-五轴高速数控雕铣机-铣头设计论文-学位论文.doc

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1、毕 业 设 计 论 文五轴高速数控雕铣机-铣头设计摘 要随着制造业的发展，高速度、高效率、高精度和高刚度已经成为当今数控机床发展的主要方向。为了满足当前数控机床市场的需要，五轴联动铣头已经成为了当今一个重要的发展趋势。本次毕业设计的主要任务是五轴高速数控雕铣机的铣头设计。五轴头是五轴联动加工中心上所联接的一种装置。该机床具有很强的数控功能，可以高效率高精度加工空间曲面类零件，如各类模具、水轮机和汽轮机叶片、三元流离心压气机、船用螺旋桨和推进器及螺旋锥齿轮的关键设备。可一次装夹工件在多种空间角度进行铣、镗、钻等工序加工，加工各种具有复杂轮廓表面、型腔的工件，可作铣、镗、钻孔等加工。广泛适用于各种

2、机械制造业，特别是模具制造业。它可以实现五轴控制、五轴联动，高速运转。在掌握PRO/E软件的基本功能后，对机床的各部件进行结构设计、建模，然后，进行装配和运动仿真，达到设计的目的。关键词 五轴控制 五轴联动 虚拟制造技术 虚拟装配ABSTRACTAlong with the development of the manufacturing industry, high speed,high efficiency, high precision and high rigidity have been the main developing trend of numeric-control mac

3、hine tools. To meet the need of numeric-control machine tools development, five-axis head have become an important development trend now. The main task of the design is the design of 5-axis head.5-axis head is a kind of equipment in 5-axis With strong numerical function, the machine tool is the key

4、equipment in the efficient and high-accurate machining of curly-faced . work-piece, namely. Variation molds, vane of water turbine and steam turbine, ship-used propeller, promoter and gears. It can clip a work-piece going through milling, boring and drilling, it can also process. A variety of work-p

5、ieces with complex outlook and cavities. It is capable of drilling and milling. It can be applied to all kinds of mechanic manufactures; especially molds manufacture. It can control five axis, simultaneous operate five axis. At a high speed the spindle electrical machinery uses A.C driving system, w

6、hich enables the spindle to vary speeds infinitely.With a command of the baric functions of the Pro/E software, different parts of the machine tool are designed, assembled ， thus achieving the desired requirement.Keywords control five axis simultaneous operate five axis virtualmade virtualassembly目

7、录第一章 概述-6 1.1 国内外相关技术现状-61.2 课题研究涉及内容-9第二章 五轴铣头的结构设计-11 2.1 整体方案设计研究 -11 2.2 铣头内部结构细化设计及计算-132.2.1 A轴传动的设计及计算-132.2.2 C轴传动的设计及计算-21第三章 PRO/E虚拟建模造型及装配-273.1 虚拟制造技术及其软件介绍-273.2 五轴铣头中零件的造型及装配-30第四章 技术经济分析-36设计结论及致谢参考文献第一章 概述第一节 国内外相关技术现状五轴数控技术在数控加工领域里一枝独秀，它是连续平滑、复杂曲面加工的代名词，但该技术在全球范围内一直没有得到普及.五轴数控加工技术是加

8、工连续、平滑、复杂曲面的主要手段.早在20世纪60年代，国外航空工业生产中就开始采用五轴数控铣床。目前五轴数控机床的应用仍然局限于航空、航天及其相关工业。五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化技术水平的标志。由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上的复杂性，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运，限制我国国防、军事工业发展。因而，研究五轴数控加工技术对国家科技力量和综

9、合国力的提高有重要意义。与三轴联动的数控加工相比，从工艺和编程的角度来看，对复杂曲面采用五轴数控加工有以下优点：1. 提高加工质量和效率五轴数控加工中刀具有更灵活的位姿，可采用平头刀。平头刀加工是以面带成形，可以保证高速切削，因而加工后的表面更连续光滑。五轴加工可以采用更大的行距和步距，因而效率更高。2. 扩大工艺范围有些形状复杂的零部件，如导风轮、发动机上的整体叶轮，由于叶片本身扭曲和各曲面间相互位置限制，加工时需要转动刀具轴线，否则很难甚至无法加工。在模具加工中的某些场合，只有采用五轴数控才能避免刀具与工件的干涉。3.适应目前数控机床发展的新方向复合化近几年国际、国内机床展表明，数控机床正

10、朝着高速度、高精度、复合化的方向发展。复合化的目标是在一台机床上利用一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。国外数控镗铣床、加工中心为适应多面体和曲面零件加工，均采用多轴加工技术，包括五轴联动功能。在加工中心上扩展五轴联动功能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系统的进一步集成化。五轴数控技术具有许多优越性，但到目前为止，五轴数控技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门，并且仍然存在尚未解决的难题。五轴数控技术久久未能得以广泛普及主要因为五轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位姿控制、数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。目前，五轴数控技术在全球范内普遍

11、存在以下问题。1. 五轴数控编程抽象、操作困难五轴机床的数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。五轴数控加工的操作和编程技能密切相关，经验丰富的编程、操作人员的缺乏，是五轴数控技术普及的一大阻力。2. 对NC插补控制器、伺服驱动系统要求十分严格五轴机床的运动是五个坐标轴运动的合成。因此要求控制器有更高的运算精度。五轴机床的运动特性要求伺服驱动系统有很好的动态特性和较大的调速范围。3. 刀具半径补偿在五轴联动NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铣刀进行接触成形

12、铣削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。4. 后置处理器五轴机床和三轴机床不同之处在于它还有两个旋转坐标五轴数控机床的后置处理器还有待进一步开发。从1999年开始，在CIMT、CCMT等国际、国内机床展览会上，首先是国内的五轴数控机床产品纷纷亮相，国内五轴数控机床的市场逐渐打开，随后国际机床巨头纷至沓来，五轴数控机床的品种和数量逐年上升：CIMl99、CCMT2000分别推出3台国产五轴联动机床；CIMT2001t4J国际机床展览会上，北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速10000rmin的五轴高速龙门加工中心，北京市机电院的主轴转速15000rmin的五轴高速立式加工中

13、心；清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63，采用标准Stewart平台结构，可实现六自由度联动；大连机床厂自行研制的串并联机床DCB一510，其数控系统由清华大学开发，该机床通过并联机构实现x、l，、z轴直线运动，由串联机构实现A、c轴旋转运动，从而实现五轴联动，其直线快速进给速度可达80mmin。这些机床均已达到国际先进水平，体现出我国机床工业为国防尖端工业发展提供装备的实力又有突破性提高。中国机床工业的发展，利用自己研制的高、精、尖产品参与国际竞争，打破了国际技术垄断，国际机床巨头们不愿失去中国这个大有潜力可挖的市场，于是蜂拥而来，把他们的产品“送上门来”：国外展团共展出五轴加

14、工中心8台、五轴车铣加工中心一台、五轴数控刀具磨床5台。 我国数控技术及其设备在各工业部门中的应用整体水平仍然偏低，与工业发达国家相比差距很大。为了实现“十五”规划的发展目标，各部门迫切需要进一步大力发展数控加工技术，急需配置大量的各类工艺设备，尤其是数控机床设备。对于数控机床设备的主要技术要求是多轴、高速、刚性好、功率大；对坐标数的需求，以35轴联动为主。对于关键零件形状复杂的行业，如航空、电力、船舶、模具制造业等，其生产部门对多轴机床要求比例较大，新增五轴数控机床大约占数控机床总数的7080。我国机床制造业具备相当的实力，机械精度和可靠性方面在国际市场上都名列前茅。然而配套的五轴数控系统要

15、么从国外进口，要么采用国内还不成熟的数控系统。总之五轴数控技术仍旧是一个薄弱环节。高校拥有雄厚的科研开发力量，是高科技的前沿阵地，若与机床制造企业优势互补，强强联合，势必加快五轴数控技术的发展和产品化的进程。第二节 课题研究涉及内容在五轴联动数控加工中心的开发过程中，自动万能铣头是关键技术，目前国内只有很少数几个厂家正在开发和生产自动万能铣头，主要还处于搜集技术资料和研究阶段。而国外一些发达国家中，自动万能铣头已经普遍应用于立式和龙门式数控铣床以及数控加工中心。使铣床达到五轴联动，实现四面体和五面体加工，可以大大提高铣床的自动化水平和工艺范围以及工作效率。研究开发五轴加工中心要求具有较高的性能

16、技术指标，不仅要具有多坐标复杂曲面的加工功能，而且还要满足高速度、高刚度和高精度的要求。而发达国家在进出口技术含量高的五轴联动加工中心方面，对我国进行限制，因此，五轴联动数控加工中心的研究开发是一个难度比较大的项目。本课题的设计任务是设计高速雕铣机的五轴联动铣头，它的基本原理是在传统加工中心的三个移动坐标轴的基础上增加两个旋转坐标轴，使这种加工中心具有X、Y、Z三个直线运动的数控坐标轴和A、B(C)两个旋转数控坐标轴，并且各坐标轴既可单独运动又可联动。本课题的设计方案首先是了解五轴铣头的运动及动力学方面的基本原理，其次是提出五轴联动铣头的整体设计方案，再对方案进行可行性分析后，逐步细化设计方案

17、，并对所选的零件进行计算校核，用CAD软件画出工程图后，按图纸要求对所设计的零件用PRO/E软件造型、装配，并在建模和装配过程中检验所设计零件的合理性，还有装配是否有干涉问题，使所设计的方案能尽可能的符合客观的实际需要。根据主轴的方向，传统的CNC加工中心通常被分为立式和卧式两类，本次设计的主要任务是立式铣削五轴联动铣头，它具有较强的数控功能，可以加工各种复杂轮廓表面的工件。可作铣、镗、钻孔等加工，广泛应用于机械制造业。它可以实现五轴控制、五轴联动。主轴系统单元采用电主轴，实现高速切削对五轴铣头进行设计，使五轴铣头不但具有X、Y、Z三个直线运动的数控坐标轴而且还具有A、B(C)两个旋转数控坐标

18、轴，并且各坐标轴既可单独运动又可联动，具有很大的灵活性，且加工性能好。安装专用刀杆及附件，可以加工平面，斜面、螺旋面、沟槽、花键、弧形槽等等。通过转动的主轴头，机床可实现铣削空间前半球任意角度的加工它采用精密同步带传递主传动，采用伺服电机实现摆动，该主轴头具有较高刚度，主轴转速变换范围宽。本次设计的数据及来源：基本数据：工作台面积（宽长） 570400mm行程（X/Y/Z） 500*500*230mm主轴转速 1000-20000 r/min主轴功率 2.0kw最大可夹持刀具直径 10伺服驱动 进口数字式交流伺服750w*3第二章 五轴铣头的结构设计 第二节 整体方案设计研究本次设计的五轴铣头

19、将安装在高速数控雕铣机上，受所设计的雕铣机的基本参数的限制，该五轴铣头必须满足尺寸小，质量轻，结构紧凑的要求。五轴铣头内部结构的设计需要完成沿X轴转动的A轴摆动的结构设计和沿着Y轴转动的C轴摆动的结构设计，A轴摆动的角度范围在-110度到+110度之内，而C轴的结构则可以沿着C轴方向旋转一周。 主轴系统采用电主轴结构，电主轴又称内装式电机主轴单元，具有结构紧凑，机械效率高，躁声低，运行平稳，精度高的优点。采用电主轴不仅有易于实现高速切削加工，而且可以使整个五轴铣头结构紧凑。方案一 在A轴的设计中采用锥齿轮传动，将A轴的伺服电机放入铣头内，如上图，而C轴的电机放入滑枕中，驱动整个铣头沿着C轴方向

20、转动，传动方式采用齿轮传动。这种结构基本可以满足A、C轴方向的摆动，但将A轴的电机放在铣头中使整个铣头的尺寸增大，为了克服这一缺点，并使整个铣头的尺寸变小，结构更加紧凑，对此方案进行修改，提出了以下方案：方案二：在方案二中，将铣头设计成上图所示，这样A轴电机就可以放在滑枕中，从而减小了铣头的体积，传动方式改用蜗轮蜗杆传动和同步带传动，同样使铣头的结构紧凑。 整个铣头的结构设计过程中还需考虑电主轴和伺服电机的电线和冷却装置的安置。铣头和滑枕相对于整台机床设计成一个独立的主轴箱，主轴箱上带有Z轴的丝杠和电机，然后再总体装配在机床上。由于所设计的雕铣机必须满足高速切削的要求，所以Z轴的丝杠采用滚珠丝

21、杠。第二节 铣头内部结构细化设计及计算2.2.1 A轴传动的设计及计算在A轴的结构设计中，包括以下几个部分：1.电主轴和铣头的连接和电主轴中供电和冷却所涉及的结构设计2.蜗轮、蜗杆的设计，蜗轮蜗杆在铣头内的支承3.同步带及带轮的设计4.电机和联轴器的选用1.电主轴与铣头的连接 主轴系统单元采用电主轴，其结构紧凑，运行平稳，动态精度和静态精度好，易于实现高速化，从而提高生产的效率和产品的质量。目前国内已有专门生产电主轴的厂家，本次设计中采用安阳莱必泰机械有限公司的产品，如下图。初步拟订电主轴的主轴转速为1000-20000RPM。主轴的功率为2.0kw。 为解决电主轴和铣头的连接问题，本次设计中

22、专门设计了一个电主轴套，不仅解决了电主轴的供电和冷却的问题，还方便了电主轴在铣头上的安装。电主轴套的结构如下图所示 选用的安阳莱必泰有限公司的电主轴的电线和冷却管从电主轴的后部伸出，在电主轴套上钻孔，将电线和冷却管插入，直至电主轴套两侧的凸台中，凸台和两个法兰盘用螺钉连接，中间有直径为80毫米的内孔，内孔中放置耦合器，然后再从耦合器中接出电线和冷却管到铣头内，这个设计是本次设计的一个特色，它解决了以往铣头设计中由于电线和冷却管而产生的电主轴运动的干涉问题，并使整个铣头的结构更加紧凑。2.蜗轮、蜗杆的设计，蜗轮蜗杆在铣头内的支承A轴传动方式采用蜗杆传动主要由于蜗杆传动方式可以使五轴铣头的结构紧凑

23、，此外蜗杆传动方式还有传动比大，工作平稳，躁声低，可以自锁等优点。具体设计计算输入功率P=750W，蜗杆转速为n1=1500转/分，传动比在5080范围之内。工作载荷较稳定。1.选择蜗杆传动类型 根据GB/T100851988的推荐，采用阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）.2.选择材料蜗杆传动传递的功率不大,速度只是中等,故蜗杆用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋齿面要求淬火,.蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1 ,金属模铸造.3.按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动设计准则,先按齿面接触疲劳强度进行设计,再较核齿根弯曲疲劳强度.传动中心距 1) 确定作用在蜗轮上的转距 按=1,估取效

24、率为=0.8， 估取i=65 2) 确定载荷系数K因工作载荷较稳定,故取载荷分布不均系数,选取使用系数,由于转速不高,冲击不大,可取动载荷系数3) 确定弹性影响系数.因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配,故4)确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值,可查得=2.9.5)确定许用接触应力 因蜗轮材料选用的是铸锡磷青铜ZCuSn10P1, 金属模铸造, 蜗杆螺旋齿面硬度为4555HRC,可查得蜗轮基本许用应力为.6)计算中心距取中心距a=125mm,i=69,查表选取模数m=3.15,蜗杆分度圆直径,这时,查得接触系数4.蜗杆和蜗轮的主要参数与尺寸1) 蜗杆蜗杆头数 z1 1模 数

25、 m 3.15 (mm) 蜗杆分度圆直径 d1 35.50 (mm)蜗杆导程角 5.071 蜗杆齿高 h1 6.93 (mm) 蜗杆齿顶圆直径 da1 41.80 (mm) 蜗杆齿根圆直径 df1 27.94 (mm) 2）蜗轮 蜗轮分度圆直径 d2 217.35 (mm) 蜗轮喉圆直径 da2 220.80 (mm) 蜗轮齿根圆直径 df2 206.94 (mm) 蜗轮齿高 h2 6.93 (mm) 蜗轮外圆直径 de2 227.10 (mm) 中心距a 125 (mm)5.校核齿根弯曲强度查得由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用应力=56MPa弯曲强度满足要求3.同步带及带轮的选择及计

26、算同步带传动综合了带传动和链传动的优点,传动时无滑动,能保证固定的传动比和同步传动,预紧力较小,轴和轴承上所受的载荷小,带的厚度小,单位长度的质量小,故允许的线速度较高额定额定功率P=750W,n=3000r/min 1）选择带型设计功率 i=2查得工作情况系数=1.5 故=1.5*750=1125W根据GB/T113621989），选择带型为L型节距为2）大小带轮的齿数及节圆直径由于所设计的铣头结构要求紧凑，所以小带轮的齿数为小带轮节圆直径大带轮齿数 大带轮节圆直径 带速：3）初定轴间距根据 初步确定轴间距为计算带长及齿数选择标准带长实际轴间距 小带轮啮合齿数4）计算基本额定功率、带宽和作用

27、在轴上的力基本额定功率 带宽作用在轴上的力4 电机和联轴器的选用 由于本次设计的数控雕铣机必须满足高速的要求，所以电机采用伺服电机，伺服电机不仅可以满足较高的机械性能和生产效率的要求，同样在高速响应性、高速、高精度控制方面，具有更高的水准。本次设计中选用的伺服电机为株式会社安川电机的SGMAH型额定功率为750W，额定扭矩为2.39NM额定转速为3000转/分。 选用的联轴器为LK5系列的单接夹紧螺丝固定的联轴器，可以传递的扭矩为6NM 本次设计中对A轴的结构设计的特点是铣头的头套设计，将A轴的驱动电机放入滑枕中，从而减小了铣头的体积，此外在铣头的内部结构设计中，还注意到了排线的问题2.2.2

28、 C轴传动的设计及计算 C轴的结构设计主要采用齿轮传动方式，C轴的驱动电机也采用与A轴同样型号的电机，由于C轴的转速要求不高，所以采用降速传动。其中小齿轮设计成齿轮轴通过联轴器与电机相连，然后安装在滑枕上，大齿轮安装在铣头的头套上，带动铣头沿C轴方向转动 齿轮传动具体的设计计算如下：1.确定齿轮齿数在确定齿轮齿数时应该注意以下几点：1：不产生根切。一般取Zmin1820。2：保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚2mm。3：同一传动组的各对齿轮副的中心距应当相等。若模数相同时，则齿数和也相等。但由于传动比的要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足不了上述要求。机床上可用修正

29、齿轮，在一定范围内调整中心距使其相等。但修正量不能太大，一般齿数差不能超过34个齿。4：防止各种碰撞和干涉。齿轮的设计计算1：选定齿轮类型、精度等级、材料以及齿数 1）：选用直齿圆柱齿轮传动，2）：整个机构主要通过齿轮来传动，因此对齿轮的要求比较高，因此选用6级精度的齿轮。3）：材料的选择。由表10-1选择两个齿轮的材料都为40Cr（调质处理），硬度为280HBS。4）：按表选取齿数，暂时选小齿轮的齿数为20，第二个齿轮的齿数为76。2：按齿面接触强度设计 由设计计算公式（10-9a）进行试算，即d1t 2.321） 确定公式内的各计算数值（1） 试选载荷系数Kt=1.3（2） 计算和送料辊子

30、连接的齿轮的转矩T1=95.5P1/n1=95.54.1/960Nmm=4.1Nmm（3） 由表10-7选齿宽系数=0.4（4） 由表10-6查的材料的弹性影响系数ZE=189.8（5） 由图10-21d按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限为=600MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限也为=600MPa;（6） 由式10-19计算应力循环次数N1=60j=609601（2830010）=2.76N2=2.76/3.2=0.863（7） 由图10-19查得接触疲劳寿命系数=0.90;=0.90（8） 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得=0.88600Mpa=5

31、28Mpa=0.88650 Mpa=528Mpa2) 计算(1)试算齿轮分度圆直径，代入中较小的数值 2.32=38.1mm（2） 计算圆周速度v =1.82m/s（3） 计算齿宽b b= 此在此取值为0.45，故b=138.1=38.1mm（4）计算齿宽与齿高之比b/h 模数 =/=38.1/20=1.91 齿高 h=2.25=2.251.91=4.2975 b/h=38.1/4.3=8.87（5） 计算载荷系数根据v=1.82m/s，6级精度，由图10-8查得动载荷系数=1.08；由于是直齿轮，假设/b100N/mm。由表10-3查得=1.3 由表10-2查得使用系数=1.25 由表10-

32、4查得6级精度 =1.11+0.18（1+6.7）+0.23b 将数据代入以后得到： =1.11+0.18（1+6.7）+0.2314.81=1.2 由b/h=12.01，=1.2查图10-13得=1.18因此载荷系数为： K=1.251.081.31.2=2.106（6） 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得 =38.1mm=42.31mm（7） 计算模数m m=42.31/20=2.113 按齿根弯曲强度设计由公式（10-5）得弯曲强度的设计公式为 m1） 确定公式内的各计算数值 （1）由图10-20c查得下面齿轮的弯曲疲劳强度极限=480Mpa；由于是相同的材料，

33、故上面一个齿轮的弯曲疲劳强度极限也为=480Mpa（2）由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数=0.84，=0.84；（3）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得 =MPa=288MPa =MPa=288Mpa（4）计算载荷系数K K=1.251.081.31.18=2.071（5）查取齿形系数 由表10-5查得=2.28，=2.28（6）查取应力校正系数 由表10-5可查得 =1.73（7）计算两个齿轮的并加以比较 =0.0137 =0.01372） 设计计算mmm=2.13mm对比计算结果，我们发现齿面接触疲劳强度计算的模数m小于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，

34、由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，因此可取弯曲强度算得模数2.13，并就近圆整为2，按接触强度算得的分度圆直径=38.1mm，算出齿轮的齿数 =19取=20， =u=3.220=74，根据齿数匹配表，取=76这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免了浪费。4 几何尺寸计算1） 计算分度圆直径 =202mm=40mm =762mm=152mm2）计算中心距 =mm=96mm 2） 计算齿轮宽度b=0.4152mm=40mm。故两个齿轮的宽度都为

35、=40mm5 验算 =N=2050N =N/mm=64.06N/mm100N/mm，故满足设计要求。第三章 PRO/E虚拟建模造型及装配本课题另一主要任务是对所设计的五轴联动铣头进行虚拟建模造型和装配，它是建立在虚拟建模的基础上的，需要先把所要设计的东西从二维图形转换到三维立体的模型后，然后在此基础上进行装配，所以说虚拟制造技术是本课题的基础，那么首先要介绍一下什么是虚拟制造技术及其应用软件PRO/E。 第一节 虚拟制造技术及应用软件介绍虚拟制造技术作为面向21世纪的先进制造技术，是一种新型的生产模式。它是以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持，在高性能计算机及高速网络中，采用群组协同工作，

36、通过虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能和可加工性等各方面可能存在的问题，模拟产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。虚拟制造技术的发展应用，为高性能数控机床产品的研究开发提供了技术支持 。概括地讲它主要是利用高性能计算机及高速网络等支撑技术，并辅以各类专用设备或仪器，在计算机中对产品进行全面建模和仿真，通过使用计算机虚拟模型和计算机仿真分析技术，来辅助产品的设计和制造，即在产品的设计阶段实时地、并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能，优化制造过程，从而更加有效的、经济的、柔性的组织生产，增强决策控制水平，有力

37、地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最低、产品设计质量最优、生产效率最高。本次设计中的实体造型和装配是通过工程软件Pro/ENGINEER实现的。Pro/ENGINEER在今日以成为世界3D CAD/CAM系统的标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽机车、自行车、航天、家电、玩具等各行业。Pro/ENGINEER可谓是个全方位的3D产品开发软件，集合了零件设计、产品组合、模具开发、NC加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理等功能于一体，其模块众多，且学习殊为不易。Pro/ENGINEER的核心技

38、术是“尺寸驱动参数化的基于特征的实体建模技术”，这是建立在一个统一的能在系统内部引起变化的数据结构的基础上的，因此开发过程中某一处所发生的变化能够很快传遍整个设计制造过程，以确保所有的零件和各个设计环节保持一致性和协调性它具有下列的特点：a、3-D造型与以往的平面设计系统相比，Pro/Engineer是一个三维造型系统。b、参数化模型建构（Parametric）Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，它的参数化体现在以下几个方面： 1）、特征之间存在相依关系，改变某个特征会引起其他特征的改变。 2）、特征的驱动尺寸可以随时改变。 3）、可以通过关系式建立特征之间的

39、关系（Relation）。c、基于特征的（Feature_based）Pro/Engineer 以特征作为几何建构及数据存储的基础，特征的名称一般是机械设计上常用的名称，如：切削、圆角、拔模等。设计者依据加工过程，逐个产生特征。特征是设计的基本单元，而产生特征的顺序则根据设计者的设计意图而决定。d、相关联性（Associative）Pro/Engineer通过建立诸如零件模型、装配模型、模具模型、工程图模型、加工模型等进行设计，这些模型之间存在相互联系，如果在某个模型中实施改变，那么这种改变会自动反映到其它模型中。e、单一的数据库Pro/Engineer是建立在同一基层的数据库上的，即模型工程

40、中的所有数据和资料都存储到同一个数据库中，也统一从同一个数据库中读取数据，因此保证了它们之间的相关联性。f、广泛的功能Pro/Engineer的功能包括特征造型、曲面设计、装配组合、工程图设计、模具设计、NC加工、钣金设计、机构仿真、有限元分析等等。第二节 五轴铣头中零件的造型及装配对五轴铣头造型装配首先需要对所设计的铣头中的所有零件按其结构和尺寸特征进行造型，然后在按一定顺序和零部件的约束关系进行装配，在造型和装配的过程中又可以反过来检查所设计的零件的尺寸和结构是否有问题，装配是否有约束。在对本次设计中所有零件按照软件所要求的步骤如拉伸旋转扫描等特征操作造型。（具体过程略）右图为铣头的头套零

41、件的装配过程中可以先把零件装成几个主要部件，如下几个部分：先将电主轴、电主轴套、右法兰用螺钉连接装配在一起，然后装在头套内，用圆锥滚子轴承支撑，左法兰（右图为兰色）与蜗轮连接好也通过轴承装入头套内下图为装配好的蜗杆轴，蜗杆轴的上方装有大带轮，带轮的设计为双边挡圈结构，防止同步带的偏移。蜗杆轴的两侧装有轴承，然后装在头套上，轴承通过端盖及垫片来调整间隙。此时可以将驱动A轴的电机、联轴器、保持架、轴、轴承、键、小带轮等零件按图纸要求装成一个部件，如下图所示 图中红色的零件为一个法兰盘，这个法兰盘通过螺钉固定在头套上，这样使保持架和电机一块固定在头套上，底部的轴承也固定在头套上，用端盖和垫片分别定位

42、和调整间隙左图为C轴的电机、联轴器、小齿轮、轴、轴承、键、保持架的装配体。左土图中黄色的零件为保持架，用螺钉将整个部件装在滑枕上。 滑枕的内部需要先装入轴承、套筒等零件，在将铣头套入轴承内部，所有铣头和滑枕的零部件装完后，将头盖盖好。上图为Z轴的丝杠的装配体，丝杠通过联轴器与电机相连，丝杠上的螺母副装在雕铣机的凸台上，这样整个主轴箱就可以安装在机床上了，再在主轴箱上装上导轨，主轴箱就可以沿着导轨在Z周方向上移动了，整个装配完后如下图所示：本次设计的铣头的外观如上图所示，对其进行切割，则可以看到整个装配体的内部具体结构：第四章 技术经济分析机械工业技术经济分析任务，就是通过机械工业发展过程中各种技术政策、技术方案、技术措施的可行性分析和论证，正确的认识和处理技术与经济之间的辩证关系，寻找技术、经济发展的客观规律，谋求技术和经济之间的最佳关系，实现技术先进性和经济合理性的统一。工业技术经济分析能够帮助我们在一个投资项目尚未实施之前，估算出它的经济效果，并通过不同方案的比较，选出最有效利用现有资源的方案，从而使投资决策建立在科学分析的基础