对滚珠丝杠的刚度和稳定性进行校核计算,其型号25TAC62BDF。3.1.2机械手的设计方案随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快,人们对生产效率也不断提出新要求。机械手能模仿人的一些基本动作,它可以通过计算机程序的控制代替人类在环境复杂的地方完成人无法完成的、对人类造成伤害的、枯燥乏味的工作,降低我们的劳动强度,提高劳动生产率。随着科技的进步社会的需求,科学家把目光转向了机械手的研究,尤其是在航空航天制造业、医学设备、精密仪器制造业等取得了惊人的效果,应用较为广泛。现在科学家把机床设备和机械手结合使用,代替人类做一些危险、重复的工作,尽量把危险降到最低。使其逐渐形成全自动柔性加工生产单元。此类全自动柔性加工装置对中小批量零部件的加工特别适用,不但使传输装置简便,而且输送非常可靠、快速、避免由于人疲劳带来的错误,减少了整机的占地面积。因此,进行机械手的研究设计是非常有意义的。轴瓦定位唇专用铣床的机械手分为两部分。送料机械手主要负责把进料输送带传输来的轴瓦送到模具位置;取料机械手主要负责把加工好的轴瓦取出放到取料输送带上去进行下一工序加工。根据所给数据,经过系统设计,所得轴瓦定位唇专用铣床机械手部装部分总体结构示意图如图2-7和图2-8。 1-推件板;2-连接板;3-连接板;4-气动滑台(前后端行程可调);5-过渡板;6-气动滑台;7-滑板;8-挡板图2-7 送料机械手1-气动滑台(前端行程可调);2-连接板;3-连接板;4-连接板;5-气爪(行程4mm);6-连接板图2-8 取料机械手3.1.3动力箱的设计方案轴瓦定位唇专用铣床加工部分主要结构是铣削动力头,轴瓦由输送带输送到铣床的指定位置,被进出料部分的送料机械手推到铣床的滑台上,通过工作台和气缸的调解,使轴瓦固定在滑台上,以便于轴瓦定位唇的铣削加工(每加工一批工件之前要对铣削刀进行对刀试验),加工完毕后,被进出料部分的取料机械手取出,放到输送带上,进行下一工序的加工。图2-9所示是动力箱结构图。1-螺母;2-主轴;3-带轮;4-圆锥滚子轴承;5-轴套;6-螺杆;7-圆锥滚子轴承图图2-9 动力箱结构图主轴是主轴组件必不可少的组成部分,它的结构设计、材料的选择、加工技术要求等,对主轴组件的工作性能影响较大。根据本铣床的设计要求,按照机械设计手册中关于主轴的设计过程。 3.1.4本章小结通过轴瓦定位唇专用铣床的研究,了解了设计方案的选取和设计方案的最终选取,以及设计过程中应注意的问题从而提高设计的成功率。并对轴瓦定位唇专用铣床进行功能分析,确定参数范围和主参数,如尺寸参数、运动参数、动力参数和其他参数。根据运动和动力计算结果,确定了滚珠丝杠的选型,同时对机械手和动力箱进行了分析和说明。基于此,初步拟定轴瓦定位唇专用铣床的整体设计方案,详细给出了机床的总体结构及工作原理。第4章 三维软件分析4.1 Solidworks软件介绍 SolidWorks公司成立于1993年,由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起,总部位于马萨诸SolidWorks2010启动页面塞州的康克尔郡(Concord,Massachusetts)内,当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今,至2010年已经拥有位于全球的办事处,并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年,被法国达索公司收购,作为达索中端主流市场的主打品牌。是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统,由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势,SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新,公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名;从1995年至今,已经累计获得十七项国际大奖,其中仅从1999年起,美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予最佳编辑奖,以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此,所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明,使用它,设计师大大缩短了设计时间,产品快速、高效地投向了市场。由于出色的技术和市场表现,不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星,也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将全资并购。公司原来的风险投资商和股东,以一千三百万美元的风险投资,获得了高额的回报,创造了CAD行业的世界纪录。并购后的以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作,成为CAD行业一家高素质的专业化公司,三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核(由剑桥提供)以及良好的与第三方软件的集成技术,成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示,目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万,涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上,每年来自全球4,300所教育机构的近145,000名学生通过SolidWorks的培训课程。据世界上著名的人才网站检索,与其它3D CAD系统相比,与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总合还要多,这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks,越来越多的企业雇佣人才。据统计,全世界用户每年使用的时间已达5500万小时。在美国,包括麻省理工学院(MIT)、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课,国内的一些大学(教育机构)如清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学、上海教育局等也在应用SolidWorks进行教学软件.该软件功能强大,组件繁多。功能强大、易学易用和技术创新是 三大特点,使得成为领先的、主流的三维CAD解决方案。能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。不仅提供如此强大的功能,同时对每个工程师和设计者来说,操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的Windows系统的用户,基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器,用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ,用户能在比较短的时间内完成更多的工作,能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中,SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论:“在基于Windows平台的三维CAD软件中,是最著名的品牌,是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作(包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴)协同下,使用SolidWorks ,整个产品设计是可百分之百可编辑的,零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的全动感用户界面。只有SolidWorks 才提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤,减少了多余的对话框,从而避免了界面的零乱。崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含所有的设计数据和参数,而且操作方便、界面直观。用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。特征模版为标准件和标准特征,提供了良好的环境。用户可以直接从特征模版上调用标准的零件和特征,并与同事共享。SolidWorks 提供的AutoCAD模拟器,使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯,顺利地从二维设计转向三维实体设计配置管理。配置管理是SolidWorks软件体系结构中非常独特的一部分,它涉及到零件设计、装配设计和工程图。配置管理使得你能够在一个CAD文档中,通过对不同参数的变换和组合,派生出不同的零件或装配体协同工作提供了技术先进的工具,使得你通过互联网进行协同工作。通过eDrawings方便地共享CAD文件。一种极度压缩的、可通过电子邮件发送的、自行解压和浏览的特殊文件。通过三维托管网站展示生动的实体模型。三维托管网站是SolidWorks提供的一种服务,你可以在任何时间、任何地点,快速地查看产品结构SolidWorks 支持Web目录,使得你将设计数据存放在互联网的文件夹中,就象存本地硬盘一样方便。用通过互联网实时地协同工作。3D Meeting是基于微软的技术而开发的专门为SolidWorks设计人员提供的协同工作环境装配设计在SolidWorks 中,当生成新零件时,你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里,可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体性能得到极大的提高。SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动,并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术,用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中,而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件(包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件)的新的零部件。用捕捉配合的智能化装配技术,来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的,当你修改图纸时,三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。 从三维模型中自动产生工程图,包括视图、尺寸和标注。增强了的详图操作和剖视图,包括生成剖中剖视图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。使用技术,可以将工程图与三维零件和装配体脱离,进行单独操作,以加快工程图的操作,但保持与三维零件和装配体的全相关用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置,以便了解运动的顺序。交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。4.2铣削状态研究 针对轴瓦定位唇专用铣床铣削杆在工作过程中产生振动的问题,基于刀具铣削理论与罚函数算法,采用建模方法对铣刀杆工作状况合理简化并施加合理约束,建立了铣刀杆的有限元模型并进行模态分析,模态分析得到的铣削杆前5阶固有频率与实验方法获得的数据在误差允许范围内.通过对铣削杆前5阶模态的分析,发现铣削主轴两端采用轴承支撑,铣削过程中变形小,而铣削杆为悬壁梁支撑,在二、三阶固有频率下发生大变形,对轴瓦定位唇铣削精确度影响较大. 本课题轴瓦定位唇专用铣床与现有的普通铣床技术相比,由于整个加工都是全自动化的,各个环节减少了人工的劳动强度因而减少了因人的失误而造成的不必要的错误的发生,避免一些工伤不安全因素的发生;其次,由于整个运行过程均是自动控制,这样可以在加工时使其对每个轴瓦的力量均衡,确保了加工每个轴瓦定位唇的稳定和精度,进而保证了加工出的定位唇的外形一致性,成品率也得到提高。由于本设备从送料到取料,均是自动控制,加工效率大大的提高了,另外采用立式铣的结构,不但可以避免加工屑的影响,而且减小占地面积。4.3 适应轴瓦的加工范围 一般采用6.3吨冲床冲出.用冲床冲定位唇,手工操作劳动强度大,冲压工处于紧张的工作状态,安全得不到可靠保证,冲压中类似压伤手指等事故屡有发生.为了从根本上改变这种加工方法,杜绝不安全因素,我厂已于1994年8月研制成功了轴瓦定位唇半自动压床它是机械、液压、电气一体化的先进加工设备,经用户厂压S195轴瓦定位唇表明,达到了较高的加工精度:定位唇宽度公差0.10;定位唇高度公差0.10mm;端距公差0.10mm.工作情况完全符合设计要求.该半自动压床的开发成功,不仅攻克了轴瓦厂长期以来冲压定位唇无法实现自动化的难题,而且杜绝了不安全因素。随着对机床本身性能(例如:加工精度,生产率等)的要求不断提高,国外现已把铣床的动态特性作为一项重要研究内容纳入日程,特别是随着铣床运动的速度越来越快的情况下,动态特性不容忽视。所以,铣床的设计开始由原始的静态强度设计进入到了动态设计。4.4铣床综合分析 随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步,数控机床的应用范围还在不断扩大,并且不断发展以更适应生产加工的需要。在现有汽车发动机轴瓦定位唇加工中,所用的设备大多为普通铣床,在定位唇铣削加工时,由手工将轴瓦放入模具中,通过调整铣刀位置和下模来完成轴瓦定位唇加工工序。我国汽车轴瓦制造技术水平仍较低。其制造工艺发展缓慢,加工装备落后,加工自动化水平低,提高轴瓦寿命和可靠性等技术攻关未能取得突破。 本文在充分调研了国内外轴瓦定位唇专用铣床实际应用的前提下,深入了解和分析了国内外现有的技术特点和发展趋势。提出了轴瓦定位唇专用铣床的总体设计方案,并完成了轴瓦定位唇专用铣床动力学分析、运动学分析和部分主要结构的设计。在设计中引入了技术,利用软件建立了轴瓦定位唇专用铣床的三维模型和运动仿真动画,使其能够实体化、可视化,更加直观的表现了设计思路,从而缩短了设计周期,提高了工作效率。还基于有限元理论,利用分析软件对轴瓦定位唇专用铣床的主轴进行了动态分析,验证了结构设计的合理性和可靠性。 本文所设计的轴瓦定位唇专用铣床,是目前国内外为数不多的轴瓦定位唇专用铣床的一例,属于创新型设计。随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高,机械加工设备的专项专用要求越来越高,且对批量生产和高速生产的需要,这已经越来越制约着当今机械工业的发展。越来越多的专用机械加工设备相继出现。而在中国的机械加工设备的铣床中普通车床没有对各种型号轴瓦铣削用的专业铣床。致 谢本文是在段铁群老师的悉心指导下完成的。从毕业设计题目的选择、到选到课题的研究和论证,再到本毕业设计的编写、修改,每一步都有段老师的细心指导和认真的解析。在段老师的指导下,我在各方面都有所提高,老师以严谨求实,一丝不苟的治学态度和勤勉的工作态度深深感染了我,给我巨大的启迪,鼓舞和鞭策,并成为我人生路上值得学习的榜样。使我的知识层次又有所提高。同时感谢所有教育过我的专业老师,你们传授的专业知识是我不断成长的源泉也是完成本论文的基础。也感谢我同一组的组员和班里的同学是你们在我遇到难题是帮我找到大量资料,解决难题。再次真诚感谢所有帮助过我的老师同学。通过这次毕业
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