机械设计制造及其自动化毕业设计--终稿.pdf

1、河北工程大学毕业设计 I 摘要 制造业是国民经济的基础，而加工中心是当今先进制业的核心装备。床身在加工中心中起着基础支撑的作用，它的精度、刚度将极大影响加工质量。主要进行了加工中心的床身设计。主要遵从满足使用要求下的高刚度、高精度、低重量、低成本的设计原则。开篇介绍了加工中心的发展现状，以及未来的发展方向。进而详细的对加工中心的床身进行了结构设计、截面形状设计、肋板肋条布置形式设计、窗孔设计以及制造工艺的设计。依据以上设计确定了三套预选方案，最后从设计原则出发确定了最合适的方案。根据设计结果利用 Pro/Engineer 对床身组件进行了数字化建模设计，并进行了装配设计、干涉检验以及受力分析。

2、本论文还运用了 CAXA、Pro/Engineer、SolidWorks 完成了加工中心床身的二维视图、三维视图、数字化设计以及有限元分析。关键词：加工中心，床身，数字化设计，Pro/Engineer，SolidWorks 河北工程大学毕业设计 II Abstract Manufacturing industry is the foundation of national economy,and Machining Center is the core of todays advanced equipment of manufacturing industry.In the machining

3、 center bed plays a fundamental role,its accuracy,stiffness will greatly affect the processing quality.It is mainly about the design of bed.The principles of my design are:high accuracy,low weight and low-cost.At the beginning of my thesis I described the current situation and future development of

4、Machining Center.And also I did a lot on the structural design,cross section design,layout design of rib floors,windows design and manufacturing process design.Concerning the principles I have made above,three pre-designed programs are created,after a through consideration the last pre-designed prog

5、ram is the most appropriate solution.Based on the results of my design I use Proe to finish components digital modeling design and also carried out assembly design,interference detection,and stress analysis.We have finished the task that two-view drawing,three-view drawing,parametric design and fini

6、te element analysis support by using CAXA,Pro/Engineer and Ansys.Keywords:machining center,bed,digital design,Pro/Engineer,SolidWorks 河北工程大学毕业设计 I 目录目录 摘要摘要.I Abstract.II 第第 1 1 章章 绪论绪论.1 1.1 研究本课题的重要意义.1 1.2 加工中心的发展现状.2 1.3 加工中心的发展方向.3 1.3.1 高速高效、高精度、高可靠性.3 1.3.2 模块化、智能化、柔性化.4 1.3.3 复合化.5 1.3.4 开放性

7、体系结构.5 1.3.5 网络化.6 1.3.6 行业化.6 1.4 论文的主要内容.6 第二章第二章 立式加工中心的总体设计立式加工中心的总体设计.8 2.1 加工中心设计的基本要求.8 2.1.1 工艺范围.8 2.1.2 加工精度.10 2.1.3 开放性.10 2.1.4 生产效率.11 2.1.5 可靠性.12 2.1.6 加工中心的宜人性.13 2.2 机床总体方案设计.13 2.2.1 运动个数和形式的确定.13 2.2.2 机床总体布局.14 第三章第三章 立式加工中心床身设计立式加工中心床身设计.17 3.1 床身的功能以及相关要求.17 3.1.1 立式加工中心床身的作用.

8、17 河北工程大学毕业设计 II 3.1.2 立式加工中心床身的基本要求.17 3.2 立式加工中心床身的结构设计.19 3.2.1 床身结构.19 3.2.2 床身支承.20 3.2.3 正确选择床身截面形状及尺寸.21 3.2.4 合理布置肋板和肋条.23 3.2.5 合理的开窗加盖.25 3.2.6 依据上述理论建立的三套床身底座方案.27 第第 4 4 章章 立式加工中心床身数字化建模及静力学分析立式加工中心床身数字化建模及静力学分析.30 4.1 立式加工中心床身数字化建模.30 4.1.1 Pro/Engineer 简介.30 4.1.2 机构数字化建模基本理论.31 4.1.3

9、加工中心床身的建模.35 4.1.4 机构虚拟装配仿真.38 4.1.5 虚拟装配干涉检验.41 4.2 床身的受力分析.43 4.2.1 SolidWorks Simulation 简介.43 4.2.2 模型导入.44 4.2.3 建立有限元模型.45 4.2.4 划分网格.45 4.3 静力学分析结果.47 4.3.1 约束和载荷处理.47 4.3.2 分析结果.47 第五章第五章 结论结论.49 5.1 论文总结.49 5.2 课题的展望和建议.49 参考文献参考文献.51 致谢致谢.52 河北工程大学毕业设计 1 第 1 章 绪论 1.1 研究本课题的重要意义 制造业是国民经济的基础

10、产业，是社会财富的主要来源，据世界一些国家的统计，制造业的增加值占 GDP 均在 20%以上，制造业的水平高低是衡量一个国家综合实力和科技发展水平的重要标志。世界经济的竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争，谁掌握了先进制造技术，谁就能制造出高水平的产品，谁就能掌握市场，就能在市场中立于不败之地。所以，重视和发展先进制造技术实质上是经济竞争的需要，换言之，制造技术的发展是被经济发展推动前进的。随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品的更新速度越来越快，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。激烈的市场竞争使产品的研制生产周期越来越短。传统的加工设备

11、和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效、高质量的加工要求。因此，大力发展先进的制造技术己成为世界各国的最重要的几大技术战略之一，先进制造技术已经成为各国间竞争与产品革新的一种重要手段。世界范围内各工业强国为了争夺这一重要领域的优势地位纷纷制订了本国的先进制造技术发展计划。加入 WTO 以来我国作为制造业大国在世界范围内越来越多的扮演着世界工厂的角色，为了完成从制造业大国向制造业强国的转变，先进制造技术的重要性已经引起各界的关注和重视，被列为“十五”计划和 2010 年中长期科研发展规划中的主要关键技术和重要发展方向。数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国

12、制造业广泛采用先进数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此，伴随计算机技术高速发展与普及，在现代制造系统朝着智能化、集成化、综合化和网络化发展的今天，大力开发自主数控技术突破发达国家对我国的技术封锁，深入研究新一代数控技术有着重要的实用价值和战略意义。随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展，现代制造企业环境发生了重大的变化，其变化的主要特征为，产品生命周期缩短；交货期成为主要竞

13、争因素；大市场和大竞争已基本形成；用户需求个性化，多品种小批量生产比例增大。为此，制造企业的战略从 20 世纪 50 年代和 60 年代资源经济的“规模效益第一”，经过 70 年代和 80 年代“价格竞争第一”和“质量竞争第一”，发展到 90 年代“市场响应速度第一”及面向 21河北工程大学毕业设计 2 世纪知识经济的“技术创新第一”。与此同时，现代制造业随之出现了适应这种发展的新模式和新哲理，其核心在于：在制造企业中全面推行数字化设计与制造技术，通过在产品全生命周期中的各个环节普及与深化计算机辅助技术、系统及集成技术的应用，使企业的设计、制造、管理技术水平全面提升，促进传统产业在各个方面的技

14、术更新，使企业在持续动态多变、不可预测的全球性市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势。1.2 加工中心的发展现状 我国正处在，经济发展的关键时期，机械加工中心是我们的薄弱环节。只有跟上先进制造技术的世界潮流，将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施，才能尽快缩小与发达国家的差距，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。加工中心最初是从数控机床发展而来的。第一台加工中心是 1958 年由美国卡尼特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置。从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。二十世纪 70 年代以来。加工中心得到迅速发

15、展。出现了可换主轴箱加工中心。它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。机械制造技术是研究产品设计、生产、加工制造、销售使用、维修服务乃至回收再生的整个过程的工程学科，是以提高质量、效益、竞争力为目标。包含物质流、信息流和能量流的完整的系统工程。2009 年 3 月在上海举行的“中国加工中心展览会”上。展出了多台国内生产的五轴加工中心。如济南二机床集团公司展出的龙门式五轴联动加工中心。工作台长 6m。宽 2m，采用立式主轴回转，A 轴转角100 度，C 轴转角200 度。这个庞然大物吸引了许多参观者。它标志着中国加工中心工业达到了先进水平。上海第三机床厂、第四机床

16、厂制造的立卧加工中心，工作台 630mm，采用高速内冷电主轴，主轴可立、卧转换，工作台可以 360等分。类似于上述简单配置为立、卧转换的三轴加工中心。可对工件实现五面体加工。尽管还没有配置五轴，也非常实用。现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备。它加工范围广，使用量大。近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工；有专门用于模具加工的高性能加工中心。有集成三维 CADCAM 对模具复杂的曲面超精加工，还有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心。生产效率高且具备柔性化。普遍采用了万转以上的电主轴，最高可达 610 万转；直线电机

17、的应用使机床加速度达到了 35g；执行 ISOVDI 检测标准，促使制造商提高加工中心的双向定位精度，糅合了激光加工的复合功能。结构上适合于组成模块式制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS)，并具有机电通讯一体化功能。河北工程大学毕业设计 3 1.3 加工中心的发展方向 数控技术与加工中心的发展已经走过了半个多世纪的历程，随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对加工中心各个组成部分提出了更高的性能指标。当今的加工中心正在不断采用最新技术成就，朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。具

18、体表现在以下几个方面。1.3.1 高速高效、高精度、高可靠性 高速高效 提高生产率是机床技术追求的基本目标之一。加工中心的高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可以提高零件表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产具有广泛的适用性。新一代加工中心通过高速化大幅度缩短了切削工时，进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速切削与新一代加工中心的开发应用紧密相连。20 世纪 90 年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速加工中心，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转速 15000100000r/min）、高速且

19、高加速度进给运动部件（快速移动速度60120m/min，切削进给速度高达 60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能机床执行部件进行高精度、高响应速度的实时处理，由于采用了新型刀具，车削和铣削的切削速度已经达到 50008000m/min 以上，主轴转速在 30000r/min 以上（有的高达105r/min）；工作台的移动速度（进给速度），在分辨率为 1 m 时，达到 100m/min（有的达到 200m/min）以上，在分辨率为 0.1 m 时，达到 24m/min 以上；加工中心换刀时间从 510s

20、减少到小于 1s，工作台交换时间也有 1220s，减少到 2.5s 以内。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料，大功率高速电主轴、高加速度直线电机驱动进给部件、高性能控制系统（全监控系统）、防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，还将出现新一代高速加工中心。高精度 从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工）是世界各工业强国致力发展的新方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级，其应用范围日益广泛。精密化是为了适应高新技术的发展需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高，为了满足用户的要求

21、，十多年来，普通级加工中心加工精度已由10 m 提高到5 m，精密级加工中心的加工精度则从(35)m 提高到(11.5)m。河北工程大学毕业设计 4 高可靠性 加工中心的可靠性一直是用户关心的指标。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少源器件的数量，提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种功能的控制要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件的生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示及时排除

22、故障；利用容错技术。对重要部件采用冗余设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当发生超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。1.3.2 模块化、智能化、柔性化 模块化、专门化 为了适应加工中心多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显着提高并加快优化。智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产柔性化、自动化发展要求，智能化正在成为数控设备研究及发展的热点。它不仅贯穿在生产加工的全过程（如智能编程、智能数据库、智能监控），还贯穿在产品的售后服务和维修中，目前采取的主要技术措施包括以下几个方面。A.为追求加工效率和加工质量

23、方面的智能化，如自适应控制、工艺参数自动生成。自适应控制可根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使在加工过程中机床始终能够保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产率，达到改进系统运行状态的目的。如通过监控切削过程中的刀具磨损、破损、切削形态、切削力及零件的加工质量等，向制造系统反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自适应调节。B.为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载，自动选定模型等。C.简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等。D.智

24、能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维护等。在整个工作状态中，系统随时对 CNC 系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等，并利用冗余技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。柔性化 柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、适用性为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控加工中心在提高单机柔性化的同时，

25、朝着单河北工程大学毕业设计 5 元柔性化和系统柔性化方向发展，如数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心等。1.3.3 复合化 复合化包含工序复合化和功能复合化。加工中心的发展已经模糊了粗精加工工序的概念。加工中心的出现，又把车、铣、镗等工序集中到一台机床来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限度的提高设备的利用率。为了进一步提高功效，现代加工中心有采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，如各类五面体加工中心。另外，现代数控系统的控制轴数也在不断的增加，有的多达 15 轴，其同时联动的轴数已达 6 轴。沈阳机床股份有限公司开发的五轴车铣中心，刀

26、库容量 16，可控 X、Y、Z、B、C 五个轴，具有车削中心加铣削中心的特点。上海重型机床厂开发的双主轴倒顺式立式车削中心，第一主轴正置，第二主轴倒置，主轴具有 C 轴功能，采用 12 工位动力刀架，具有自动上下料装置、全封闭等多种防护装置，可一次上料完成零件正反面加工，包括车削、镗孔、钻孔、攻丝等多道工序，适用于大批量轮毂、盘类零件加工。采用五轴联动对三维曲面的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅粗糙度小，而且效率也大幅度提高。但过去因五轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比三轴联动加工中心高出数倍，加之编程技术难度大，制约了五轴联动数控加工中心的发展。由于电主轴的出现，使得五轴

27、联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造成本和难度大幅度降低，数控系统价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型五轴联动机床和复合加工机床（含五面加工机床）的发展。1.3.4 开放性体系结构 为适应数控进线、联网、普及型、个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，需设置开放性体系结构，设计生产开放式的数控系统。计算机技术的飞速发展推动加工中心技术更快的更新换代，世界上许多数控系统生产厂家开发了开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。其新一代数控系统的硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软

28、、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大的方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用。既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控加工中心的数控系统，开发生产周期大大缩短。这种数控系统可随CPU 的升级而升级，结构上不必改动，是数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心（NCMS）与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”。NGC，欧共体的“自河北工程大学毕业设计 6 动化系统中开放式体系结构”OSACA，日

29、本的 OSEC 计划等。开发研究结果已得到了应用，如 Cincinnati-Milacron 公司在其生产的加工中心上采用了开放式体系结构的 A2100 系统。1.3.5 网络化 网络化是数控近几年来的一个新亮点。加工中心的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。先进的 CNC 系统为用户提供了强大的联网能力，除有 RS232 串行接口、RS422 等接口外，还带有远程缓冲功能的 DNC 接口，可以实现几台加工中心、加工中心之间的数据通信和直接对机床进行控制。现代加工中心为了适应自动化技术的进一步发展和工厂自

30、动化规模越来越大的要求，满足不同厂家不同类型加工中心联网的要求，已配备与工业局域网（LAN）通讯的功能以及 MAP（Manufacturing Automation Protocol制造自动化协议）接口。为现代加工中心进入 FMS 及 CIMS 创造了条件，促进了了系统集成化和信息的综合化，是远程操作和监控、遥控及远程故障诊断成为可能。不仅利于数控系统生产厂家对其产品的监控和维修，也适用于大规模现代化生产的无人化车间，实行网络管理，还适于在操作人员不宜到现场的环境（如对环境要求很高的超精密加工和对人体有害的环境）中工作。1.3.6 行业化 行业化指加工中心的总成生产、部件的生产制造行业。除了具

31、有加工中心整机的生产之外，目前已经形成专门的零部件生产厂家。比如：主轴组件、刀库、回转工作台等主要部件有专门的厂商生产（含模块化的概念）；另外，滚珠丝杠、伺服驱动及其电机、测量装置、数控装置、数控刀具、组合夹具等有专门的厂商生产并形成系列产品。1.4 论文的主要内容 首先依据要求对机床进行总体设计，然后依据总体设计，在计算机上完成机床二维图纸到三维实体的转换，建立具有视觉动感效果的机床三维虚拟样机模型。然后对整机进行装配仿真，直观的观察其自身的相对运动及干涉，同时利用有限元法分析计算机床床身大件的动力学特性参数，最后根据干涉分析报告和动力学分析报告对机床结构进行改进和优化。本论文共分为五章，具

32、体内容如下：第一章 绪论 介绍课题的技术背景、课题来源、加工中心的发展现状及未来发展趋势。第二章 立式加工中心的总体设计 主要说明了加工中心的基本技术要求、总体布局以及加工中心主要参数的确定。第三章 立式加工中心床身数字化建模设计 介绍了床身的功能以及相关要求、结合所河北工程大学毕业设计 7 学知识对床身进行结构设计以及完成了床身的数字化建模设计。通过数字化建模设计，对零件进行了虚拟装配仿真，并对虚拟装配模型进行了干涉检验，校验机床结构设计方案的正确性，对加工中心整体设计提出改进和优化方案。第四章 立式加工中心床身仿真分析 通过对床身结构的受力分析，应用有限元方法对床身进行应力应变分析，获得机

33、床力学分析报告。第五章 结论主要总结论文所作的研究工作及论文的研究意义，并展望课题进一步深人研究的方法。河北工程大学毕业设计 8 第二章 立式加工中心的总体设计 2.1 加工中心设计的基本要求 2.1.1 工艺范围 加工中心的工艺范围是指机床适应不同的生产要求的能力，任何一台加工中心能完成的工件的类型，工件材料，工件尺寸，毛胚形式和工序等都有一定的范围 铣削加工是机械加工中最常用的加工方法之一，它主要包括平面铣削和轮廓铣削，也可以对零件进行钻、扩、铰、镗、锪加工及螺纹加工等。数控铣削主要适合于下列几类零件的加工。.平面类零件 平面类零件是指加工面平行或垂直于水平面，以及加工面与水平面的夹角为一定值的零件，这类加工面可展开为平面。如图 2-1 所示。其中，曲线轮廓面垂直于水平面，可采用圆柱立铣刀加工。凸台侧面与水平面成一定角度，这类加工面可以采用专用的角度成型铣刀来加工。对于斜面，当工件尺寸