五轴联动精密铣床结构设计与优化毕业论文(编辑修改稿)

五轴联动精密铣床结构设计与优化毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

美国佐治亚理工学院、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、密西根大学和威斯康辛大学等都针对微小制造系统开展了广泛的研究 【 6】 ,一些研究成果已成功用于航空航天和生物医疗等领域。 西北大学和伊利诺伊斯大学研制的微小型车床 ,其主轴转速可达到 200,000rpm。 而我国近期也研制成功了 国内第一台超精密微细加工机床，如图 1所示，该装置为三轴联动的超精密微小型铣床，运用直线电机直接驱动、气体静压导轨支撑的驱动方式；采用纳米级直线光栅反馈的全闭环、开放式数控系统；使用气体静压轴承支撑的高速电主轴，最高转速为 160000rpm，实现亚微米级超精密定位和加工。 现已在西安 618研究所使用，大大提高了该研究所的研发和生产能力。 图 1— 2 618所超精密微细加工机床 因此我们可知，未来的工业生产会随着人们对高新技术的追求而步入哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 4 “细微时代” 【 7】 ，令人期待的诸如微型管道机器人、超微型医疗机器人、人工智能心脏等的运用都将离不开精密微型铣床的发展和成熟。 未来谁更早掌握了微型加工技术，谁便站在了工业制造的前沿。 主要研究内容及本次设计的重点 主要研究内容 根据五轴联动机床的技术要求，结合国内外研究综述，本课题的主要研究内容包括： （ 1）机床总体结构布局的方案设计。 怎样选择总体结构，是选择立式机床结构，还是选择卧式结构，并且选用合适的五轴铣头结构使其保证加工精度和结构的紧凑。 （ 2）机床的的动力方案设计。 初步设想用滚珠丝杠配合伺服电机作为动力和传动装置。 （ 3）主轴设计方案的选取。 是选取传统的纯机械结构还是马达和主轴作为一体式结构。 （ 4）根据机床的整体结构设计来设计的其他外观尺寸，并组装其三维实体模型。 （ 5）对电机、减速器和联轴器的选取，用 Solidworks 软件进行零件的设计与装配，并对主要部件进行校核与有限元的分析，对必要零部件进行振动分析。 设计的重点 （ 1）合理的机床结构和布局，是保证机床的工作性能的前提 采用了高效的五轴联动龙门布局，其具有加工复杂轮廓表 面、型腔工件的能力， X／ Y／ Z三轴采用了精密滚珠丝杆 +直线导轨传动。 并对其关键部件予以理论计算与校核，简化了机床结构，也提高了机床的刚性，同时也大大的提升了各轴的传动精度，加工精度显著提升。 其中 A／ C轴功能的实现，是通过具有双摆方式的五轴联动铣头来完成的，采用连续分度方式 (注： A轴定义为绕 X轴旋转， B轴定义为绕 Y轴旋转， C轴定义为绕 Z轴旋转 )。 (2) 双摆式主轴头的结构设计，提高了加工精度 五轴联动铣头一直是五轴联动龙门式数控机床的瓶颈，本课题设计出高哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 5 效实用的五轴联动铣头结构，它具有 A／ C轴功能，其中 C轴采用精密齿轮传动结构，而 A轴采用蜗杆传动形式，此传动结构具有一定的轴向间隙补偿的功能，弥补了其它普通齿轮传动形式因齿轮啮合磨损造成的轴向间隙问题。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 5 第 2 章 机床主要结构方案选型及设计 引言 在需要加工大型零件或者具有复杂曲面的零件时，零件的装夹和校正作业成本很高。 此外，对质量和精度的要求也在不断的提高。 因此，解决的方案是用五轴联动机床，一次装夹，尽快完成加工，同时还要为漫长精加工作业做好准备。 通常，用三轴或四轴机床是办不到的。 在某些情况下，五轴联动加工提供了许多经济方便的优点。 但是，作为这种用途的 CAM编程仍很昂贵，在投资于五轴铣床时应考虑这一点。 机床的的设计参数以及设计方案 本课题的五轴联动精密铣床设计的基本设计参数 【 8】 如下： （ 1） 五轴联动精密铣床的工作行程为： X/Y/Z 轴行 程分别为270mm/350mm/140mm， A轴摆动角度为 177。 100， C轴回转角度为 177。 360； （ 2） 机床的各轴工作速度： X/Y/Z 轴快速移动速度为1000/1000/800(mm/min),A 轴摆动速度为 04(r/min),C 轴回转速度为030(r/min)； (3） 五轴联动铣床的定位精度为 ,全行程控制在 ，重复定位精度为 ； (4）工作台最大承载重量为 30kg，采用内藏式电主轴，主轴转速为 6000r/min,SK6 刀柄 【 9】。 五轴铣头结构方案分析与比较 如下图 2— 1 所示是常见的五轴数控机床的铣头结构，从中可以哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 6 看出五轴数控机床安旋转轴的安装方式可以分为三大类：五轴双摆头 机床、五轴摆头及转台机床、五轴双转台机床。 龙门式五轴联动数控机床是当代机械制造业的主流设备，而五轴联动铣头是这类机床的核心部件。 目前在五轴联动铣头领域中，西方 图 2— 1 机床铣头结构的分类 【 8】 国家中主要有意大利意萨（ ISA）公司和德国西泰克（ CyTec）公司比较突出，国内就数桂林机床股份有限公司做的比较专业化和系统化。 铣头结构选型 综合现有产品资料，本次设计拟定了三种五轴联动铣头的结构方案。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 7 方案一，直接由力矩电机（ Torqer Motor）驱动，五轴联动的 A/C轴全采用“零传动”结构。 德国的西泰克公司的产品五轴头便是此类结构，如下图 2— 2 所示。 现在国内市场上也已经有才类似结构的产品。 但是精度和控制方面距国外同类产品还有较大差距，主要由以下类型产品，如下图 2— 3 所示。 图 2— 2 德国西泰克五轴头 图 2— 3 国内五轴头产品 方案二，五轴联动铣头采用纯机械结构， A 轴由双导程蜗杆驱动，C 轴也是如此，见图 2— 4 所示。 此类结构的缺点是加工精度偏低且体积较大 ，外观造型比较笨重。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 8 图 2— 4 纯机械结构的五轴头 方案三，同方案二一样采用机械传动，但是 A 采用双导程蜗杆驱动， C 轴则由精齿轮啮合驱动。 初步构想示意图如图 2— 5 所示。 图 2— 5 铣头结构示意图 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 9 对比分析上述方案设计可以看出，方案一的优点是结构十分的紧凑，体积小而且加工精度高，美中不足的是造价过于昂贵。 但是，对于精度要求不高的场合可以采用双力矩电机来降低加工精度进而降低制造成本，如木工加工中心。 五轴联动高速雕铣机结构便是此类应用 【 10】 ，如图 2— 6 所示。 图 2— 6 五轴联动高速雕铣机 方案三的结构特点介于方案二与方案一之间，通过以上对比分哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 10 析，本设计采用方案三的结构设计较为合理和经济。 A 轴定义为绕 X轴旋转， B 轴定义为绕 Y 轴旋转， C 轴定义为绕 Z 轴旋转，则本结构采用主轴部分可以绕 A 轴摆动，而整体结构则可以绕 C 轴旋转，同时 Z 轴滑枕可以带动铣头部分沿 Z 轴上下移动。 五轴联动铣床整体结构方案分析与比较 本章小结 本章主要根据机床整体性能要求对机床的总体结构和重要的五轴铣头结构进行了方案分析与比较 ，最终 确定了结构的整体参数和重要部分的设计参数，为后续工作的展开定下了技术参考。 机床的整体结构采用定梁动滑台龙门式结构，五轴铣头部分采用的是偏置双摆动铣头结构。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 11 第 3 章 伺服进给系统机械传动结构的设计 引言 伺服进给系统机械传动机构是指将电机的旋转运动转变为滑枕或者工作台的直线运动，主要包括引导和支撑执行部件的导轨、丝杠螺母副、锥齿轮副、蜗杆副及其支撑部件等。 这部分的设计是本次设计的主要部分，在借鉴了大量国内外的资料后，设计了下面内容。 伺服进给系统机械传动结构设计的一般要求 由于进给系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精度和轮廓加工精度，因此，应满足以下要求： （ 1） 提高传动部件的刚度 一般来说，数控机床的直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转的定位精度和分辨率都要达到角秒级，如果传动部件的刚度不足，必然会导致传动部件产生弹性变形，工作台产生爬行、振动和反向死区，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应的快速性。 关于机械传动机构的传动刚度，主要取决于丝杠螺母副、蜗杆副及其支撑结构的刚度。 缩短传动链、合理选择丝杠以及丝杠螺 母副的支撑部件等，施加预紧力是提高传动刚度的有效途径。 （ 2） 高谐振 为了提高系统的抗振性，应使机械传动部件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的 2～ 3 倍。 （ 3） 摩擦阻力小 为了提高伺服进给系统的快速响应特性，保证其运动平稳、定位准确，除对伺服元件提出要求外，还必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差。 机械传动机构的摩擦阻力主要来自丝杠螺母副哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 12 和导轨。 为了减小摩擦阻力，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨和塑料导轨 【 11】。 （ 4） 减小传动部件的惯量 传动部件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影响，尤其是处于高速运转的零件，由于对进给系统的加速度要求较高。 在驱动电机一定时，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响进给系统快速性的主要因素。 因此，在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的重量、直径，以降低惯量，提高快速特性。 （ 5） 无间隙 机械传动部件之间的间隙是造成伺服进给系统反向死区的一个主要原因，因此，对传动链的各个环节，如联轴器、齿轮副、蜗杆副、丝杠螺母副及其支撑部件等，均采用消除间隙的结构措施或施加预紧力。 滚珠丝杠螺母副的原理及支撑方式 滚珠丝杠螺母传动属于滚动螺旋传动。 滚动螺旋传动的滚动体有滚珠和滚子两大类，其应用最广泛的是以滚珠为滚动体的滚珠丝杠螺母传动。 滚珠丝杠螺母副作为精密、高效的传动元件在数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等领域应用也很普 遍，可作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。 滚珠丝杠螺母副的原理及特点 滚珠丝杠螺母副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其结构原理如图 3— 1 所示。 在丝杠和螺母上都有半圆形的螺旋槽，当他们套装在一起时便成了滚珠的螺旋滚道。 螺母上有滚珠回珠滚道，将数圈螺旋滚道的两端 连接成封闭的循环滚道，滚道装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内自转，同时又在封闭滚道内循环，使丝杠和螺母相对产生轴向运动。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 13 1— 螺母， 2— 滚珠， 3— 端盖， 4— 丝杠， 5— 盖板， 6— 挡珠环 图 3— 1 滚珠丝杠 当丝杠 (或螺母 )固定时，螺母 (或丝杠 )即可产生相对直线运动，从而带动工作台或其他移动件作直线运动。 滚珠丝杠螺母副的预紧 滚珠丝杠螺母副的预紧是提高滚珠丝杆副的反向传动精度和传动刚度，减小传动系统间隙的重要措施。 滚珠丝杠螺母副的预紧常采用各种形式的双螺母机构。 为使预紧后的双螺母机构在正向传动链受力运行时，其反向传动链仍保证无间隙出现，则一般要求施加一个合理的预紧力。 预紧力过大会造成传动效率的降低、摩擦力增加、磨损增大、使用寿命降低等缺陷。 因此，预紧力的大小可通过理论计算求取，计算公式如下： （ 1）当最 大轴向工作载荷不能确定时：  （ 3— 1） 式中： ——施加的预紧力 （ N） ； ——预加负荷系数； ——额定动载荷 （ N） ， （ 2）当最大轴向工作载荷能确定时 ： （ 3— 2） 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 14 式中： —最大轴向工作载荷 （ N） 滚珠丝杠的选型与计算 丝杠选择总体流程如下图 3— 2 所示： 图 3— 2 丝杠选型流程图 伺服电机的选型与计算 伺服电机具有较小的转动惯量和较大的堵转转矩，能够使它满足机械设备对高精度和快速响应的要求。 伺服电机还能够承受频繁的启动、制动和正反转，正是由于它具有这些特点，在本次设计中主要采用伺服电机。 本课题以施耐德伺服电机为例，结合本课题设计机床 Y轴结构模型来分析在数控机床设计中伺服电机的选取问题 【 13】。 计算丝杠副载。