毕业论文-五轴联动高速数控雕铣机”的进给系统及床身的设计
目录
第一章概述
1.1 国内外相关技术现状------------------1
1.2 小组课题内容简介--------------------6 1.3 课题内容简介------------------------11 第二章具体设计方案
2.1 设计参数计算-----------------------13
2．1．1滚珠丝杠选择--------------------13
2．1．2导轨的选择----------------------16
2．1．3电机的选择----------------------21
2．1．4联轴器的选择--------------------22
2.2 结构设计---------------------------22 第三章 PRO/ENGINEER简介-------------------24 第四章总结与致谢--------------------------27 参考文献------------------------------------29
第一章概述
1.1 国内外相关技术现状：
为了适应21世纪动态多变的全球化市场的激烈竞争，制造企业必须快速响应市场的需求，具备质量高，成本低，服务优的环抱产品和交货迅速的制造能力。这驱使制造加工技术朝着快速、低耗、优质和高精度的方向发展。在这一进程中，高速切削技术将发挥关键的作用。
从20世纪60年代后，美国、德国、日本等发达国家相继投入了大量的人力、物力、财力、研究开发高速切削技术及相关技术。在1979年，美国国防高技术研究所总署规划了超高速切削基础技术的研究，研究切削速度超过塑性波的超高速切削，为快速切除金属材料提供科学依据。近几年成立的隶属于美国国家科学研究委员会的“2010年及其以后国防制造工业委员会”，提出把生产加工工艺作为重大公关领域，将超高速切削列为与民用工业共用的先进制造基础技术，日本尖端技术研究学会也把超高速切削列为五大现代加工技术之一。目前，德国、日本、美国在超高速磨削的研究、开发和应用方面做了大量工作，在实验室已开发了500m/s的超高速砂轮，已超过音速。中国的东北大学也建造了200m/s的超高速磨削试验台，着手进行超高速磨削机理的研究。
高速切削机床是实现高速和超高速切削的必要条件之一，为了适应粗精加工、轻重切削和快速移动，同时保证高精度（定位精度+/-0.005mm），它必须满足高速加工对机床的要求：如高速主轴部件及其驱动系统，快速反应的数控伺服系统和进给部件，具
有NURBS插补功能和预处理能力的控制系统，高压大流量喷射冷却系统，静刚度、动刚度、热刚度特性都很好的机床支承件等。目前适用于进行高速切削的加工中心和数控机床，其主轴转速一般都在1000r/min以上，有的高达60000---100000r/min，主电机功率达到15——80KW。滚珠丝杠的快速进给速度可达40—60m/min,直线电机的快速进给速度高达90—120m/min。此外，高速机床的主轴和工作台还要具有良好的加速度性能，主轴从启动到最高转速的时间只用1—2s,工作台的加速度达到1—10g。
近年来，高速切削技术以其高效率、高质量、的优异性能而广泛应用于航天、航空、汽车、模具和机床等行业中，各种切削方式、各种材料几乎无所不能，尤其是高速铣削和高速车削发展神速。目前，工业发达国家的航空、汽车、动力装置、模具、轴承、机床等行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，市场竞争优势明显，都受惠于高速切削加工技术。近年来，航空航天、汽车工业、模具加工等对高速数控机床的需求量与日俱增，工业发达国家已生产多种商品化高速机床。近年来国际上高速机床的主要产品有德国EX-CELL-O的XHC241卧式加工中心、MIKROMAT 的8VHSC立式数控铣床、GUHRING的FD612高速平面磨床，美国的INGERSOLL的HVM800卧式加工中心、BRIDGEPORT的VMC1500龙门型立式加工中心、CINCINNATI MILACRON的HYPERMATH卧式加工中心，日本的MAZAK的FF-510卧式加工中心、新泻铁工所的VZ40加工中心，法国的FOREST-LINE的MINUMAC-TH8五坐标龙门高速铣床。
五轴联动数控加工中心是功能强，结构复杂，技术含量高的
机床，它广泛应用于航天、航海、汽车等领域，在现代工业中有非常重要的应用价值。
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。
为了跟踪国外的技术发展，北京机床研究所，在立式加工中心和卧式加工中心的基础上，加上有10多个工件位置的自动交换工作台（APC）。组成了柔性制造单元JCS-FMC-1、2。北京机床研究所还建立了一条以五台国产数控机床组成的、以直流伺服电机的轴类、法兰盘类、刷架体类等12种零件为加工对象的FMS。1985年以后，我国的数控机床，在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作。到1989年底，我国数控机床的可控品种已超过300种，其中数控车床占40%，加工中心占27%，其他的品种为重型机床，镗铣床，电加工机床，磨床，齿轮加工机床及拉床等。
一些较高档次的数控系统，如五轴联动的数控系统，分辨率为0.02微米的高精度车床用数控系统，数字仿型的数控系统，为
柔性制造单元配套的数控系统，也陆续开发了出来，并制造出了样机。经过30年的努力，我过数控机床的生产已经初步建立了以中、低档数控机床为主的产业体系，为90年代向高档数控机床逐步发展奠定了基础。
在我国现在比较先进的相关机床主要有：
沈阳机床集团的HS-60卧式加工中心。主轴最高转速达18 0O0r／min，快移速度高达60m／min，加速度达1g。
北京机床研究所的KT1300VB型立式加工中心，主轴最高转速达12000r／min,换刀时间为1.5s，快移速度为40m／min。
北京机电研究院的VMC750 II/VMC1000 II立式加工中心。它具有以下特点：
1）先进的设计，用CAD/CAM系统完成最优的结构设计。
2）高刚性结构，基础大件为铸件，主要零部件经有限元分析，确保高刚性。
3）主轴轴承采用进口的油气润滑装置进行油气润滑。
4）采用凸轮机械手换刀，换刀时间仅2s。
5）刀库容量24把。
6）采用A2100或FANUC数控系统，也可按用户需求选装。
北京机电研究院的VMC750F/VMC750F II五轴联动立式加工中心。它具有以下特点：
1）这种五轴联动立式加工中心是在立式加工中心上配置可倾回转工作台，可对各种空间立体型面进行五轴联动加工，
特别适用于加工叶轮类零件，用于机械制造、航空航天、
汽车、摩托车、模具等高技术行业。
2）加工范围大，工件安装空间可达?420x?370x300。转台
台面在倾斜轴下40mm，工件安装偏离摆动中心距离小，
加工误差小，加工时Y轴附加行程减小。
3）具有10个通道，50个伺服轴，8轴联动。
此外，北京第一机床,桂林机床厂、北京第三机床厂等的数控高速铣床，主轴转速均达10 000r／min以上。常州机床总厂的五轴联动的数控龙门式加工中心采用电主轴最高转速10O00r／min，功率18kW／15k。汉江机床厂和华中数控公司的5轴联动的卧式加工中心。北京机床研究所的世界先进水平的高精度高速数控车削中心，主轴回转精度小于0.2μm，主轴最高转速8 0O0r ／min。
1.2 课题研究内容：
本次设计的主要任务是五轴数控高速雕铣机的进给系t 统及床身设计。该机床用于高速加工复杂模具的型腔或凸模，采用直径为8～10mm的双刃圆鼻刀（允许线速度380米/min）用于粗加工，用6～8mm的双刃球刀精加工。在2003年的北京机床展览会上，四开公司展出的5060小型高速雕铣机床（见图1——1），在现场高速加工一个小型手机的模具，该零件有许多按键及屏幕的凹的型腔，是一个复杂多曲面的典型零件，模具的材料为T10工具钢，刀具为德国瓦尔特公司的带涂层的R3双刃球头刀，刀具线速度200米/min，主轴转速1.1～2.0万转/min，刀具吃刀深度0.5mm～0.8mm,进给速度5米/min，刀具间隔量粗加工0.5～5mm；精加工0.1～0.2mm，加工时间共1小时12分钟。浙江黄岩地区、江苏江阴地区的用户将该机器用于精密复杂的中小型模具（如各种汽车灯具的小曲面）的高速精加工；福建晋江、浙江瑞安地区的用户大多将该机器用于高速加工鞋模。本小组此
次毕业设计课题为五轴数控高速雕铣机，即在传统的三轴雕铣机的基础上另外增加两轴，即主轴铣头的摆动和转动，这样可以更精确方便的加工各种复杂曲面，另外的结构大体上仍采用传统三轴雕铣机的结构，只是在铣头的连接部分做些必要的改动。五轴的雕铣机在国内还没有投入市场，具有很大的市场空间。另外在技术上也代表了世界上较为先进的机械设计制造水平，因此本课题的拟定很有意义。五轴数控高速雕铣机采用了CNC控制系统，这也适应了当今世界上机床数控化的趋势。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成为了无本之木。同时，数控技术关系到国家战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。专家们曾预言：机械制造的竞争，其实质是数控的竞争。另外五轴数控机床也是当今世界数控机床中档次较高的，在国外已经有大量此次类产品出现，但在国内此类产品还是只占有较小的一部分市场，本次毕业设计所做的课题产品“五轴联动高速数控雕铣机”在国内更是一片空白。所以此次产品如果设计制造成功，则将是国内产的首例五轴联动高速数控雕铣机。
图1——1
同样适应今后机床的发展趋势，其高速体现在主轴的转速上，转速可达1000——20000r/min，因此，主轴采用了现在世界上最普遍采用的电主轴。电主轴是高速加工机床最理想的选择，也是当今世界上一个热门的数控机床功能部件。电主轴的驱动方式是电机对主轴直接驱动，省去了传统的皮带、齿轮、联轴器等一切中间传动环节，代之以无级宽调速交流变频电机来实现数控机床主轴的变速（见图1—2），它实现了机床主轴的零传动，可以使交流主轴电机在较大的范围内保持恒功率，在低速下具有较大的扭矩，还可以得到高的角加（减）速度值，进而实现瞬时升降速，
图1—2
指定位置快速准停及C轴插补功能等对机床主轴的要求，国外近几年生产的高速数控机床中，几乎无一例外的采用这种电机与主轴合二为一的电主轴结构。工业发达国家生产的高速加工中心，主轴最高转速普遍达20000~100000rpm，主电机功率一般为12KW~45KW，电主轴已经处于商品化、专业化、系列化生产阶段。一些著名的轴承厂如瑞典的SKF公司，德国的FAG公司和日本的NSK公司都有系列电主轴单元作为商品出售。
图1—3表示卧式加工中心的五轴加工，A轴和B轴为回转工作台，回转工作台置于B的上面。因此五轴指的是X、Y、Z、A和B。A、B轴实现被加工零件的回转运动，X、Y、Z实现刀具的直线运动。在这种情况下，刀具中心线与X、Y轴的坐标关系并不改变A、B轴的位置关系，这样便大大简化了五轴加工软
图1—3
件中刀具的补偿功能，在本例中，采用复合转台作为A、B轴的方法，也可以应用到立式加工中心中。
图1—4
图1—4表示加工中心主轴轴线处于卧式或立式的倾斜状态，A轴设定为主轴的倾斜，B轴为被加工零件的回转运动，请注意：Z 轴垂直于X、Y坐标，但由于A轴原来是回转运动，这样就改变了刀具中心线与X、Y轴的位置关系，无论在什么时间，一旦刀具偏离水平或垂直位置，沿着刀具中心线的任何运动，不再由Z轴的运动来产生，而必须由控制Y、Z轴的运动来产生。
1.3 课题内容简介：
我所做的课题为上述的“五轴联动高速数控雕铣机”的进给系统及床身的设计。根据以上对“五轴联动高速数控雕铣机”的了解，决定将A、B轴的运动放在主轴头部，进给系统只完成X、Y、Z三个轴方向的运动。因此运动方式可以完全仿照四开公司生产的5060小型数控高速雕铣机。即将雕铣机整体结构做成龙门架形式，由主轴箱完成X，Z方向的进给运动，由工作台完成Y方向的进给运动，由此，三个轴向的直线进给运动全部完成。
设计（论文）的数据及来源：
基本数据：
工作台面积（宽×长）570×400mm
行程（X/Y/Z）500*500*230mm
主轴转速1000-20000 r/min
主轴功率 2.0kw
最大可夹持刀具刀具直径?10㎜
饲服驱动进口数字式交流伺服750w*3
数控机床的进给系统是用伺服电机（直流或交流）驱动，通过滚珠丝杠带动进给系统元件完成X，Y，Z轴方向的进给运动。由于采用了宽调速伺服电机及伺服系统，因此进给的范围很大。快速移动和进给传动均经同一传动路线。一般快速移动速度可达10~15min。数控高速雕铣机所用的伺服电机除有较宽的调速范围并能无级调速外，还能实现准确的定位。
进给系统的传动要求准确，无间隙。因此，伺服电机与丝杠的连接，丝杠与螺母的配合及支撑丝杠两端的轴承都要消除间隙。如果经调整后，仍有间隙存在，可通过数控系统进行间隙补偿，但补偿的间隙量最好成绩不超过0.05mm。这主要是考虑传动间隙太大对加工精度有影响。特别是在镜象加工（对称切削）方式下切削圆弧和锥面时，传动间隙对精度要求较大。除上述要求外，进给系统的传动还应灵敏和有较高的传动效率。
图1—5
中小型数控机床的进给系统普遍采用滚珠丝杠副传动（见图1—5）。伺服电机与滚珠丝杠的传动连接方式有两种：
1 滚珠丝杠与伺服电机轴端用锥环连接，当旋紧联结套的压紧螺栓时，锥环（由内环和外环组成）因其锥面受挤压而内向，外径向膨胀，消除配合间隙，并产生接触压力以传递转矩和轴向力。这种方式结构简单，传动无间隙，但脉冲编码器需装于伺服电机内电机本身要与丝杠同轴安装，从机床整体布局看，电机往往向外延伸过长，影响外观。
2 滚珠丝杠通过同步齿形带与伺服电机联结，为消除同步齿形带传动对精度的影响，将脉冲标码器安装在滚珠丝杠端部。以便直接对滚珠丝杠的旋转状态进行检测，这种结构允许伺服电机
的轴端朝外安装，因而可以可避免电机外伸，加大机床的高度民主和长度尺寸，或影响机床的外形美观。
鉴于以上性能要求，根据以上数据，本机床属于中小型金属切削机床，载荷不是很大，但属于较精密的切削机床。进给系统决定采用交流伺服电机带高精密滚珠丝杠副驱动负载，中间由弹性联轴器联接，并且主要由直线滚动导轨来承受载荷。
第二章具体设计方案
设计（论文）的数据及来源：
基本数据：
工作台面积（宽×长）570×400mm
行程（X/Y/Z）500*500*230mm
主轴转速1000-20000 r/min
主轴功率 2.0kw
最大可夹持刀具刀具直径?10㎜
饲服驱动进口数字式交流伺服750w*3 定位精度±0.01mm/300mm
重复定位精度±0.005mm
机床重量1500kg
工作台载重120kg
2.1设计参数计算
X方向：
1．滚珠丝杠的选择
螺杆和旋合螺母的螺纹滚道间置有滚动体，当螺母或螺杆转动时，滚动体在螺纹滚道内滚动，使螺杆和螺母做相对运动时成为滚动摩擦，提高了传动效率和传动精度。
多数滚动螺旋的螺母或螺杆上有滚动体的螺旋通道，与螺纹滚道形成螺纹回路，使滚动体在螺纹滚道内循环。（见图2—1）
图2—1
1）滚珠丝杠型号的选择
因为雕铣机属于中小型机床，进给速度6M，最大移动速度8M/S，因此选用螺纹滚道法向截面的形状为双圆弧，滚珠循环
图2—2
方式为外循环插管式，预紧方式为单螺母变位式。其结构形状见图2-2
滚珠丝杠的型号为：
CBT3205-2-P3
2）计算滚珠丝杠副的主要参数
因为机床较为平稳，载荷性质为中等载荷下，选取平稳或轻度冲
击，选取载荷系数f
d =1.2 安全系数
j
s=2.0
计算当量转速n
d
n
d
=∑n i t i/t i
式中i=1,2,3,…………..n,如转速在n
max 和n
min
之间变化，则
n
d =(n
max
+n
min
)/2
计算当量载荷F
d
F
d
=(∑F i n i t i/n i t i)3/1
式中i=1,2,………..n,如载荷在F
MAX 和F
MIN
间周期变化，则
F
d =(2F
MAX
+F
MIN
)/3
初步确定丝杠导程P
h
P
h ≥V
max
/n
max
计算丝杠预期工作转数
L
n =60n
d
L
n
计算丝杠所需的额定载荷，
C’
a =f
d
F
d
10
?2-
n
L
?3/1
选择滚珠丝杠为：CBT3205-5
滚珠丝杠为由北京机床研究所生产的JCS系列。
3）滚珠丝杠副的丝杠轴端形式及尺寸
JB/T3162.4—93对滚珠丝杠副的丝杠轴端形式及尺寸做了规定,公称直径16~63MM的滚珠丝杠固定式轴端形式见图2-3
图2—3
公称直径d
=32 d=20
螺纹M: M205.1
?
d 1=16 L
1
=72
L
2
=26 L=139
键槽
宽度b=5 公差N9
深度t=3.01.0+
长度l=32 公差H14
Y方向的滚珠丝杠选择与X轴同，同选为CBT3205-5。
2．直线滚动导轨副的选择
直线滚动导轨副（见图2—4）是由一根长导轨轴和滑块构成，滑块数根据需要而定。滑块体内有四组滚珠：1与2，3与4，5与6，7与8各为一组。其中负载珠为2、3、6、7，回珠为1、4、5、8。随着滑块或导轨轴的移动，滚珠就周而复始的地进行滚动运动。滚珠承受栽荷的方式，就与角接触球轴承相类似。一个滑块就像是4个直线运动的角接触球轴承。滑块的两端装有防尘密封垫，导轨轴的安装形式可以水平也可以竖直或倾斜，可以两根或多根导轨轴平行安装，也可以把两根或多根短导轨轴接长成为长导轨轴，以适应各种行程和用途的需要。
图2—4
3．直线滚动导轨的选用计算
Y方向
1）额定寿命计算
直线滚动导轨额定寿命的计算和滚动轴承基本相同
L=（f
h f
t
f
c
f
a
/f
w a
C
?/p）εK
式中L--------------额定寿命(KM)
C
a
------------额定动载荷（KN）
P--------------当量动载荷（KN）
P=F
MAX
F
MAX
----------受力最大的滑块所受的载荷（KN）
Z---------------导轨上滑块数
ε---------------指数，滚动体为滚珠，ε=3
K---------------额定寿命单位，滚动体为滚珠，
K=50KM
f
h
---------------硬度系数
f
h
=[滚道实际硬度（HRC）/58]6.3
由于产品技术要求有规定，滚道硬度不得低于58HRC，故通常可取1
温度系数f
t
=1
接触系数f
c
=0.81
精度系数f
a
=1
载荷系数f
w
=0.81
2)寿命时间的计算
当行程长度一定,以小时为单位的额定寿命为
L
h =L?1000/2?L
a
N
2
?60≈8.3L/l
a
N
2
L
h
=1000L/2?LaN2
式中L
h
-----------------------寿命时间
L ---------------------- 额定寿命
L
a
----------------------行程长度
N
2
----------------------每分钟往复次数2）直线运动滚动导轨上负荷的计算
Y方向：F
1=F
2
=F
3
=F
4
=1/4（G+F）
导轨为水平安装，卧式导轨，滑块移动，工作台质量均匀分布，重心在中间，G为重量。外力F的作用点和工作台重心重合，
匀速运动或静止，
F
1=F
2
=F
3
=F
4
=F
max
（见图2-5）
图2—5
水平安装，卧式导轨，滑块移动，承受惯性力，配置滚珠丝
杠副、油缸或其它驱动器驱动。
F
max =F+F
max
i
摩擦阻力受结构形式、润滑剂的粘度、载荷和运动速度的影响而略有变化，预紧后，摩擦力增大，摩擦力F
μ
按下式计算
F
μ
=μF+f
滚动摩擦系数μ=0.005
法向载荷F
密封件阻力f , 每个滑块f=5N f
直线滚动导轨副的特点是：
1）承载能力大，刚度高。不循环滚珠导轨为平面与滚珠的点接触，承载能力和刚度都不高。在直线滚动导轨副中，滚珠与圆弧沟槽相接触，因而许用载荷和刚度与点接触相比有较大幅度的提高。
2）采用直线滚动导轨副可简化设计、制造和装配工作。导轨副的安装基面精度和质量要求不高，只要求精铣或精刨。
选择为GGB---A型直线滚动导轨副。
根据行程要求，Y方向为500MM，因此导轨的长度要长于行程，导轨长度既为两导轨块间长度加上行程距离，此外还应加上一定的间隙，因此在以上基础上还应增加十几毫米。选取Y方向最大长度为1500MM的直线滚动导轨，选取长度为1000MM。
直线滚动导轨的安装方式很多，适用于各种受力情况，见图2-6。