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編號
無錫太湖學院
畢業(yè)設計（論文）
題目： 軸承內外圈加工專用機床
橫向機構設計
信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
學 號： 0923129
學生姓名： 展 杰
指導教師： 彭勇 （職稱：副教授）
（職稱： ）
2013年5月25日
無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 軸承內外圈加工專用機床橫向機構設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機械93
學 號： 0923129
作者姓名：
2013年 5 月 25 日
無錫太湖學院
信 機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書
一、題目及專題：
1、題目 軸承內外圈加工專用機床橫向機構設計
2、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
該課題來源于迪奧企業(yè)軸承內外圈專用機床橫向機構的設計。該機床主要用于汽車設計、軍工行業(yè)和其他工業(yè)行業(yè)的軸承生產制造，實現(xiàn)了單機自動化、多機線自動化的生產制造。其中軸承行業(yè)，占據(jù)頂端市場份額的90%以上，速度、準確性和耐用性是我們產品成功的重要因素，在機械行業(yè)中占著很重要的位置。
本設計屬于結構設計結合類課題，要求完成軸承內外圈專用機床橫向機構的設計。通過本設計，可以幫助學生加深對本專業(yè)的相關知識理解和提高綜合運用專用知識的運用。
三、本設計（論文或其他）應達到的要求：
① 分析原始資料，查閱相關資料，收集整理有關橫向機構設計、絲杠、阻尼缸運動、設備等資料；
② 對機床進行系統(tǒng)分析和功能分析，并在此基礎上確定橫向機構的設計方案；
③ 完成橫向機構的整體設計，以及各個零件的建模和整體的裝配，最后進行橫向機構的仿真運動；
④ 閱讀和翻譯英文文獻 ；
⑤ 撰寫畢業(yè)設計論文 ；
四、接受任務學生：
機械93 班 姓名 展杰
五、開始及完成日期：
自 2012年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月25日
六、設計（論文）指導（或顧問）：
指導教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
2012年 11 月12日
摘 要
本文是根據(jù)無錫迪奧機械廠軸承內外圈生產線改造項目要求，針對橫向部分能自動實現(xiàn)進給，快退，自動感應識別運動位置等要求，設計出一套軸承內外圈專用機床橫向進給機構，使其能夠代替工人手動進給，提高了公司生產效率。
論文根據(jù)軸承內外圈的特點，對其橫向進給機構進行了合理的設計。此橫向機構主要為了實現(xiàn)臺面板上的刀具在切削軸承內外圈橫向進給的運動。這一運動由阻尼液壓缸驅動，由PLC控制，由感應元件識別確認臺面板橫向進給時的位置。本文要設計的內容主要包括：阻尼液壓缸驅動系統(tǒng)的設計，床身鉗尺寸的確定，滾珠絲杠的設計，臺面板的設計等。確定了橫向進給機構的具體尺寸后，利用UG軟件對橫向機構的主要部件進行建模，并對整體結構進行虛擬裝配。然后將裝配體導入UG軟件的運動仿真界面，并利用軟件進行運動學仿真和動力學仿真。分析仿真結果，得出相應結論。最后對軸承內外圈加工專用機床橫向機構進行優(yōu)化設計，讓本設計能夠真正的投入到日常生產操作中，使其切實能夠為軸承廠的生產線改造做出貢獻。
關鍵詞：進給機構；軸承加工；虛擬裝配；運動仿真
Abstract
This paper is based on the reconstruction project requirements of the inner and outer circle line of bearings in Wuxi dior machinery factory. In order to achieve the requirements that the horizontal section automatically forwarding and identifying locations, this article designs a set of bearing internal and external ring special machine transverse feeding mechanism. It’s a special machine tool be used to replace workers manual feed and improve the company's production efficiency.
According to the characteristics of the bearing inner and outer circle ,the article designs its traverse mechanism reasonable.This mechanism mainly achieve the cutting tool on the the panel in cutting of bearing transverse feed motion on the inside and outside the circle .The movement is driven by damping hydraulic cylinder, controlled by PLC, recognized by the sensing element identification to confirm the position of the panel. The content of the article mainly includes damping hydraulic cylinder driving system designing, the determination of lathe bed clamp size, the design of the ball screw, a panel designing, etc. After determining the specific size of the infeed mechanism, the article applies UG software to model a major part of the traverse mechanism and assembly its overall structure virtually. Finally, the design of the machine infeed organization is optimized, so that it can really be used to put into the day-to-day production operations and make contribute to the production line of bearing plant effectively.
Keywords: feeding mechanism ; bearing processing; virtual assembly; motion simulation
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
1 緒 論 1
1.1 本課題研究的目的和意義 1
1.2 國內外軸承加工機床發(fā)展狀況 1
1.3 本課題的主要內容 2
2 橫向機構設計 3
2.1 橫向機構組成 3
2.2 橫向機構的設計方案 3
2.2.1 機床的主要參數(shù)及床身鉗的初始設計 3
2.2.2 阻尼液壓缸的設計與計算 3
2.2.3 滾珠絲杠的設計 9
2.2.4 床身鉗安裝阻尼缸部分的尺寸及臺面板尺寸的設計 14
3 基于UG的橫向機構三維建模與虛擬裝配 15
3.1 UG軟件的簡介 15
3.2 主要零部件的三維建模 16
3.3 阻尼液壓缸的虛擬裝配 19
3.3.1 基于UG的高級裝配功能 19
3.3.2 阻尼液壓缸的虛擬裝配 21
3.4 本章小結 22
4 基于UG的運動仿真 23
4.1 運動仿真的工作界面 23
4.2 橫向機構的運動仿真 23
4.2.1 運動界面的的打開 23
4.2.2 連桿特性的建立 24
4.2.3 運動副特性的建立 25
4.2.4 施加運動 26
4.2.5 分析驗證 28
4.3 本章小結 29
5 結論與展望 30
5.1 結論 30
5.2 不足之處及展望 30
致 謝 31
參考文獻 32
附 錄 33
III
軸承內外圈加工專用機床橫向機構設計
1 緒 論
1.1 本課題研究的目的和意義
該課題來源于軸承廠生產線改造項目，根據(jù)軸承內外圈加工設備加工時進給的特點，對其機床橫向進給機構進行合理設計。該專用機床在橫向運動方面進行了改善，把以前的人工進給改造成為自動進給，減少了人工操作的誤差，提高了生產效率，改善了加工零件的精度。
在傳統(tǒng)軸承加工機床橫向進給機構生產過程中，采用工人手動對刀，手動控制進給量，單調重復，而且工人長時間重復單一動作容易發(fā)生差錯，發(fā)生生產事故或者使加工零件報廢。為了降低工人的工作強度，改善工作環(huán)境。提高生產效率和零件的精度，研制出了軸承內外圈加工專用機床自動橫向進給機構使其能真正代替人工完成任務。工人要做的就是按動按鈕。這樣可以實現(xiàn)一人多機操作，解放出大批工人，同時也降低了企業(yè)生產成本，提高了加工精度，使企業(yè)更具有競爭力!
1.2 國內外軸承加工機床發(fā)展狀況
目前，我國軸承加工機床數(shù)量上比較多，但在國際市場競爭中仍處于較低水平；即使國內市場也面臨著嚴峻的形勢，一方面國內市場對自動化軸承加工機床有大量的需求，而另一方面卻有不少國產軸承加工機床滯銷積壓，國外軸承加工機床產品充斥市場。
這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了有經營上、產品制造質量上和促銷手段上等原因外，一個主要的原因是我國生產的自動化軸承加工機床品種、性能和結構不夠先進，新產品的開發(fā)周期長，從而不能及時針對用戶的需求提供滿意的產品，造成這種情況的原因有：
（1）我國軸承加工機床廠目前開發(fā)基型產品的周期約為15～18個月，其中設計時間約為5～8個月，占總周期的40%左右。而國外一些先進軸承加工機床廠同類基型產品的開發(fā)周期為6～9個月，其中設計約1.5～2個月，只占25%。因此無論是產品開發(fā)的總周期還是設計所占的時間比例均與國外先進水平有很大的差距。
（2）我國工廠由于缺乏設計的科學分析工具，自行開發(fā)的新產品大多基于直觀經驗和類比設計，使設計一次成功的把握性降低，往往需要反復試制才能定型，從而可能錯過新產品推向市場的良機。
（3）用戶根據(jù)使用需要,在訂貨時往往提出一些特殊要求，甚至在產品即將投產時有的用戶臨時提出一些要求，這就需要迅速變型設計和修改相應的圖紙及技術文件。在國外，這項修改工作在計算機的輔助下一般僅需數(shù)天至一周，而在我國軸承加工機床廠用手工操作就至少需1～2個月,且由于這些圖紙和文件涉及多個部門，常會出現(xiàn)漏改和失誤的現(xiàn)象，影響了產品的質量和交貨期。
（4）現(xiàn)在我國工廠設計和工藝人員中青年占多數(shù)，他們的專業(yè)知識和實際經驗不足，又擔負著開發(fā)的重任。
（5）由于長期以來形成的設計、工藝和制造部門分立，缺乏有效的協(xié)同開發(fā)的模式，不能從制訂方案開始就融入各方面的正確意見,容易造成產品的反復修改，延長了開發(fā)的周期。
為解決這些問題，必須對產品開發(fā)的整個過程綜合應用計算機技術，發(fā)展優(yōu)化和仿真技術，提高產品結構性能，并建立起基于并行工程的使設計、工藝和制造人員協(xié)同工作和知識共享的產品虛擬開發(fā)環(huán)境,使用相應的產品虛擬開發(fā)軟件，這樣才能有效地解決產品開發(fā)的落后局面，使企業(yè)取得良好的經濟效益[1]。
而在國外，軸承加工機床從80年代以后得到了很大空間發(fā)展，機床品種，性能，結構都比較先進，而且機床生產周期短，效率高，加工出來的軸承精度好，很好的滿足了客戶的要求。
不過，近幾年軸承內外圈加工專用車床在國內外都有很多研究，應用的領域也越來越多，軸承機械，產品主要用于汽車行業(yè)、軍工行業(yè)和其他工業(yè)行業(yè)的軸承生產制造，實現(xiàn)了單機自動化、多機線自動化的生產制造。其中軸承行業(yè)，占據(jù)頂端市場份額的90％以上，速度、準確度和耐用性是軸承內外圈加工專用車床加工出來的產品的重要保障。
1.3 本課題的主要內容
(1) 分析原始資料，查閱相關資料，分析國內外軸承機床發(fā)展狀況。
(2) 對軸承內外圈專用機床橫向機構總體方案設計。
(3) 阻尼液壓缸和滾珠絲杠的設計與計算。
(4) 橫向機構各部分的設計與計算。
(5) 基于UG的橫向進給機構三維建模及運動仿真。
2 橫向機構設計
2.1 橫向機構組成
機床的橫向進給機構由：床身鉗，滾珠絲杠，螺母座，調節(jié)螺母，調節(jié)絲杠，線軌，液壓阻尼缸等部分組成。由液壓阻尼缸通過連接套帶動滾珠絲杠副至螺母座，實現(xiàn)滑板的橫向機動進給。在滾珠絲杠的前端加一螺孔，用內六角螺釘及套與之連接，這樣用內六角扳手可實現(xiàn)滑板的橫向手動進給運動。該橫向機構由PLC主導控制，通過橫向開關感應鐵的感應運動位置，實現(xiàn)橫向滑板的進給運動。
2.2 橫向機構的設計方案
2.2.1 機床的主要參數(shù)及床身鉗的初始設計
軸承內外圈專用機床的主要技術參數(shù)如表2-1所示。
表2-1 軸承內外圈加工專用機床的技術參數(shù)表
項目
要求
最大工件回轉直徑
80mm
最大車削長度
50mm
中心高
180mm
主軸頭行程
10mm
主軸錐孔-安裝基準孔
100mm
主軸孔徑
30mm
主軸轉速范圍
1200-1700
機床輪廓尺寸
1200×550×1760
主軸線與機床邊緣間距
275mm
主軸線距地面高度
1046mm
床頭箱長度
327mm
由表2-1可知，專用機床的輪廓尺寸為，軸承內外圈直徑為80mm，考慮到安裝空間和可靠性等因素，確定床身鉗底下尺寸為，接下來要確定床身鉗安裝阻尼液壓缸部分的尺寸，這必須先要確定阻尼液壓缸的型號及大小，由缸的大小尺寸來確定。
2.2.2 阻尼液壓缸的設計與計算
2.2.2.1 阻尼液壓缸設計內容及參數(shù)
1.設計內容
（1）液壓缸內徑D，活塞桿直徑d的確定及繪制液壓缸總圖；
（2）液壓元件的選擇；
2.設計參數(shù)
液壓缸系統(tǒng)供油P=6.0Mpa；
液壓缸最大推力Fmax=4.8KN；
缸的最大行程L=150mm；
2.2.2.2 阻尼液壓缸主要尺寸的確定
1. 液壓缸工作壓力的確定
液壓缸的工作壓力主要根據(jù)液壓設備的類型來確定，對于不通用途的液壓設備,由于工作條件不同，通常采用的壓力范圍也不同。根據(jù)負載F=5KN, 查參考文獻[2] 表 8-13，可知液壓缸的工作壓力為1.5Mpa 。
2. 液壓缸缸筒內徑D的計算
根據(jù)已知條件，工作最大負載F=2000N，工作壓力P=1.5MPa可得
液壓缸內徑D和活塞桿直徑d。
已知: F=2000N, =1.5MPa，
==42mm
從GB2348—80標準中查得：D=45，d=40mm
則
故必須進行最小穩(wěn)定速度的驗算，要保證液壓缸工作面積A必須大于保證最小穩(wěn)定速 度的最小有效面積Amin
又：
式中：qmin—流量閥的最小穩(wěn)定流量，由設計要求給出。
Vmin—液壓缸的最小速度，由設計要求給出。
故取D=45，保證了>。
3. 液壓缸活塞桿直徑d的確定
由已知條件可查參考文獻[3] 表4-5，取d=35mm。
查參考文獻[4] 表5-8知，45鋼的屈服強度
按強度條件校核：
所以符合要求。
4. 液壓缸壁厚的計算
液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計算。液壓缸的壁厚一般指缸筒結構中最薄處 的厚度。從材料力學可知，承受內壓力的圓筒，其內應力分布材料規(guī)律因壁厚的不同而各異。一般計算時可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。
本設計按照薄壁圓筒設計，其壁厚按薄壁圓筒公式（2.1）計算為：
(該設計采用無縫鋼管) （2.1）
其中：
[]=100～110（無縫鋼管），取[]=120
計算的公式所得的液壓缸的壁厚厚度很小，使缸體的剛度不夠，如在切削加工過程中 的變形，安裝變形等引起液壓缸工作過程中卡死或漏油。所以用經驗法選取壁厚：δ=5mm。
5. 缸體外徑尺寸的計算
缸體外徑
查參考文獻[2]表8-9：
外徑取50mm
6. 液壓缸工作行程的確定
由于在液壓缸工作時要完成如下動作：
即可根據(jù)執(zhí)行機構實際工作的最大長度確定。由上述動作可知工作行程為150mm。
7. 缸蓋厚度的確定
一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度 按強度要求可用下式（2.2）進行近似計算：
（2.2）
式中：D—缸蓋止口內徑(mm)
T—缸蓋有效厚度(mm)
T≥4.74mm
8. 最小導向長度的確定
當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到缸蓋滑動支承面中點距離為H，稱為最小 導向長度。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此在設計時必須保證有一定的最小導向長度，見圖2.2 油缸的導向長度。
圖2.2 油缸的導向長度
對一般的液壓缸，最小導向長度H應滿足：
（2.3）式(2.3)中：L—液壓缸的最大行程(mm)
D—液壓缸內徑(mm)
取H=50mm
9. 活塞寬度B的確定
活塞的寬度B一般取B=（0.6-1.0）D
即B=（0.6-1.0）×50=（30-50）mm
取B=45mm
10. 缸體長度的確定
液壓缸缸體內部的長度應等于活塞的行程與活塞寬度的和。缸體外部尺寸還要考慮到兩端端蓋的厚度，一般液壓缸缸體的長度不應大于缸體內徑D的20-30倍。
即：缸體內部長度150+45=195mm
缸體長度≤（20-30）D=（1000-1500）mm
即取缸體長度為250mm。
11. 液壓缸進、出油口尺寸的確定
液壓缸的進、出油口可布置在端蓋或缸筒上，進、出油口處的流速不大于5m/s，油口的連接形式為螺紋連接或法蘭連接。
根據(jù)液壓缸螺紋連接的油口尺寸系列（摘自GB/T2878-93）及16MPa小型系列單桿自（GB/T2878-93）及16MPa小型系列的單桿液壓缸油口安裝尺寸（ISO8138-1986）確定。進出油口的尺寸為M16x1.5，連接方式為螺紋連接。
2.2.2.3 阻尼液壓缸的密封設計
液壓缸要求低摩擦，無外漏，無爬行，無滯澀，高響應，長壽命，要滿足伺服系統(tǒng)靜態(tài)精度，動態(tài)品質的要求，所以它的密封與支承導向的設計極為重要，不能簡單的延用普通液壓缸的密封和支承導向。因此設計密封時應考慮的因素：
（1）用于微速運動（3-5mm/s）的場合時，不得有爬行，粘著滯澀現(xiàn)象；
（2）工作在高頻振動的場合的，密封摩擦力應該很小且為恒值。要低摩擦，長壽命；
（3）工作在食品加工、制藥及易燃環(huán)境的伺服液壓缸，對密封要求尤為突出，不得有
任何的外滲漏，否則會直接威脅人體健康和安全；
（4）工作在諸如冶金、電力等工業(yè)部門的，更換密封要停產，會造成重大經濟損失，
所以要求密封長壽命，伺服液壓缸要耐磨；
（5）對于高速輸出的伺服液壓缸，要確保局部過熱不會引起密封失效，密封件要耐高
溫，要有良好的耐磨性；
（6）工作在高溫、熱輻射場合的伺服液壓缸，其密封件的材料要有長期耐高溫的特性；
（7）工作介質為磷酸酯或抗燃油的，不能用礦物油的密封風材料，要考慮他們的相容性；
（8）伺服液壓缸的密封設計不能單獨進行，要和支承導向設計統(tǒng)一進行統(tǒng)籌安排。
靜密封的設計
①靜密封的設計要確保固定密封處在正常工作壓力的1.5倍工作壓力下均無外泄露。
靜密封通常選用O形橡膠密封圈。
②動密封的設計
動密封的設計直接關系著伺服液壓缸性能的優(yōu)劣，其設計必須結合支承導向的統(tǒng)籌進行。活塞與缸筒之間用Y型密封圈[5]。
根據(jù)[3] 表13-23，查得用226編號的O型密封圈,其尺為50.39×3.53。
活塞桿與端蓋之間用Y型密封圈，它使雙作用元件具有良好的性能，抗擠壓性好，尺
寸穩(wěn)定，摩擦力小，耐磨、耐腐蝕性強。
2.2.2.4 支承導向的設計
伺服液壓缸的支承導向裝置就是為了防止活塞與缸筒、活塞活塞桿與端蓋之間的直接接觸，相互摩擦，產生磨損，從而達到降低摩擦，減少磨損,延長壽命，起到導向和支承側向力的作用。
導向環(huán)的特點：
（1）避免了金屬之間的接觸；
（2）具有高的徑向交荷承觸力；
（3）能補償邊界力；
（4）具有強耐磨性壽命；
（5）擦力??；
（6）能抑制機械振動；
（7）有良好的防塵效果,不允許外界異物嵌入；
（8）保護密封件不受過分擠壓；
（9）向時即使無潤滑也沒有液動力方面的問題；
（10）結構簡單，安裝方便；
（11）維修費用小。
導向環(huán)的作用：導向環(huán)安裝在活塞外圈的溝槽內或活塞桿導向套內圓的溝槽內，以保證活塞與缸筒或活塞桿與其導向套的同軸度,并用以承受活塞或活塞桿的側向力,用來對活塞桿導向。
根據(jù)查參考文獻[6]表24.7-13查得選用GST5908-0630的導向環(huán)。
導向套的選用為其導向長度A=(0.6-1.0)D=(30-50)mm,
取A=40mm。
2.2.2.5 防塵圈的設計
為防止落入活塞桿的塵埃，隨著活塞桿的伸縮運動被帶進端蓋和缸筒內，從而使密封件和支承導向環(huán)受到損失和過早的磨損，所以，伺服液壓缸還設計安裝防塵圈。
防塵圈的選擇原則：
（1）不給伺服液壓缸增加摩擦；
（2）不產生爬行；
（3）不粘著滯澀；
（4）不磨損活塞桿。
防塵圈的選擇不當，會引起摩擦力的增加，將保護活塞桿表面起潤滑作用的粘附性油膜層刮下來，造成粘附性滲漏，這種滲漏在原理上是允許的。
防塵圈的作用：以防止活塞桿內縮時把雜質、灰塵及水分帶到密封裝置區(qū)，損傷密封裝置。
綜上所述，經查參考文獻[2]表13-28，選用丁型無骨架防塵圈，尺寸為45mm。
2.2.2.6 阻尼液壓缸材料的選用
1.缸筒
缸筒材料：常用20、35和45號鋼的無縫鋼管。由于缸筒要與法蘭焊接在一起，故選用45號鋼的無縫鋼管。
缸筒和缸蓋的連接方式：法蘭連接；特點是結構較簡單、易加工、易裝卸，使用廣泛，外形尺寸大，重量大。缸蓋的材料為HT200，液壓缸內圓柱表面粗糙度為Ra0.2-0.4um。
2.活塞
活塞的結構形式應根據(jù)密封裝置的形式來選擇，密封形式根據(jù)工件條件而定。
塞桿:
（1）活塞桿的外端結構
活塞桿外端與負重連接，其結構形式根據(jù)工作要求而定。
（2）活塞桿的內端結構
活塞桿的內端與活塞連接。所有形式均需有鎖緊措施，以防止工作時由于往復動而松開?；钊麠U與活塞之間還需安裝密封，采用緩沖套的螺紋連接。
活塞桿：
①活塞桿導向套
活塞桿導向套裝在液壓缸的有桿腔一側的端蓋內，用來對活塞桿導向，其內側裝有密封裝置，保證缸筒有桿腔的密封性。外側裝有防塵圈，防止活塞桿內縮時把雜質、灰塵和水分帶進密封裝置區(qū)，損傷密封裝置。
②緩沖裝置
當工作機構質量較大，運動速度較高時，液壓缸有較大的動量。為了減少液壓缸在行程終端由于大的動量造成的液壓沖擊和噪音，必須采用緩沖裝置。當停止位置不要求十分準確時，可在回路中設置減速閥和制動閥，也可以在缸的末端設置。
2.2.3 滾珠絲杠的設計
2.2.3.1 絲杠螺母副的選用
1.內循環(huán)與外循環(huán)的選用
外循環(huán)滾珠絲杠是利用擋珠器一端修磨的圓環(huán)引導滾珠離開旋滾道進入回珠槽，以及引導滾珠由回珠槽，返回螺旋滾道。內循環(huán)滾珠絲杠是借助反向器迫使?jié)L珠絲杠翻越絲杠的齒頂進入相鄰滾道，內循環(huán)是因回路短、工作滾珠數(shù)少，流暢性好，摩擦損失少，傳動效率高，徑向尺寸緊湊，軸向剛度好，承載能力強等優(yōu)點，故而采用內循環(huán)滾珠絲杠（制造困難，價格貴）。
2.滾珠絲杠的軸向間隙調整和預緊方法
滾珠絲杠的軸向間隙的調整和預緊方法的原理與普通絲杠螺母相同，有調整滾珠直徑，雙螺母調隙，單螺母變導程預緊這三種，但滾珠絲杠螺母機構間隙調整精度要求高，要求能作微調以獲準確的間隙或預緊量。常用的方法有三種：墊片調隙式，螺紋調隙式，齒差調隙式。墊片調隙式常需墊片反復修磨，工作中不能隨時調整，螺紋調隙式調整量難以精確控制。齒差調隙式精度可靠，多用于調整準確性要求較高的場合。而現(xiàn)在市場多流行變位導程預緊。
3.滾珠絲杠的安裝
實踐表明：螺母座，絲杠的軸承及其支架等不足會嚴重的影響滾珠絲杠副的傳動剛度。為了提高軸向剛度，一般常用止推軸承。滾珠絲杠的支撐方式有一下四種：
a.一端裝止推軸承型；這種支撐方式僅適用于絲杠行程較短，它的支撐能力較小，軸 向剛度較低。
b.一端裝止推軸承，一端裝向心軸承，其目的是為了減少絲杠熱變形的影響。
c.兩端裝止推軸承，這種支撐對絲杠的熱伸長較為敏感。
d.兩端裝止推及向心軸承。
見下圖2.3 滾珠絲杠的支撐安裝方式。
此種支撐雖使?jié)L珠絲杠有最大的剛度，但設計計算較為復雜且軸向尺寸大，且結構復 雜，故而采用b支撐的安裝方式。
圖2.3 滾珠絲杠的支撐方式
4.滾珠絲杠提高精度的措施
為提高機床橫向進給機構的進給精度，采用各種方法和措施，但都不同程度地存在著一定的問題，現(xiàn)概括如下。
（1）采取修復或更換磨損件的方法。一些企業(yè)在機床的中修或項修過程中，采取更換新的橫向進給螺母或修復橫向進給絲杠，然后再配作螺母的方法，保障機床橫向進給機構的進給精度。這種辦法只是在機床修復后最初階段能夠保障橫向進給精度，數(shù)月后就又進入了反復調整階段，而且加大了維修成本，并沒有從根本上解決橫向進給精度問題。
（2）采用改進橫向進給絲杠支承結構或減小絲杠變形的方法。這種方法僅提高了絲杠的剛度，雖然能夠間接地減緩絲杠和螺母的磨損，但仍沒有從實質解決問題。而且改造的成本和維修費用很大。
2.2.3.2 絲杠螺母副的計算
1.滾珠絲杠螺母副承受軸向載荷時，在滾珠與滾道型面產生接觸應力，若應力狀態(tài)是交變接觸應力，它的工作狀態(tài)與滾動軸承類似，所以它的主要實效形式是疲勞點蝕損傷和變形，故其設計方法與滾動軸承相類似，故按疲勞壽命的選擇計算有公式（2.4）：
（2.4）
參數(shù)如表(2-4)。
表2-4 參數(shù)表
載荷系數(shù)
軸向工作載荷
使用壽命
計算動載荷（）
硬度影響系數(shù)
上式（2.4）中各參數(shù)的確定：
（1） ：一般＝1.2～1.5，取＝1.2。
（2）：滾珠絲杠的材料取，硬度可處理到HRC60左右，則＝1.0。
（3）：軸向工作載荷的計算可查參考文獻[4]計算工作載荷。
（4）T:
將各參數(shù)帶入公式（2.4）有：
（5）Foc=
由上式(2.4)中所計算的結果，從滾珠絲杠產品樣本中找出相應的額定動載荷值，使。參照《機床設計手冊》選取絲杠螺母副，有FFB4006-2型：查產品目錄，得＝11.6KN，使，Coa=29.2KN,然后由值確定滾珠絲杠型號。
2.2.3.3滾珠絲杠螺母副的校核
1.剛度計算：
數(shù)控機床的滾珠絲杠是最精密的元件，它在軸向力的作用下產生伸長和縮短，在扭矩的作用下產生扭曲變形這將引起絲杠導程發(fā)生變化，從而影響結構精度和定位精度，因此， 滾珠絲杠在受力情況下的變形量由公式（2.5）確定：
（2.5）
上式（2.5）中各參數(shù)的確定見表2-5。
表2-5 參數(shù)表
螺距變形總誤差
工作載荷
彈性模量
絲杠的內徑面積
扭矩彈性模量
滾珠絲杠截面積的慣性距
：
：
：
：
：
將各參數(shù)代入（2.5）后得：
對于數(shù)控機床而言，根據(jù)《機床設計手冊》表8-9可知，絲杠精度和表面光潔度選取為J級精度。
則，故絲杠可用。
2.穩(wěn)定性校核：
根據(jù)材料力學歐拉公式：
（2.6）
：絲杠材料的彈性模量取。
：絲杠的工作長度 l=360mm。
：。
：絲杠軸端系數(shù)，由軸承條件決定，由于絲杠安裝方式為兩端游動，則。
將上面的參數(shù)代入（2.6）式中：
故可以用。
3.計算絲杠系統(tǒng)的剛度，由公式（2.7）：
（2.7）
：絲杠傳動的綜合拉壓剛度
：軸承剛度
：絲杠拉壓剛度
：軸的接觸剛度
由于絲杠的拉壓剛度特別大，故可以不考慮由與傳動剛度變化而引起的定位誤差帶入公式（2.7）。
+
初選絲杠專用軸承40TAC72A，參數(shù)如下表2.6軸承參數(shù)表：
表2-6 軸承參數(shù)表
軸承型號
（）
()
（）
40TAC72A
2210
3400
14
5
40
125
則：
4.反向死區(qū)的校核：
死區(qū)誤差，是指的是系統(tǒng)啟動和反向時產生的輸入運動與輸出運動之間的差值，在開環(huán)系統(tǒng)中，由于啟動和反向死區(qū)誤差的存在，影響刀具與工件定位精度，對于反向死區(qū)可采用消隙措施減小，消隙后，根據(jù)公式（2.8）：
（2.8）
：導軌摩擦系數(shù)
：系數(shù)980
：機械傳動裝置固有頻率
，故可用。
絲杠直徑的確定：
由公式（2.8）死區(qū)誤差：
再一次說明絲杠所取的直徑可用。
2.2.4 床身鉗安裝阻尼缸部分的尺寸及臺面板尺寸的設計
根據(jù)阻尼液壓缸的尺寸，阻尼缸直徑為50mm，長度為125mm，選用阻尼缸端蓋尺寸為75mm×75mm,綜合考慮安裝等因素，確定出床身鉗安裝阻尼缸的那部分尺寸為350mm×125mm。
臺面板的尺寸根據(jù)床身鉗的上面部分尺寸確定為460mm×280mm×25mm，臺面板隨著液壓缸的驅動實現(xiàn)進給運動。
3 基于UG的橫向機構三維建模與虛擬裝配
3.1 UG軟件的簡介
UG是Unigraphics的縮寫，這是一個交互式CAD/CAM（計算機輔助設計與計算機輔助制造）系統(tǒng)，它功能強大，可以輕松實現(xiàn)各種復雜實體及造型的建構。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發(fā)展和個人用戶的迅速增長，在PC上的應用取得了迅猛的增長，目前已經成為模具行業(yè)三維設計的一個主流應用。
UG的開發(fā)始于1969年，它是基于C語言開發(fā)實現(xiàn)的。UG NX是一個在二和三維空間無結構網(wǎng)格上使用自適應多重網(wǎng)格方法開發(fā)的一個靈活的數(shù)值求解偏微分方程的軟件工具。其設計思想足夠靈活地支持多種離散方案。因此軟件可對許多不同的應用再利用[1]。
UGS公司的Unigraphics NX為產品設計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段，并針對虛擬產品設計和工藝設計的需求，提供了經過實踐驗證的解決方案。它能夠使企業(yè)通過新一代數(shù)字化產品開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)向產品全生命周期管理轉型的目標。它提供了一套完整的集成解決方案，從流程開始一直到產品最終交付，匯聚了風格與樣式、設計、仿真、加工和制造各項功能。
UG的發(fā)展歷史
1960年，McDonnell Douglas Automation 公司成立。
1976年，收購了Unigraphics CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的開發(fā)商——United Computer 公司，UG的雛形問世。
1983年，UG 上市。
1986年，Unigraphics吸取了業(yè)界領先的、為實踐所證實的實體建模核心——Parasolid的部份功能。
1989年，Unigraphics宣布支持UNIX平臺及開放系統(tǒng)的結構，并將一個新的與STEP標準兼容的三維實體建模核心Parasolid引入UG。
1990年，Unigraphics作為McDonnell Douglas（現(xiàn)在的波音飛機公司）的機械CAD/CAE/CAM的標準。
1991年，Unigraphics開始了從CAD/CAE/CAM大型機版本到工作站版本的轉移。
1993年，Unigraphics引入復合建模的概念，可以實體建模、曲線建模、框線建模、半?yún)?shù)化及參數(shù)化建模融為一體。
1995年，Unigraphics首次發(fā)布了Windows NT版本。
1996年，Unigraphics發(fā)布了能自動進行干涉檢查的高級裝配功能模塊、最先進的CAM模塊以及具有A類曲線造型能力的工業(yè)造型模塊：它在全球迅猛發(fā)展，占領了巨大的市場份額，已經成為高端及商業(yè)CAD/CAE/CAM應用開發(fā)的常用軟件。
1997年，Unigraphics新增了包括WAVE（幾何鏈接器）在內的一系列工業(yè)領先的新增功能。WEAV這一功能可以定義、控制、評估產品模板，被認為是在未來幾年中業(yè)界最有影響的新技術。
2000年，Unigraphics發(fā)布了新版本的UG17，最新版本的，是UGS成為工業(yè)界第一個可以裝載包含深層嵌入“基于工程知識”（KBE）語言的世界級MCAD軟件產品的供應商。
2001年，Unigraphics發(fā)布了新版本UG18，新版本對舊版本的對話框進行了調整，使得在最少的對話框中能完成更多的工作，從而簡化了設計。
2002年，Unigraphics發(fā)布了UG NX1.0.新版本繼承了UG18的優(yōu)點，改進和增加了許多功能，使其功能更強大，更完美。
2003年，Unigraphics發(fā)布了新版本UG NX2.0 。新版本基于最新的行業(yè)標準，它是一個全新支持PLM的體系結構。EDS公司同其主要客戶一起，設計了這樣一個先進的體系結構，用于支持完整的產品工程。
2004年，Unigraphics發(fā)布了新版本的UG NX3.0，它為用戶的產品設計與加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段，。它針對用戶的虛擬產品的設計和工藝設計的需要，提供經過實踐驗證的解決方案。
2005年，Unigraphics發(fā)布了新版本的UG NX4.0.它是嶄新的NX體系結構，使得開發(fā)與應用更加簡單和快捷。
2007年04月， UGS公司發(fā)布了NX5.0 – NX的下一代數(shù)字產品開發(fā)軟件，幫助用戶以更快的速度開發(fā)創(chuàng)新產品，實現(xiàn)更高的成本效益。
2008年06月，Siemens PLM Software發(fā)布NX6.0，建立在新的同步建模技術基礎之上的NX 6將在市場上產生重大影響。同步建模技術的發(fā)布標志著NX的一個重要里程碑，并且向MCAD市場展示Siemens的鄭重承諾。 NX 6將為我們的重要客戶提供極大的生產力提高。
2009年10月 – 西門子工業(yè)自動化業(yè)務部旗下機構、全球領先的產品生命周期管理（PLM）軟件與服務提供商Siemens PLM Software 宣布推出其旗艦數(shù)字化產品開發(fā)解決方案NX 軟件的最新版。NX 7.0引入了“HD3D”（三維精確描述）功能，即一個開放、直觀的可視化環(huán)境，有助于全球產品開發(fā)團隊充分發(fā)掘PLM信息的價值，并顯著提升其制定卓有成效的產品決策的能力。此外，NX 7.0還新增了同步建模技術的增強功能。修復了很多6.0所存在的漏洞，穩(wěn)定性方面較6.0有很大的提升。
2010年5月20日Siemens PLM Software在上海世博會發(fā)布了功能增強的NX7最新版本（NX 7.5），NX GC 工具箱將作為NX 7最新版本的一個應用模塊與NX 7一起同步發(fā)布。NX GC 工具箱是為滿足中國用戶對NX特殊需求推出的本地化軟件工具包。在符合國家標準（GB）基礎上，NX GC 工具箱做了進一步完善和大量的增強工作。
2011年09月-Siemens PLM Software發(fā)布了UG8.0。
2012年10月-Siemens PLM Software發(fā)布了UG8.5[7]。
3.2 主要零部件的三維建模
UG為用戶提供了強大、廣泛的產品設計應用模塊，它具有高性能的機械設計和制圖功能。它為靈活地制造設計產品提供了可能性，以滿足客戶設計任何復雜產品的需要。除組件設計處，UG還提供了強大的基于系統(tǒng)產品建模和協(xié)同的產品級裝配設計方法。
一般來說，UG的建模，首先要建立基本的幾何體，然后在上面添加其他的特征。不同的應用領域有不同的特征，其分類方法也各不相同，對于機械產品的實體模型及其工程圖紙信息，可將常用的特征
15
信息分為管理特征、技術特征、材料特征、精度特征、形狀特征、裝配特征等六大類。在建模工程中，最常用的是零部件的形狀特征，在此可以進一步的分解出零件的形體特征類。
本橫向機構的形狀特征主要包括：床身鉗，臺面板，滾珠絲杠副，調節(jié)絲杠，線軌，阻尼液壓缸等部分。下面介紹一下軸承內外圈加工專用機床橫向機構的建模過程。
1.臺面板的建模
根據(jù)第二章的數(shù)據(jù)，已知臺面板的尺寸。
在臺面板建模的過程中，需要用到多種不同的UG建模工具，具體如下：
（1）“草圖繪制”：主要用于繪制曲線草圖，需要先繪制曲線，然后才能創(chuàng)建曲面和實體特征。點擊“插入”“草圖”，彈出創(chuàng)建草圖對話框，選擇類型為“在平面上”，然后根據(jù)第二章的數(shù)據(jù)畫出主視圖。如圖3.1所示：
圖3.1 臺面板草圖的繪制
（2）“拉伸”命令：用于創(chuàng)建曲面特征，也就是將繪制的曲線拉伸成曲面，創(chuàng)建拉伸實體。如圖3.2所示：
圖3.2 臺面板的拉伸
（3）“孔”命令：通過沉頭孔、埋頭孔和螺紋孔選項向部件或裝配中的一個或多個實體添加孔。如圖3.3所示：
圖3.3 臺面板的打孔
（4）“鏡像”命令：對于對稱結構而言，這個工具特別有用，可以節(jié)省創(chuàng)建特征的時間，同時操作比較準確方便。如圖3.4所示：
圖3.4 臺面板的三維建模
2.床身鉗的建模
床身鉗主要起安裝、支撐其它部件的作用，如阻尼液壓缸要安裝在其里面，線軌和滾珠絲杠要安裝在床身鉗上表面上，床身鉗的尺寸在第2章中已經得出，它的建模比較復雜，涉及到拉伸、打孔、挖槽、抽殼、倒角等特征操作。其模型見圖3.5所示：
圖3.4 床身鉗的三維建模
3.3 阻尼液壓缸的虛擬裝配
3.3.1 基于UG的高級裝配功能
1.出現(xiàn)在Assemblies-Advanced下的所有功能：包括建立纏繞裝配，建立連接的外型，建立操縱區(qū)，建立小平面表示，Script(腳本）[13]。
2.出現(xiàn)在Analysis-Assembly Clearance下的所有功能：包括設定間隙區(qū)、選擇分析對象、執(zhí)行各種間隙分析、接觸干涉、軟干涉、硬干涉和包容干涉。
3.出現(xiàn)在File-Open-Options或File-Options-Load Options 中的利用最后組件集、利用最后過濾器和規(guī)定過濾器。
UG虛擬裝配技術常用的術語：
（1）裝配（Assembly）表示一個產品的零件盒子裝配的集合。在UG中，裝配體是包含組件對象的一個部件文件。
（2）組件對象（Component Objects）在一個裝配內，在一特定位置和方位上一個部件的使用。一個組件可以是一個由其他低級組件組成的一個子裝配。在一個裝配中的每個組件僅含有一個指向它的主要幾何體的指針，當修改一個組件的幾何體時，在作業(yè)中利用同一主要幾何體的所有其他組件將自動反映這一變化。
（3）組件部件（Component Part）在一個裝配內由一組件對象的指針所指向的部件文件。實際的幾何體存儲在組件中并由裝配體引用而不是復制。
（4）組件成員（Component Members）顯示在裝配件內來自組件部件的幾何對象。如果使用引用集，組件成員可能是在組件部件中的所有幾何體的一個子集，也稱為組件幾何體。
（5）上下文設計（Design in Context)當組件幾何體顯示在裝配件中時，直接編輯它的能力?？梢赃x擇來自其他組件的幾何體輔助建模，也稱為就地編輯。
（6）自頂向下建模（Top-down Modeling）在這種建模技術中，當工作在裝配級時可以建立和編輯組件部件。在裝配級上做的幾何體改變立即自動地反映在個別組件中。
（7）從底向下建模（Bottom-up Modeling）在這種建模技術中，它們使用于某些高級裝配內的孤立狀態(tài)中設計和編輯組件部件。當打開反映在零件級做的幾何編輯時，所有利用該組件的裝配件自動地更新。
（8）顯示的部件（Displayed Part）當前顯示在圖形窗口中的部件。
（9）工作部件（Work Part）用戶在其中建立和編輯幾何體的部件。工作部件可以是顯示的部件或是包含在顯示的裝配部件中的任一組件部件。當顯示一零件時，工作部件總是與顯示部件相同。
（10）裝載的部件（Loaded Part）當前打開和在內存中的任一部件。部件利用File-Open命令裝載，當它們被用于一般裝配中時被隱式打開。
（11）引用集（Reference Set）來自一部件的命名的幾何體集合，可以用來在高級裝配中簡化組件部件的圖形顯示。
（12）配對條件（Mating Condition）對一單個組件定位的約束集。在一裝配體中，每個組件都可以有一個配對條件，盡管配對條件可以由對其他組件的關系組成。
（13）裝配導航器，提供了裝配結構的圖形顯示，為在其他功能中使用選擇和操作組件[8]。
UG的虛擬裝配方法：
UG根據(jù)裝配體與零件之間的引用關系，提供了3種建立裝配體的方法，即自底向上設計（Bottom-up）、自頂向下（Top-down）設計和混合裝配方法。
（1）自底向上裝配指首先在設計過程中設計零部件模型，然后組合成子裝配體，最后生成裝配部件的裝配方法。這種裝配方式需要設計人員交互的給定配合構件之間的約束關系，然后由UG系統(tǒng)自動計算出構件的轉移矩陣，并實現(xiàn)虛擬裝配。
（2）自頂向下裝配指首先設計完成裝配體，并在裝配體中創(chuàng)建零部件模型，然后拆成子裝配體和單個可以直接用于加工的零件模型。這種設計方式可以方便、直接的進行設計，由一個由粗入精的過程，多用于全新的開發(fā)過程，可以保證設計出的產品相互間有一個合理的位置?；谧皂斚蛳碌难b配設計技術也與工程實際相符合，而UG的裝配建模技術完全支持自頂向下的設計方法。這樣在虛擬裝配操作中，設計者可以根據(jù)需要混合使用以上兩種裝配方法。
（3）混合裝配是指將自頂向下裝配和自底向上裝配結合在一起的裝配方法，即首先創(chuàng)建幾個主要