機械虛擬樣機技術畢業(yè)設計論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　第一節(jié) 虛擬樣機技術……………………………………………………… 3</p><p>　　第二節(jié) 虛擬樣機的技術組成……………………………………………… 4</p><p>

2、;　　第三節(jié) 利用PRO/E建立模型并進行虛擬裝配…………………………… 5</p><p>　　3.1 用 PRO/E建立裝配模型…………………………………………… 5</p><p>　　3.2 系統(tǒng)的體系結構…………………………………………………… 6</p><p>　　第二章 傳動設計…………………………………………. 7</p>

3、;<p>　　第一節(jié) 主運動鏈轉速圖的擬定…………………………………………… 7</p><p>　　1.1 傳動組和傳動副數(shù)的確定………………………………………… 8</p><p>　　1.2 結構網(wǎng)或結構式各種方案的選擇………………………………… 8</p><p>　　第二節(jié) 齒輪齒數(shù)的確定………………………………………………..

4、. 12 2.1 齒輪齒數(shù)的確定原則有以下幾條…………………………………. 12</p><p>　　第三章 計算轉速，傳動件的估算14</p><p>　　第一節(jié) 主軸、各傳動軸、各齒輪…………………………………………... 15</p><p>　　1．1主軸…………………..………………………...…..……………………15</p&g

5、t;<p>　　1.2 各傳動軸 15</p><p>　　1.3各齒輪 16</p><p>　　第二節(jié) 各軸直徑的估算............................................................................ 16</p><p>　　第三節(jié) 齒輪模數(shù)的計算 17&l

6、t;/p><p>　　第四節(jié) 選定齒輪類型，精度等級，材料,齒輪結構的設計.............................19</p><p>　　第五節(jié) 雙聯(lián)和三聯(lián)滑移齒輪軸向長度的確定..............................................20</p><p>　　第六節(jié) 齒寬確定20</p>&l

7、t;p>　　第七節(jié) 傳動軸間的中心距21</p><p>　　第四章 傳動組件的設計23</p><p>　　第一節(jié) 三角帶傳動的計算23</p><p>　　第二節(jié) 軸承的選擇24</p><p>　　第三節(jié) 主軸直徑的初選24</p><p>　　第四節(jié) 主軸懸伸量的確定25<

8、/p><p>　　第五章 建模28</p><p>　　第一節(jié) 軸1的建模28</p><p>　　第二節(jié) 軸2的建模29</p><p>　　第三節(jié) 軸3的建模31</p><p>　　第四節(jié) 軸4的建模31</p><p>　　第五節(jié) 裝配圖32</p>

9、<p>　　第六章 結論與展望32</p><p>　　第一節(jié) 結論32</p><p>　　第二節(jié) 展望33</p><p>　　參考文獻.............................................34</p><p>　　致謝..............................

10、...................36

11、

12、 </p><p><b>　　引言</b></p><p>　　第一節(jié) 虛擬樣機技術</p><p>　　虛擬樣機技術是一種嶄新的產品開發(fā)方法，它是一種基于產品的計算機仿真模型的數(shù)字化設計方法。這些數(shù)字模型即虛擬樣機，它從視覺，聽覺，觸覺以及功能和行為上的模擬真實產品。</p&g

13、t;<p>　　虛擬樣機技術是一門綜合多學科的技術。該技術以機械系統(tǒng)運動學，動力學和控制理論為核心，加上成熟的三維計算機圖形技術和基于圖形的永和界面技術，將分散的零部件設計和分析技術集成在一起，不斷的指導設計，保證產品尋優(yōu)開發(fā)過程順利進行。</p><p>　　隨著全球經濟的一體化，工程機械產品市場的競爭日益激烈。為了提高市場競爭力，各企業(yè)必須不斷縮短新產品的研發(fā)周期，提高產品質量、性能，降低開發(fā)成

14、本。在這種需求下，以虛擬現(xiàn)實技術為代表的計算機技術不斷發(fā)展，使虛擬設計逐步成為機械領域一種新的現(xiàn)代化設計手段。機械領域中的虛擬樣機技術又稱為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術，是20世紀80年代隨著計算機技術發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程(CAE)技術。機械工程技術人員通過在計算機上建立樣機模型，對模型進行各種動態(tài)性能分析，然后改進樣機設計方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機，這可以大大的簡化機械產品的設計開發(fā)過程，大幅度縮減產品開發(fā)周期，大

15、量減少產品開發(fā)費用和成本，明顯提高產品的質量和系統(tǒng)性，從而獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設計產品。因此，虛擬樣機技術在90年代特別是進人21世紀以后得到了迅速發(fā)展和廣泛應用，許多工業(yè)發(fā)達國家的有關機構和大學、著名制造商紛紛將虛擬樣機技術引人到自己的產品開發(fā)中，并取得很好的經濟效益。</p><p>　　目前，機械領域虛擬樣機技術在一些發(fā)達國家，如美國、德國、日本等已得到廣泛的應用。例如：約翰迪爾是一家具有160多年歷史的全球

16、性機械行業(yè)跨國公司，總部設在美國伊利諾伊州。為了解決工程機械在高速行駛時的蛇行現(xiàn)象以及重載下機械的自激震動問題，公司的工程師利用虛擬樣機技術，不僅找到了原因，而且提出了改進方案，并在虛擬樣機上得到驗證，從而大大提高了產品的高速行駛性能與重載作業(yè)性能。世界上最大的工程機械制造商卡特彼勒公司的工程師采用虛擬樣機技術，對裝載機和挖掘機的工作裝置進行了上萬個工位的運動和受力分析。還有像波音、通用、福特等世界性的大公司都在不同程度的將虛擬樣機技術

17、引人到自己的產品開發(fā)中，并取得非常好的經濟效益。</p><p>　　在我國，機械虛擬樣機技術在某些領域也已得到了一定的應用和推廣。例如月球表面探測機器人方案研究，就是運用虛擬樣機技術對涉及到的多項關鍵技術進行深入研究，并取得可喜成果的。但從目前我國的情況來看，機械虛擬樣機技術還主要只是在專業(yè)研究機構和高校研究機構中應用，只能算是初級應用階段。由此可見，我國機械虛擬樣機技術存在著很大的發(fā)展空間。</p>

18、;<p>　　虛擬樣機從其發(fā)展的歷程來看，大致分為2個階段。第1階段是分析型虛擬樣機(Analytical Virtual Prototyping)，這類虛擬樣機主要依賴鍵盤、鼠標、顯示器等常規(guī)計算機輸入輸出設備，進行分析和仿真。這類虛擬樣機給設計者提供如動力學分析曲線、FEA分析數(shù)據(jù)等非感性信息和3D模型等半感性信息。目前比較成熟的軟件是MSC．Software公司的ADAMS和CADSI公司的DADS。但是分析型虛擬樣

19、機側重于零部件的分析，對整體結構的分析能力不足。</p><p>　　虛擬樣機發(fā)展的第2階段是沉浸型虛擬樣機(Immersive Virtual Prototyping)，這類虛擬樣機依賴于計算機硬件技術的發(fā)展、利用實時渲染及模擬操縱等人機交互技術，并配備數(shù)據(jù)手套、頭盔等設備，使得設計者能夠身臨其境地感受到產品的真實存在，在虛擬環(huán)境下對產品進行分析和處理。虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展為虛擬樣機技術提供了這種新的人機交互方式

20、。數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)頭盔等的出現(xiàn)給虛擬樣機技術的發(fā)展帶來了機遇。在虛擬現(xiàn)實的條件下，對虛擬樣機技術設計的產品進行測試和評估將是今后虛擬樣機技術的主要發(fā)展方向，簡而言之，就是在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的虛擬樣機技術。 </p><p>　　第二節(jié) 虛擬樣機的技術組成</p><p>　　首先，對產品的計算機的仿真是必須的。在現(xiàn)階段，一個三維的實體模型是一個被廣泛接受用來展示產品的主要形式，而且通常

21、一個參數(shù)化的模型。這樣的模型可以準確的描述產品的拓撲信息和幾何信息，同時也可以嵌入其他的有關信息，如在模型中加入制造信息。其次，為了使虛擬樣機代替真實的物理模型，最實用的辦法就是依據(jù)其基本需求去代替所需的物理模型的某些功能。最后，其最</p><p>　　重要的方面是所設計的產品的許多方面應該是可以測試和評價的。概括的說，一個虛擬樣機應該至少具備以下3種類型的模型 一個三維實體模型、產品的交互模型、與產品的測試相

22、關的可視化模型</p><p>　　第三節(jié) 利用PRO/E建立模型并進行虛擬裝配</p><p>　　利用PRO/E建立零件的三維模型由于ADAMS建模技術尚不完善，在仿真過程中對于結構復雜的模型就要CAD軟件來完成建模。而 PRO/E 和 ADAMS 是不同公司出品的，兩者是“有縫接”，在轉換模型時會因為設置的環(huán)境不同而無法實現(xiàn)，因此在建模前就應該設置好零件的建模環(huán)境根據(jù)實際情況，設

23、置建模的相關參數(shù)，然后進行零件模型的建立。圖1-1為其基本流程。</p><p>　　面向虛擬裝配的 CAD模型數(shù)據(jù)轉換的一種可行方法是：在 CAD環(huán)境下建立模型后，通過內CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口將模型數(shù)據(jù)轉換為中性文件，在虛擬裝配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)導入接口將中性文件重構為虛擬環(huán)境下的模型。該模型用于虛擬環(huán)境下模型的現(xiàn)實運動， 碰撞干涉檢查和約束識別等 .</p><p>　　3.1 用 PRO/

24、E 建立裝配模型</p><p>　　首先建立裝配環(huán)境的設置，在 PRO/E的裝配類型下設置相關參數(shù)其完成后即可開始零件裝配。在其過程中要注意裝配的順序，并注意型的相關后續(xù)定義的一致性。第一個零件或部件的選擇非常重要，因為它是裝配模型中最為關鍵的部分，在刪除后續(xù)裝配靈活部件時，它不會被刪除；但如刪除它，則后續(xù)裝配的零件或部件均會被刪除。隨后即可將進行其他裝配。</p><p>　　3.2

25、 系統(tǒng)的體系結構</p><p>　　系統(tǒng)以裝配活動中的過程為仿真對象。在建立零件虛擬樣機模型、裝配過程的基礎上，充分利用仿真技術的檢測技術、多媒體技術等前沿技術，將整個裝配過程形象、逼真、直觀的再現(xiàn)出來，同時將仿真過程中獲取的各種數(shù)據(jù)提供給設計分析人員，進行相關的設計分析與評價，并提出修改建議，以供產品研制過程中的其他人員參考 。虛擬樣機仿真的分析系統(tǒng)的結構框架采用如圖（1-3） 所示</p>

26、<p>　　在機械虛擬樣機技術設計中，在制造第一臺物理樣機之前，先建立機械虛擬樣機模型，并在虛擬環(huán)境下進行系統(tǒng)仿真測試、分析和評估。以并行設計取代串行設計，即進行面向產品全生命周期的一體化設計，在設計階段就從整體上并行地考慮產品全生命周期的功能結構、工藝規(guī)劃、可制造性、可裝配性、可測試性、可維修性，以及可靠方面的要求及相互關系，并不斷優(yōu)化設計方案，避免了串行設計中可能出現(xiàn)的干涉和反復，而在傳統(tǒng)的串行設計中就不考慮各子系統(tǒng)之間的

27、動態(tài)交互與協(xié)同關系。通過比較可以看出：傳統(tǒng)的機械物理樣機設計由于要考慮研制成本、周期等因素，只能進行有限范圍和次數(shù)的實驗；而機械虛擬樣機可以無數(shù)次的仿真測試，更便于及時發(fā)現(xiàn)產品在設計、制造和使用中的各種缺陷并采取措施及時修正。用機械虛擬樣機技術取代傳統(tǒng)的機械物理樣機設計有利于降低生產成本，提高設計質量，縮短研發(fā)周期，快速響應市場，有利于節(jié)約型社會的建設。 </p><p><b>　　傳動設計</

28、b></p><p>　　闡述：機床分級變速和無級變速傳動鏈的設計原則及步驟；常見的傳動系統(tǒng)；確定齒輪齒數(shù)及其合理的排列方式；各傳動元件的計算轉速；內聯(lián)傳動鏈的設計原則。</p><p>　　在設計分級變速外聯(lián)傳動鏈時，必須注意圖-1中的一個規(guī)律，二個限制，三項原則，四項注意。 </p&g

29、t;<p>　　一個規(guī)律：級比規(guī)律；</p><p>　　二個限制：齒輪轉動比限制，,齒輪變速組的變速范圍限制（上限用于螺旋齒輪傳動）；</p><p>　　三項原則:傳動副應“前多后少”傳動線應“前密后疏”降速應“先緩后急（先慢后快）”；</p><p>　　4）四項注意：傳動鏈要短，轉速和小，齒輪前面速度要小，空轉件要在設計分級變速外聯(lián)傳動鏈時，要

30、用到轉速圖。在轉速圖上，能看到各軸轉速的變化規(guī)律和各傳動副的傳動比。</p><p>　　第一節(jié) 主運動鏈轉速圖的擬定</p><p>　　已知條件為機床類型，主軸的轉速級數(shù)Z、公比φ、各級轉速和電動機的轉速。設計步驟為：確定有幾個傳動組；每個傳動組的傳動副數(shù)；擬定結構網(wǎng)(式)；擬定轉速圖。</p><p>　　現(xiàn)有機床類型：中型車床。Z=12，φ=1.4l，主

31、軸轉速為31.5，45，63，90，125，180，250，355，500，710，1000，1400。電動機轉速nm =1440r/min。</p><p>　　轉速圖的擬定可以分以下步驟完成</p><p>　　1）確定合理的結構式：確定變速組數(shù)和每組變速級數(shù)，確定出順序方案，確定擴大順序方案（檢查方案的合理性）；</p><p>　　2）確定有無定比傳動，確定

32、傳動軸數(shù)，畫出轉速圖：分配降速比，畫出傳動組內其他傳動路線，畫出全部傳動路線，標注。</p><p>　　1.1 傳動組和傳動副數(shù)的確定 </p><p>　　傳動組和傳動副數(shù)可能的方案有：</p><p>　　12=4×3 12=3×4</p><p>　　12=3×2×2 12=2

33、×3×2 12=2×2×3</p><p>　　在上列兩行方案中，第一行方案有時可以省掉一根軸。缺點是有一個傳動組內有四個傳動副。如果用一個四聯(lián)滑移齒輪，則會增加軸向尺寸；如果用兩個雙聯(lián)滑移齒輪，則操縱機構必須互鎖以防止兩個滑移齒輪同時嚙合。所以一般很少使用。</p><p>　　第二行的三個方案可根據(jù)下述原則比較：從電動機到主軸，一般為降速傳

34、動。接近電動機處的零件,轉速較高，從而轉矩較小，尺寸也就較小。</p><p>　　如當機床的傳動功率為定值時，轉速n越高，轉矩T就小，零件尺寸就較小，所以應該盡量選擇傳動副數(shù)多的變速組放在傳動順序前面的高速范圍，而把變速組傳動副數(shù)少的放在傳動順序的后面。這就是“前多后少”的原則。從這個角度考慮，以取12=3×2×2的方案為好。</p><p>　　1.2 結構網(wǎng)或

35、結構式各種方案的選擇</p><p>　　在12=3×2×2中，又因基本組和擴大組排列順序的不同而有不同的方案?？赡艿牧N方案，其結構網(wǎng)和結構式見圖2-1。在這些方案中，可根據(jù)下列原則選擇最佳方案。</p><p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　(1) 傳動副的極限傳動比和傳動組的極限變速范圍 <

36、/p><p>　　在降速傳動時，為防止被動齒輪的直徑過大而使徑向尺寸太大，經常限制最小傳動比imin≥1／4。</p><p>　　在升速時，為防止產生過大的振動和噪聲，經常限制最大傳動比imax≤2。斜齒輪傳動平穩(wěn)，可取imax≤2.5。</p><p>　　因此，主傳動鏈任一傳動組的最大變速范圍一般為Rmax=imax/imin≤8～10。</p>&

37、lt;p>　　對于進給傳動鏈，由于轉速通常較低，零件尺寸也較小，上述限制可放寬些。1／5≤i進≤2．8。故R進max=2.8/0.2≤14。</p><p>　　在檢查傳動組的變速范圍時，只需檢查最后一個擴大組。因為其它傳動組的變速范圍都比它小。因Rn= ≤Rmax</p><p>　　圖2-1中，方案a、b、c、e的第二擴大組x2=6，p2=2，則R2====8=Rmax，是可行的

38、。</p><p>　　方案d和f的第二擴大組，x2=4，p2=3，R2 ===16>Rmax，是不可行的。</p><p>　?。?）基本組和擴大組的排列順序 </p><p>　　在可行的四種結構網(wǎng)(式)方案a、b、c、e中，還要進行比較以選擇最佳方案。原則是選擇中間傳動軸(本例中軸Ⅱ、Ⅲ)變速范圍最小的方案。</p><p>　

39、　因為如果各方案同號傳動軸的最高轉速相同，則變速范圍小的，最低轉速較高，轉矩較小，傳動件的尺寸也就可以小些。</p><p>　　比較圖2-1的方案a、b、c、e，方案a的中間傳動軸變速范圍最小，因此方案a最佳。</p><p>　　即如果沒有別的要求，則應盡量使擴大順序與傳動順序一致。（即“前密后疏”：前面的傳動組的傳動副間靠得緊些，后面的較松散些）。

40、 （3）擬定轉速圖 </p><p>　　電動機和主軸的轉速是已定的，當選定了結構網(wǎng)或結構式后，就可分配各傳動組的傳動比并確定中間軸的轉速。再加上定比傳動，就可畫出轉速圖。中間軸的轉速如果能高一些，傳動件的尺寸也就可以小一些。但是，中間軸如果轉速過高，將會引起過大的振動、發(fā)熱和噪聲。通常，希望齒輪的線速度不超過12～15m／s。</p><

41、p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　對于中型車、鉆、銑床等機床，中間軸的最高轉速不宜超過電動機的轉速。對于小型機床和精密機床，由于功率較小，傳動件不太大。這時振動、發(fā)熱和噪聲是應該考慮的主要問題。因此，更要注意限制中間軸的轉速，不能過高。</p><p>　　本例中所選定的結構式共有三個傳動組，變速機構共需4軸。加上電動機的軸共5軸。故轉速圖需

42、5條豎線，如圖2-2。</p><p>　　主軸共12種速度，電動機軸轉速與主軸最高轉速相近，故需12條橫線。注明主軸的各級轉速，電動機軸轉速也應在電動機軸上注明。</p><p>　　中間各軸的轉速可以從電動機軸開始往后推，也可以從主軸開始往前推。</p><p>　　傳動組c的變速范圍為R2====8=Rmax，可知兩個傳動副的傳動比必然是前文敘述的極限值：xc

43、1=；xc2= ；</p><p>　　這樣就確定了軸Ⅲ的六種轉速只有一種可能，即為125、180、250、…710r/min。</p><p>　　隨后決定軸Ⅱ的轉速。傳動組b的級比指數(shù)為3，在傳動比極限值的范圍內，軸Ⅱ的轉速最高可為500、710、1000r／min，</p><p>　　最低為180、250、355r／min。為了避免升速，又不使傳動比太小，故

44、： </p><p>　　軸Ⅱ的轉速可以確定為355、500、710r／min。</p><p>　　同理，對于軸Ⅰ，可以取</p><p>　　這樣就確定了軸I的轉速為710r／min，電動機軸與軸I之間為帶傳動，傳動比接近1／2=1／</p><p>　　還可以有另外一些方案。例如把軸I、Ⅱ的轉速都降低一格。這樣的轉速圖見圖2-3。<

45、;/p><p>　　這個方案的優(yōu)點是軸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最高轉速和為(500+500+710)r／min=1710r／rain，比圖2—2所示方案的710×3=2130r／min降低了約20％，有利于減少發(fā)熱和降低噪聲。該方案的缺點是軸I、Ⅱ的最低轉速要低一些，故這兩根軸及傳動組a和b的齒輪模數(shù)都有可能要略大一些。被動帶輪直徑也要大一些。</p><p>　　也可選擇圖2-4的方案。皮帶傳

46、動副的傳動比仍為1：，但改變傳動組a的傳動比。</p><p>　　這個方案避免了被動帶輪直徑加大的缺點，傳動軸最高轉速和比圖2-2的方案低，但比圖2-4的方案高。帶來的缺點是傳動組a的最大被動齒輪較大。</p><p><b>　　圖2-3</b></p><p>　　此外，還可以有其它方案。例如保留圖2-3中各傳動組不變，改用六極電動機，轉

47、速為960r／min。這樣，帶傳動的傳動比仍為1：92。缺點是電動機的體積要大一些，貴一些。</p><p>　　從這里可以看出，設計方案是很多的，各有利弊。設計時應權衡得失，根據(jù)具體情況。 </p><p><b>　　圖2-4</b>&l

48、t;/p><p>　　第二節(jié) 齒輪齒數(shù)的確定</p><p>　　2.1 齒輪齒數(shù)的確定原則有以下幾條：</p><p><b>　　齒數(shù)和不能過大，；</b></p><p>　　齒數(shù)和不能過小最小齒輪不能根切，，齒輪輪轂處最小厚度，最小中心距應取合適，不能過小，；</p><p>　　應符

49、合傳動比及轉速誤差要求，；</p><p>　　三聯(lián)齒輪應保證齒數(shù)差，以保證不產生運動干涉，通常；</p><p>　　也可以先確定齒數(shù)和，但是前述方法較為方便；</p><p>　　所計算處的齒數(shù)應取整；</p><p>　　三聯(lián)齒輪應驗算齒數(shù)差；</p><p>　　8) 若齒數(shù)和或中心距過小、過大或傳動比有誤，則

50、從新確定。</p><p>　　當傳動比i采用標準公比的整數(shù)次方時，齒數(shù)和Sz 以及小齒輪齒數(shù)可從P136表8—1中查得。</p><p>　　根據(jù)圖2-2的傳動組a，ia1=1，ia2=1/1.41，ia3=1/2。查i為1，1．4和2的三行。有數(shù)字的即為可能方案。結果如下:</p><p>　　ia1=1 Sz = …，60，62，64，66，68

51、，70，72，74，…</p><p>　　ia2=1/1.41 Sz = …，60，63，65，67，68，70，72，73，75，…</p><p>　　ia3=1/2 Sz = …，60，63，66，69，72，75，…</p><p>　　從以上三行中可以挑出，Sz =60和72是共同適用的。如取Sz =72，則從表中查出小齒輪齒數(shù)分別為36、

52、30、24。即ia1=36／36，ia2=30／42，ia3=24／48。</p><p>　　傳動組b, ib1=1, ib2=1/2.8。查i 為1 , 2.8 的二行。有數(shù)字的即為可能方案。結果如下:</p><p>　　ib1=1 sz =…, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90，…,</p><p>　　

53、ib2=1/2.8 sz =…, 76, 77, 80, 81, 84, 85, 88, 89, 92, …</p><p>　　從以上2行中可以挑出sz =68,72,76,80,84,88等共同適用的，再根據(jù)圖-3和圖-4的齒數(shù)確定原則取Sz=88，則從表中查出小齒輪齒數(shù)分別為42, 22。即ib1=42/42,ib2=22/62</p><p>　　傳動組c，ic

54、1=2/1, ic2=1/4.查表可得以下可能方案。結果如下:</p><p>　　ic1=2/1 sz =…, 72, 75, 78, 81, 84, 87, 90, 93, …</p><p>　　ic2=1/4 sz =…, 79, 80, 84, 85, 89, 90, 94, 95, 99, 100…</p><p>　　

55、從以上2行中可以挑出sz=84， 89共同適用的，根據(jù)齒數(shù)的確定原則取sz=89，則從表中查出小齒輪分別為30，18。即ic1=60/30，ic2=18/72</p><p>　　利用查表求出各傳動組齒輪齒數(shù)如下表（一）：</p><p>　　得到傳動系統(tǒng)圖8-1和轉速圖8-2，如下所示：</p><p>　　第三章 計算轉速，傳動件的估算</p>

56、<p>　　機床上的許多零件，特別是傳動件，在設計時應該核算其強度。決定零件強度的條件之一是該零件所受的載荷。載荷取決于零件所傳遞的功率和轉速。</p><p>　　機床變速傳動鏈內的零件，有的轉速是恒定的，如圖8—1中的軸I、皮帶傳動副和傳動組a中各齒輪；有的轉速是變化的，如其余各軸和各傳動組的齒輪。 圖3-1</p><

57、p>　　變速傳動件應根據(jù)哪一個轉速進行動力計算，就是本章所討論的計算轉速問題。</p><p>　　主軸的功率或轉矩特性：主軸所傳遞的功率或轉矩與轉速之間的關系。</p><p>　　如圖3-1所示。主軸從最高轉速nmax到某一轉速nj之間，主軸應能傳遞電動機的全部功率。在這個區(qū)域內，主軸的最大輸出轉矩應隨轉速的降低而增加。</p><p>　　從nj以下直到

58、最低轉速nmin，這個區(qū)域內的各級轉速并不需要傳遞全部功率。主軸的輸出轉矩不再隨轉速的降低而增大，而是保持nj時的轉矩不變。所能傳遞的功率，則隨轉速的降低而降低。 </p><p>　　主軸的計算轉速：主軸能傳遞全功率的最低轉速（上述的nj）。</p><p>　　機床主軸在整個轉速范圍內，以計算轉速為界，分為兩個區(qū)域：計算轉速nj及以上，直到nmax，為恒功

59、率區(qū)域I；計算轉速nj以下，直到nmin，為恒轉矩區(qū)域Ⅱ。 </p><p>　　傳動鏈中其余傳動件的計算轉速，可根據(jù)主軸的計算轉速及轉速圖決定。傳遞全功率的最低轉速，就是該零件的計算轉速。</p><p>　　第一節(jié) 機床主要傳動件計算轉速的確定</p><p>　　主軸的計算轉

60、速在主軸調速范圍中所居的地位，是因機床種類而異的。</p><p>　　對于大型機床，由于應用范圍很廣，調速范圍很寬，計算轉速可取得高一些。</p><p>　　對于精密機床，鉆床、滾齒機等，由于應用范圍較窄，調速范圍較小，計算轉速應取得低一些。</p><p>　　P139表8—2列出了各類機床主軸計算轉速的統(tǒng)計公式。輕型機床的計算轉速可比表中推薦的高。數(shù)控機床由

61、于考慮切削輕金屬，調速范圍比普通機床寬，計算轉速也可比表中推薦的高些。但是，目前數(shù)控機床尚未總結出公式。</p><p>　　主軸的計算轉速確定后，就可以從轉速圖上得出各傳動件的計算轉速。</p><p>　　確定第二章圖8-2所示臥式車床的主軸、各傳動軸和齒輪的計算轉速。</p><p><b>　　1.1 主軸 </b></p&g

62、t;<p>　　根據(jù)表8—2，中型車床主軸的計算轉速是第一個三分之一轉速范圍內的最高一級轉速（或nj=nmin），即為n4=90r/min。</p><p>　　1.2 各傳動軸 </p><p>　　軸Ⅲ可從主軸為90r／min按72／18的傳動副找上去，大概為355r／min。但由于軸Ⅲ上的最低轉速125r/min經傳動組c可使主軸得到31．5和250r/min兩種

63、轉速。250r／min要傳遞全部功率，所以軸Ⅲ的計算轉速應為125r／min。</p><p>　　軸Ⅱ的計算轉速可按傳動副b推上去，得355r/min。</p><p><b>　　1.3 各齒輪</b></p><p>　　傳動組c中，18／72只需計算z=18的齒輪，計算轉速為355r／min；60／30只需計算z=30，nj=250

64、。z=18和z=30兩個齒輪哪一個的應力更大一些。較難判斷?？赏瑫r計算，選擇模數(shù)較大的作為傳動組c齒輪的模數(shù)。</p><p>　　傳動組b經計算z=22， nj=355。</p><p>　　傳動組a經計算z=24， nj=710。</p><p>　　第二節(jié) 各軸直徑的估算</p><p><b>　　軸直徑的估算公式：&l

65、t;/b></p><p>　　其中：P-電動機額定功率</p><p><b>　　K-鍵槽系數(shù)</b></p><p><b>　　A-系數(shù)</b></p><p>　　-從電機到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積</p><p>　　-該傳動軸的計算轉速</

66、p><p>　　計算轉速是傳動件能傳遞全部功率的最低轉速。各傳動件的計算轉速可以從轉速圖上，按主軸的計算轉速和相應的傳動關系確定。</p><p>　　這些軸都是一般傳動軸，取，k=1.07,A=92</p><p>　?、褫S : ， 取32mm</p><p>　?、蜉S： , 取37mm</p>

67、<p>　　Ⅲ軸： , 取50mm</p><p>　?、糨S： , 取53mm</p><p>　　此軸徑為平均軸徑，設計時可相應調整。</p><p>　　第三節(jié) 齒輪模數(shù)的計算</p><p>　　（一）Ⅰ-Ⅱ 齒輪彎曲疲勞的計算：</p><p>　　同一變速

68、組中的齒輪取同一模數(shù)，故取nj,z最小的齒輪進行計算，然后取標準模數(shù)值作為該變速組齒輪的模數(shù)。</p><p><b>　　齒面點蝕的計算：</b></p><p>　　取A=81，由中心距A及齒數(shù)計算出模數(shù)：</p><p>　　根據(jù)計算選取兩個中的較大值，選取相近的標準模數(shù)。</p><p><b>　　取

69、 所以取</b></p><p>　?。ǘ?Ⅱ-Ⅲ齒輪彎曲疲勞的計算：</p><p><b>　　齒面點蝕的計算：</b></p><p>　　取A=100，由中心距A及齒數(shù)計算出模數(shù)：</p><p>　　根據(jù)計算選取兩個中的較大值，選取相近的標準模數(shù)。</p><p><

70、b>　　取 </b></p><p><b>　　所以取</b></p><p>　?。ㄈ?Ⅳ 齒輪彎曲疲勞的計算：</p><p><b>　　齒面點蝕的計算：</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　

71、取A=76，由中心距A及齒數(shù)計算出模數(shù)：</p><p>　　根據(jù)計算選取兩個中的較大值，選取相近的標準模數(shù)。</p><p><b>　　取 所以取</b></p><p><b>　　(四)標準齒輪：</b></p><p>　　從畫法幾何與機械設計中，表7-7查得以下公式</p>

72、<p><b>　　齒頂圓 </b></p><p><b>　　齒根圓 </b></p><p><b>　　分度圓 </b></p><p><b>　　齒頂高 </b></p><p><b>　　齒根高 </b

73、></p><p>　　齒輪的具體值見表（一）</p><p><b>　　表（二）</b></p><p>　　第四節(jié) 齒寬確定</p><p><b>　　由齒寬公式得：</b></p><p>　　第一套嚙合齒輪bⅠ=(6~10)*2.5=15~25mm<

74、;/p><p>　　第二套嚙合齒輪bⅡ=(6~10)*3.1=18.6~31mm</p><p>　　第三套嚙合齒輪bⅢ=(6~10)*3.1=18.6~31mm</p><p>　　一對嚙合齒輪，為了防止大小齒輪因裝配誤差產生軸向錯位時導致嚙合齒寬減小而增大輪齒的載荷，在設計時，應將主動輪齒寬比小齒輪齒寬要大，所以</p><p>　　b1=1

75、6mm,b2=16mm,b3=16mm,b4=15mm,b5=15mm,b6=15mm,b7=20mm,b8=20mm,</p><p>　　b9=19mm,b10=19mm，b11=20mm,b12=20mm,b13=19mm,b14=19mm</p><p>　　第五節(jié) 雙聯(lián)和三聯(lián)滑移齒輪軸向長度的確定</p><p><b>　　圖3-2<

76、/b></p><p><b>　　故取</b></p><p><b>　　，故取</b></p><p><b>　　，故取</b></p><p>　　第六節(jié) 選定齒輪類型、精度等級、材料、齒輪結構的設計</p><p>　　（一）按圖8

77、-1所示的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。</p><p>　?。ǘ└鶕?jù)上述所計算的傳動組a計算轉速應計算z=24, nj =710為一般的工作機器，速度不高，故選用7級精度（GB 10095-88）。</p><p>　　(三) 材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr（調質）,硬度為280 HBS，大齒輪材料為45鋼（調質）硬度為240HBS</p><

78、p>　　(四) 由課程設計表9-2，da150.齒輪可作成實心式結構,,齒輪可采用腹板式。根據(jù)上表（二）齒輪10，11，14采用腹板式結構，其余齒輪采用實心式結構。</p><p>　　第七節(jié) 傳動軸間的中心距</p><p><b>　　mm</b></p><p><b>　　mm</b></p>

79、<p><b>　　mm</b></p><p>　　第四章 傳動組件的設計</p><p>　　第一節(jié) 三角帶傳動的計算</p><p>　　(一)選擇三角帶的型號</p><p><b>　　根據(jù)公式</b></p><p>　　式中P---電動機額

80、定功率，--工作情況系數(shù) </p><p>　　根據(jù)Pca,n1查《機械設計》圖8-10因此選擇B型帶。</p><p>　　(二)確定帶輪的計算直徑，</p><p>　　帶輪的直徑越小三角帶的彎曲應力就越大。為提高三角帶的壽命，小帶輪的直徑不宜過小，即。查《機械設計》表8-6，8-8取主動輪基準直徑=125。 由公式

81、 </p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　-小帶輪轉速，-大帶輪轉速，所以根據(jù)表 8-8取整數(shù)D2=250</p><p>　　(三)確定三角帶速度</p><p><b>　　按公式</b></p><p>　　因為5m/min<V&

82、lt;30 m/min,所以選擇合適。 </p><p>　　(四)初步選定中心距</p><p>　　帶輪的中心距，通常根據(jù)機床的總體布局初步選定，一般可在下列范圍內選取： 根據(jù)經驗公式</p><p><b>　　即：</b></p><p><b>　　取=700mm.</b><

83、/p><p>　　(五)三角帶的計算基準長度 </p><p>　　由《機械設計》表8-2，圓整到標準的計算長度 Ld=2000mm </p><p>　　(六)確定實際中心距</p><p>　　(七)驗算小帶輪包角</p><p><b>　　，</b></p><p>

84、;<b>　　主動輪上包角合適。</b></p><p>　　(八)確定三角帶根數(shù)</p><p>　　根據(jù)《機械設計》式8-22得:</p><p><b>　　傳動比:</b></p><p>　　查表8-4a，8-4b 得=0.46KW,= 1.32KW</p><p>

85、;　　查表8-5，=0.98；查表8-2，=0.98</p><p><b>　　所以取Z=5 根</b></p><p><b>　　(九)計算預緊力</b></p><p>　　查《機械設計》表8-3，q=0.18kg/m</p><p><b>　?。ㄊ┯嬎銐狠S力</b>

86、;</p><p>　　第二節(jié) 軸承的選擇</p><p>　　Ⅰ軸： 6207 D=72 B=17 深溝球軸承</p><p>　?、蜉S： 6208 D=80 B=18 深溝球軸承</p><p>　?、筝S： 6209 D=85 B=19 , 6207 D=72 B=17 深溝球軸承<

87、/p><p>　?、糨S： 6212 D=110 B=22, 6216 D=140 B=26 深溝球軸承</p><p>　　第三節(jié) 主軸直徑的初選</p><p>　　3.1 前軸頸的直徑</p><p>　　臥式車床、銑床、磨床主軸前軸頸的直徑d1可根據(jù)主電動機功率、機床類型，參考圖4-1選取。或按構造要求決定其軸頸

88、直徑。</p><p><b>　　圖4-1</b></p><p>　　3.2 后軸頸的直徑：</p><p>　　車床和銑床d2=(0．7～0．9)d1。（車床、銑床、鏜銑加工中心等機床因裝配的需要，主軸直徑常是從前向后逐段減少的。）磨床主軸常為前、后軸頸相等，中段較粗。</p><p>　　第四節(jié) 主軸懸伸

89、量的確定</p><p>　　1 主軸的懸伸量a(圖4-2)：主軸前端面到前支承徑向支反力作用點之間的距離。</p><p>　　圖4-22 根據(jù)分析和試驗，縮短懸伸量，可以明顯地提高主軸組件的剛度和抗振性。因此，設計時應努力縮短懸伸量。</p><p>　　(1)根據(jù)表4-1（車床、功率7.5）；前軸頸應為75～110mm。初步選定d1=80mm。后軸頸d

90、2= (0.7～0.9) d1，取d2=60mm。根據(jù)設計方案，選前軸承為7216AC型，后軸承為7212AC型。</p><p>　　（根據(jù)有關資料，懸伸長度a與前軸頸d1的關系：低精度機床a/ d1＞2.5；一般精度機床a/ d1=1.25～2.5；精密機床a/ d1=0.6～1.5）</p><p>　　根據(jù)結構，定懸伸長度a=100mm。</p><p>&

91、lt;b>　　(2)求軸承剛度</b></p><p>　　主軸最大輸出轉矩(未考慮機械效率)</p><p>　　T=9550P/n =9550×7.5/90 =795.8 N．m</p><p>　　床身上最大加工直徑約為最大回轉直徑的60％，即400×0.6=240mm，故半徑為0．12m。</p><

92、p>　　切削力(沿y軸) Fc=795.8/0.12=6631.7N （因T=F·R）</p><p>　　背向力(沿z軸) Fp=0．5 Fc =3315.85N （經驗公式)</p><p>　　故總作用力 F= =7414.5N。</p><p>　　此力作用于在頂尖間的工

93、件上，主軸和尾架各承受一半，故主軸端受力為</p><p>　　F／2≈3707N。</p><p>　　在估算時，先假設初值l／a=2，l=2×100mm=200mm。前后支承的支反力RA和RB分別為，</p><p>　　RA=F(l+a)/2l=7414.5(200+100)200=11121.75</p><p>　　RB=

94、Fa/2l=7414.5*100/200=3707.25</p><p>　　由金屬切削機床表10-4中查出la=9、iz=52，代入式10-6中，計算前,后軸承的徑向剛度。</p><p><b>　　，</b></p><p>　　KA/KB=1749.3/1565.3=1.12</p><p><b>　

95、　（3）求最佳跨距</b></p><p>　　初步計算時，可假定主軸的當量外徑以(與實際主軸具有相同抗彎剛度的等直徑軸的直徑)為前、后軸承頸的平均值，de=(80+60)mm／2=70mm。故慣性矩為</p><p>　　查線圖4-6-2.l0/a≈1.8。計算出的與原假定相符。最佳跨距 </p><p>　　計算主軸時通常不考慮傳動力。這當然與實際

96、使用情況有所出入。但是，只要計算條件是統(tǒng)一的，都按軸端受一集中載荷計算，在同一條件下對比，則計算結果仍能用以評判主軸組件。</p><p><b>　　第五章 建模</b></p><p>　　第一節(jié) 軸1的建模</p><p>　　第二節(jié) 軸2的建模</p><p>　　第三節(jié) 軸3的建模</p&

97、gt;<p>　　第四節(jié) 軸4的建模</p><p><b>　　第五節(jié) 裝配圖</b></p><p>　　第六章 結論與展望</p><p><b>　　第一節(jié) 結論</b></p><p>　　目前，世界各國的經濟競爭，主要體現(xiàn)為制造技術的競爭。我國制造業(yè)先進技術

98、水平不高，但是在發(fā)達國家制造業(yè)的發(fā)展取得了很大的成績，隨著計算機圖形學、人工智能、計算機網(wǎng)絡、信息處理、機械設計與制造等技術的綜合發(fā)展，虛擬設計技術在國外已廣泛采用。我國制造業(yè)要趕上世界先進水平就必須從產品的設計手段和方法研究著手，加強信息技術與傳統(tǒng)產業(yè)的結合，促進傳統(tǒng)產業(yè)的技術升級。機床是制造業(yè)中最重要的生產設備，發(fā)展高技術水平的機床是促進制造業(yè)發(fā)展的重要途徑。在現(xiàn)在我國的機床開發(fā)設計過程中傳統(tǒng)的設計方法仍占主要地位。本文以Pro/E

99、為平臺以機床的主軸箱為例，研究了產品從設計到虛擬裝配、運動學仿真、動力學仿真的過程中虛擬設計的應用。為以后企業(yè)在產品設計中運用虛擬設計奠定基礎。</p><p>　　本論文主要的研究工作有如下幾部分:</p><p>　　l)研究了虛擬設計在產品設計方面的主要應用，并與傳統(tǒng)設計進行了比較、在產品的研究設計過程中虛擬設計所帶來的優(yōu)勢，研究了虛擬數(shù)控機床發(fā)展的現(xiàn)狀。</p>&l

100、t;p>　　2）根據(jù)給定的參數(shù)為依據(jù)設計機床主軸箱的傳動系統(tǒng)及零件設計。</p><p>　　3)以Pro/E為平臺研究了軸、圓柱直齒輪、斜齒輪、軸承等主要零件的三維建模方法。</p><p>　　4)以Pro/E為平臺研究了主軸箱的虛擬裝配。</p><p>　　5)研究了主軸箱在Pro/E軟件中的運動學分析，用手工的計算方法通過各齒輪之間的傳動比計算出各軸

101、的運轉速度，通過軟件仿真得出結果來比較仿真的正確性，并比較了主軸上齒輪的線速度。</p><p><b>　　第二節(jié) 展 望</b></p><p>　　本論文僅對主軸箱部分進行了虛擬設計及仿真。其他部件的虛擬設計本論文沒有涉及.就本論文涉及的部分由于時間以及多方面原因的限制，還存在有很多地方需要改進。由于數(shù)控機床的虛擬設計是一個龐大的系統(tǒng)，所以在機床的虛擬設計過

102、程中主要還有如下工作:</p><p>　　l)機床其他部件的設計。</p><p>　　2)床身的靜剛度的校核計算。</p><p>　　3)機床導軌的設計及仿真。</p><p>　　4)機床刀架的設計及仿真。</p><p>　　5)機床的振動研究。</p><p>　　6)機床整機的方案

103、評價。</p><p>　　7)在虛擬環(huán)境下機床的仿真。</p><p>　　8)機床零件庫的建立。</p><p>　　虛擬設計是剛剛發(fā)展起來的一個新的研究領域，在現(xiàn)在的設計領域是一個研究的熱點問題。在國外發(fā)達國家已經開始廣泛應用，但是在我國還處于起步階段，在全球競爭相當激烈的今天，我國制造業(yè)要趕上世界水平虛擬設計方法的使用顯得尤為重要。由于虛擬設計發(fā)展時間較短還

104、有許多地方等待進一步研究，例如:如何快速建立逼真的虛擬模型、準確模擬產品的實際工作環(huán)境、產品的虛擬裝配及仿真的真實性、人機交互性等等。</p><p>　　目前在我國的企業(yè)中要真正使用虛擬設計、虛擬制造技術還有很多方面的原因，故提出以下解決方案:</p><p>　　1)以企業(yè)需求為出發(fā)點，以“甩圖板”工程為契機，大力普及CAD技術，幫助企業(yè)進行人員培訓，提高企業(yè)人員的素質(其中包括技術水

105、平、勞動態(tài)度、道德水平等)，在CIMS成功示范企業(yè)中及時推廣并行工程、敏捷制造等思想和技術，為虛擬制造技術的實現(xiàn)提供堅實的基礎，在個別企業(yè)或部門首先實現(xiàn)虛擬設計、制造。</p><p>　　2)在政府方面，應發(fā)揮政府的協(xié)調職能，組織企業(yè)和科研部門進行多方面、多層次的合作，加強科研成果的應用推廣，而且應組織多學科、跨地區(qū)的科研力量共同攻關;從宏觀上加強對虛擬制造技術的指導，盡早制定符合我國國情的發(fā)展計劃。</

106、p><p>　　3)在技術的先進性方面，不要過度追求世界領先，應該根據(jù)企業(yè)實際要求，解決實際問題，力爭盡快創(chuàng)造效益，以此取得企業(yè)的支持并獲得資金上的幫助，以便形成良性循環(huán)，促進研究工作的進一步開展。</p><p>　　4)從企業(yè)方面看，要注重工業(yè)工程的推廣應用，從管理中要效益;在行業(yè)內部，應按照具有一定通用性和行業(yè)特色進行虛擬制造技術的研究，推動整個行業(yè)的發(fā)展;在整個制造業(yè)中，應抓住共性對普

107、遍采用的技術、人員組織和生產管理等方面開展虛擬制造技術的研究，加強整個制造業(yè)的競爭力。</p><p>　　5)針對我國科研力量分散的弱點，仿照分散網(wǎng)絡化生產的思想，利用計算機網(wǎng)絡，開展合作研究，建立分布式網(wǎng)絡化研究中心，協(xié)調一致進行科技攻關。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]Petef.Astudyon

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116、>　　在此畢業(yè)設計期間，我在左紅艷老師的指導下，翻閱了大量資料，對虛擬設計技術有了較系統(tǒng)的認識。通過此設計，我又學到了很多關于虛擬設計技術專業(yè)知識。我的畢業(yè)設計題目是基于虛擬樣機技術的機床主軸箱設計，在左紅艷老師的悉心指導下我不僅順利的完成了畢業(yè)設計還學到了很多東西。</p><p>　　此次的畢業(yè)設計，有幸得到*老師的指導，在學習過程中，她給予了我大量幫助，在此我向老師表示誠摯的謝意。還有在這次畢業(yè)設計中