电火花机床主轴附件头ab轴设计.docx

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电火花机床主轴附件头ab轴设计

摘要

本次毕业设计的题目是电火花数控机床主轴附件头AB轴设计。

是在现有的电火花数控机床主轴三坐标联动的基础上增加了一个具有两个旋转自由度的主轴附件头，将其安装在原有的主轴头上，与原有的主轴组成一个整体，成为一个多自由度的主轴头，再通过对数控系统的升级，使该机床成为五坐标联动的数控机床。

这样的双回转数控工作台可以沿XY、Z方向作平行移动，A轴上能够在一定角度内连续旋转，B轴也可以做旋转运动,且A、B两轴能同时运动，随时停止。

不仅可以加工简单的直线、斜线、圆弧，还可适应更复杂的曲面和球形零件的加工。

本课题研究的主要内容包括：

确定主轴附件头的传动方案；驱动力计算及其他相关计算；零件设计与校核；零件图、装配图的绘制。

关键词：

数控；主轴附件头；五坐标轴联动；

Abstract

ThegraduationprojectisthesubjectofEDMCNCmachinetoolspindleattachmentheadABaxisdesign.ItisatwospindleattachmentheadrotationaldegreesoffreedominadditiontotheexistingNCEDMmachinetoolspindlethreecoordinatelinkage,mountedinthespindleheadontheoriginal,formawholewiththeoriginalspindle,aspindleheadofamultipledegreeoffreedom,andthenthroughthenumericalcontrolsystemupgrade,sothatthemachinebefivecoordinatelinkageCNCmachine.DoublerotaryworktablethatcanparallelmovealongthedirectionofXY,Z,Aaxiscanberotatedcontinuouslywithinacertainangle,theBaxiscanrotate,andtheA,Baxestomoveatthesametime,stopatanytime.Cannotonlyprocessthesimpleline,line,arc,canalsoadapttothemachiningsurfaceismorecomplexandsphericalparts.

Themaincontentofthisthesisincludes:

determiningthetransmissionschemeofspindleattachmenthead;drivingforcecalculationandotherrelatedcalculation;designandcheckparts;drawthepartdrawing,assemblydrawing.

Keywords：

Thenumericcontrols,Turningroundtheworkset,Fivesitthemarkandconnecttomove

前言

装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供了重要的手段，是不可缺少的战略性产业。

即使发达工业化国家，也无不高度重视。

随着生产力水平的发展，数控技术越来越广泛的应用于各个领域。

数控机床是数控技术最普遍的应用。

而数控回转工作台是一种可以实现圆周进给和分度运动的工作台，它常被使用于卧式的镗床和加工中心上，可提高加工效率，完成更多的工艺，它主要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成，并可进行间隙消除和蜗轮加紧，是一种很实用的加工工具。

立式五轴加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴，设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。

工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。

这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。

A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。

这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。

另一种是依靠立式主轴头的回转。

主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。

这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。

这种设计还有一大优点：

我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量

本次毕业设计主要是解决数控主轴旋转的工作原理和机械机构的设计与计算部分，设计思路是先原理后结构，先整体后局部。

通过本次设计，可以锻炼学生查阅文献、设计计算、数据处理、编写技术资料、工程绘图等工作能力，使学生掌握科学研究的基本方法和思路。

巩固和深化所学的专业课知识，培养自己独立分析和解决工程实际问题的能力，树立正确的设计思想，为以后从事设计工作打下良好基础。

第1章绪论

毕业设计主要是培养学生综合应用所学专业的基础理论、基本技能和专业知识的能力，培养学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法。

通过毕业设计，可树立正确的生产观点、经济观点和全局观点，实现由学生向工程技术人员的过渡。

使学生进一步巩固和加深对所学的知识，使之系统化、综合化。

培养学生独立工作、独立思考和综合运用所学知识的技能，解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力，从而扩大、深化所学的专业知识和技能。

培养学生的设计计算、工程绘图、实验研究、数据处理、查阅文献、外文资料的阅读与翻译、计算机应用、文字表达等基本工作实践能力，使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路。

使学生学会初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想、方法手段，树立做事严谨、严肃认真、一丝不苟、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识和团结协作的工作作风。

1.1五轴数控机床学术背景

2011年在北京举办的第12届中国国际机床展览会上，数控机床、加工中心、复合机床在装备制造业内已呈现出量大面广态势，这类工作母机在各类制造业已经普及应用，并清晰地表达出时代特征与发展潮流。

柔性、复合、五轴联动、高精、高速化仍然是数控机床的发展主流。

机床运动无论是并联运动机床，还是运动叠加串联机床，对大多数金属加工机床来说，数控进给复合运动的加工，是以直线轴加上回转轴的联动来实现。

为了应对日益增多的复杂零件加工、提高加工精度和效率，多轴机床和复合机床将会进一步创新发展。

因此在现代加工中心的开发中，数控回转轴的设计与制造，成为研制机床的核心任务之一，而数控回转轴，同时也起着承载工作重量、夹持工件的功能，故要重视其创新设计。

图1-12010年中国国际机床展览会数据统计

据中国机床工具工业协会统计，2010年我国机床工具产品进口总额为157.2亿美元，同比增长62.0%，国内机床进口额与历史最高的2008年同期相比还增长了27.8%，创历史新高。

进口的增长迅猛表明国内机床与国外机床的差距依然很大。

图1-1是对2010年中国国际机床展览会数据的统计。

图1-21989-2007年间中国金属加工机床产量的变化发展

CITM2011中国国际机床展调查报告显示，中外机床的差距主要体现在三个方面：

机床加工精度（25.2%）、可靠性（18.8%）、机床内部电气控等配置（16.5%）。

紧跟其后的是加工速度和外形方面的色彩、精美程度等，均占13.1%（详见图1-3）。

由此可见，技术尤其是对精准度和可靠度是国外机床领先国内机床的优势来源。

图1-3CITM2011中国国际机床展调查统计

CITM2011中国国际机床展调查报告中50%的受访者认为国产机床与国外机床的差距缩小了一些，17.5%认为差距缩小了不少（详见图1-4）。

国内机床行业取得的巨大进步有目共睹，北京展会展出的十二类专项产品正是对国内机床行业成果的一次重大展示。

图1-4CITM2011中国国际机床展调查统计

1.2本课题的研究目的和现实意义

近年来，我国在超精密机床的研究方面取得了一些可喜成绩，但对于一些关键零部件如高精度数控联动回转工作台等，与一些技术先进国家相比还有很大的差距。

因此，开展高速、高精度多轴联动数控机床的研究是提高我国机床技术水平，促进经济和国家综合国力的需要。

基于上述原因，本课题将对精密数控主轴附件头AB轴进行设计研究，它涉及到结构方案的设计及关键结构等问题的研究。

1.3国内外发展现状

随着科学技术的进步和市场供求的需要，数控机床在装备制造业得到了广泛的普及，清晰的表达出了时代的特征，并成为了提高国际竞争力的关键因素。

我国有关数控机床技术的研究起步于上世纪70年代。

20世纪80年代初，国内先后从日本、美国等国引进了一些CNC装置及主轴、伺服系统的生产技术，并陆续投入了批量生产，从而结束了数控机床发展徘徊不前的局面，推动了数控机床的发展。

到20世纪90年代初，国内的数控机床及数控系统的生产具有了一定的规模，但前进中的数控机床产业正面临十分严峻的形势。

国内最先研制出五轴联动加工中心是在1999年，代表作是当时江苏常州机床总厂开发出的定梁龙门式五轴联动加工中心。

近年来，中国陆续推出五轴数控机床的厂家（如沈阳、大连、常州、桂林、北京、济南和齐齐哈尔等地的机床厂）越来越多。

并在北京、上海等地举办了国际机床展览会。

在CIMT2008展会上，中国的展品和参展厂家占多数，展出了33台被西方国家禁运的五轴联动数控机床。

其中沈阳机床集团有限公司展出的GMC2060u桥式龙门五轴加工中心，采用桥式龙门框架结构，两侧采用伺服电机驱动，具有良好的定位精度和稳态响应特性。

桥梁和工作台固定，刚性好，承载大，适用于大型工件复杂型面的加工。

该机工作台面尺寸为2000mm×6000mm，承重5000kg/m，X、Y、Z轴快移速度30m/min，A、C轴回转速度10r/min（60r/min），主轴功率45kw，转速14000r/min。

可通过五轴联动实现对空间任意方向孔、面及复杂型面进行加工；主轴高转速，适合高速切削。

机床采用全闭环控制，确保了机床的定位精度及精度的稳定。

主轴设有恒温冷却装置，确保主轴恒温、精度稳定。

在CIMT2011展览会上，有28个国家和地区的1200余家机床制造商踊跃参展，这次展会是目前为止世界机床制造业最新最高技术成果的展示，众多新品在CIMT2011展览会竞相展示。

其中南通科技投资集团股份有限公司展出了5DMCH63卧式五轴联动加工中心、5DGBC50五轴联动立式加工中心、VH1100高速立式加工中心和VMCL1100新型立式加工中心。

5DMCH63卧式五轴联动加工中心采用了箱中箱结构和直线双丝杠高速同步驱动技术。

其工作台采用了3套大扭矩力矩电机，A轴配有2套大扭矩力矩电机，B轴采用高速旋转的大扭矩力矩电机。

回转轴采用了圆光栅尺反馈，工作台可以任意分度。

5DMCH63工作台尺寸630mm×630mm，转台承重700kg，三向行程（x/y/z）900mm×650mm×800mm，快速移动速度60m/min，切削移动速度3～40000m/min，主轴转速20～18000r/min，A轴摆动角度-30°～120°，A轴额定转速110r/min，可绕B轴360°回转，B轴额定转速46r/min，定位精度X＝0.007mm、Y＝0.005mm、Z＝0.005mm，重复定位精度X=0.004mm、Y=0.003mm、Z=0.003mm。

转台定位精度8"，转台重复定位精度4"。

5DGBC50五轴联动立式加工中心采用高刚性的龙门型结构设计。

内藏式主轴电机直接驱动机床主轴,最高转速18000r/min，该机工作台面尺寸为Ф500mm²，承重400kg/m。

三向行程（x/y/z）650mm×700mm×460mm，A轴回转角度为-110°～110°，C轴回转角度为360°。

X、Z轴快速移动速度40m/min，Y轴快速移动速度32m/min，A、C轴快速回转速度30m/min，主轴端面至工作台台面高度为200mm～660mm。

VH1100高速立式加工中心主体结构采用门型结构，以增强机床刚性。

工作台尺寸1200×700mm²，最大载重1000kg，三向行程（x/y/z）1200mm×900mm×700mm，主轴端面至工作台台面高度为100mm～800mm，X、Y轴快速移动速度120m/min，Z轴快速移动速度80m/min。

沈阳机床（集团）有限责任公司展出了HTM40100h车铣加工中心、GMC2590u桥式五轴加工中心。

HTM40100h车铣加工中心属于国家重大专项产品，这台车铣加工中心体现了当今数控机床高效、高精、复合化的发展趋势，具有国际领先水平,是针对国内汽车、航天、军工等行业对高档数控机床的需求而研制开发的。

与同类机床相比，具有以下特点：

车铣复合电主轴最高转速达到15000r/min；车削电主轴最高转速达到5000r/min；X/Y/Z轴快移速度达到30/30/30m/min；力矩电机无间隙直接驱动B轴。

床身上最大回转直径Ф600mm，最大加工直径Ф400mm，最大车削长度1150mm，X轴行程520mm，Y轴行程-100mm/+100mm，Z轴行程1400mm，B轴转角-120mm～+120mm。

济南二机床集团有限公司展出的XHSV2525×60高架式五轴联动龙门加工中心工作台面积：

2.5×6m，龙门宽度4.1m，主轴端面与工作台面最小距离250mm，主轴转速范围17000/18000（rpm），工作台尺寸为25000×6000（mm），主轴孔锥度HSK-A63，工作台纵向行程长度（X轴）6000～20000mm，溜板横向行程长度（Y轴）3100mm，铣头滑枕垂直行程（Z轴）950/1250mm，工作台每米长度最大承重5T。

东风汽车有限公司设备制造厂展出的DH500Ⅰ高速卧式加工中心具有主轴轴向尺寸温升自动补偿功能和主轴防碰撞功能，利用传感器在零件周围设置临界区，发现危险后自动实现碰撞规避。

在现代加工中心的开发中，数控回转轴的设计与制造，成为研制机床的核心任务之一，而数控回转工作台（简称转台）既作为数控回转轴，同时也起着承载工件重量、夹持工件的功能，故要重视其创新设计。

现在复合机床主流形式是以车铣复合加工实现工序集约，以加工中心为基础设计的车铣复合机床。

数控回转轴还具有车削主轴的功能，并起着工作台面的作用。

DMG公司的DMU125FDduoBLOCK5轴车铣复合加工中心，是以卧式加工中心为基础设计的复合机床。

工作台作为C轴，既要有高的转矩，也能实现高转速输出，该机工作台尺寸Ф1250mm、承载2t、铣削（即为数控回转轴）/车削转速20/500r/min，5轴的另一回转轴为B轴，采用主轴头的摆动形式，B轴摆动范围-30˚/+180°（0°=立式/180°=卧式），回转速度30r/min。

XH764A及XH765B型转台台面规格为500mm，是带交换台面型式的回转工作台，交换形式为扁担式交换。

转台承载能力500kg；分度定位制动扭矩为1650Nm；油压35kg/cm2；锁紧时最大切削扭矩1500Nm。

Fanuc电机α12，减速比1:

90，最高转速设定在11.1r/min。

配旋转编码器RON275，定位精度±5″，重复定位精度±2″。

转台采用滚针保持架组合形式的滚动轴承方式。

转台消隙方式为双蜗杆消隙结构。

美国捷力公司RMV250RT型立式5轴联动加工中，B/C轴应用了滚子蜗轮传动，C轴台面直径Ф250mm；B/C轴细分角度最小设定单位0.001°；B/C轴减速比75/48；B/C轴最高转速50/100r/min。

作为非传统蜗杆蜗轮副滚动传动，滚子蜗轮应用在回转轴上，进一步提高定位精度和回转速度，提高使用寿命；蜗轮上每一个滚子经预压后，紧密贴合在蜗杆上做滚动传动，毫无背隙。

1.4数控机床发展的主要趋势

从外国五轴联动加工中心机床的发展看，机床不再单纯是一台加工设备，而是工厂自动化生产系统的组成单元。

市场对五轴加工机床的要求越来越高，已经出现与传统机床完全不同的特征和机构。

概要的说，就是通过各种技术全面集成，大幅度提高生产效率。

主要体现在以下方面：

（1）高速化：

就现在而言，只要说到加工中心，机床主轴转速一般都在10000r／min以上。

由于高速电主轴的普遍应用，主轴转速也迸一步提高，有的高达40000～60000r／min，快移速度也由于直线电机的采用而提高到lOOm／mim以上，很多机床的直线运动加速度达到1～29，少数可达39以上。

Mikron米克郎公司的400U高速加工中心，可进行高速5轴联动加工。

液体冷却的主轴电机由陶瓷轴承支承，转速高达30000r／min、42000r／min、60000r／min，并有整体式托盘架和托盘交换装置。

（2）高精度：

目前一般加工中心的定位精度为±0．05～±0．Olmm，精密级的精度为±O．002～±0．005mm。

MitsuiSeiki公司的HU50—5AX型高精度5轴高速加工中心，带一个倾斜转台，所有坐标的直线运动定位精度0．003mm，B轴、C轴的回转精度0．001。

主轴转速15000r／min（50号锥度）至20000r／min（40号锥度），主要用途是取消铸造而直接由实体坯料加工出形状复杂的箱体件。

（3）复合化：

提高机床切削率和生产效能促使机床功能的扩展，由原来的单主轴、单刀架，扩展为双主轴、双刀架结构，组成卧式平行双主轴结构或立式双主轴结构。

DMG公司的DMCl65是双铣头的门式加工中心，双铣头由立铣头和摆转铣头完成粗精加工。

（4）高刚性：

机床在不断追求高速、高精的同时，开始注重机床的刚度，为实现大功率切削，提高加工效率奠定基础。

改善机床刚性主要从两个方面考虑：

一是研制新的高刚性材料。

日本东金属产业公司研制出了一种新的铸件材料，是在铝中添加20％碳化硅的复合材料，可作为精密机床、高速加工机床的床身构件。

这种铸件材料质量轻（为一般铸件的1／3）且刚性较好，振动衰减率高（比一般铸件高15％），能吸收振动，热传导率高。

二是改善机床结构。

北村机械株式会社的Mytrunnion系列加工中心采用新开发的门式结构，这是继箱中箱结构的加工中心后的又一种新结构的加工中心，其x、Y、Z轴均采用了双滚珠丝杠。

目前数控回转工作台已广泛应用于数控机床和加工中心上，它的总的发展趋势是：

1．在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型转台；

2．在性能上将研制以钢为材料的蜗轮，大幅度提高工作台转速和转台的承载能力；

3．在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。

1.5五轴联动数控机床

我国现有数控机床主要是以经济型数控系统和数控机床为主，只适用于形状复杂的直线，斜线等零件的加工，对于那些复杂的型面却只能用手动加工，这对于产品多样化和产品更新快及效率高的年代已经不再适应。

为适应生产的发展必须对现有的机床进行升级。

在我国，从经济和技术角度出发，对数控机床的升级主要是对机床的性能和功能方面的增加。

在现有的3轴联动机床的工作台上增加一个旋转数控工作台（一台带有两个旋转自由度的数控回转工作台），再通过对数控系统的升级改造使该机床成为五轴联动的数控机床。

设原镗床旋转刀具的轴线为Z轴，水平方向平行于工作台装甲面的方向为X轴，并且与Z轴垂直，确定了X、Z轴正方向后，可以根据右手螺旋法则确定Y轴的方向。

两个旋转轴A与X轴平行，B与新工作台垂直，他们的原点都在Y轴上（如下图）其中B轴是随A轴的旋转而随时变化。

图1-6坐标轴分布

该数控机床的工作台不仅可以沿X、Y、Z方向做平行移动，还可以沿A、B方向做旋转进给或者分度运动，升级后的数控机床，它的新工作台可以和原来的工作台作为一个整体，既可以做3坐标的直线运动，还可以做绕3坐标中的两个做旋转进给运动或分度，因此该机床的适用范围很广，不仅适合于简单的直线，斜线，圆弧加工外还等适应那些更加复杂的曲面以及球面零件的加工。

如沈阳机床股份有限公司开发的五轴加工车铣中心。

倒库容量16，数控系统：

Siemens840D，可控制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，具有自动上下料和全封闭多道防护装置，可一次性上料完成零件的正反面加工，包括车削、镗孔、钻孔、攻丝等多道工序。

适用于大批量轮毂、盘类零件的加工。

五轴联动机床也称五坐标机床，它是在三个平动轴（沿X、Y、Z轴的直线运动）的基础上增加了两个转动轴（能实现绕X轴、Z轴旋转运动，即A轴和C轴），不仅可使刀具相对于弓箭的位置任意可控，而且刀具轴线相对于工件的方向也在一定范围内任意可控。

1.6本章小结

本章主要对数控机床发展现状和发展趋势做了简要介绍，分析了本课题研究的目的和意义，为完成本次设计做了准备。

第2章电火花成型加工主轴附件头AB轴结构设计

数控电火花成型机床的直线进给由工作台完成，附件头主要实现在AB两轴向的转动。

并且通过伺服电机实现精密控制。

它的驱动是伺服系统的驱动方式。

它可以与其他伺服进给轴联动。

它的进给、分度转位和定位锁紧都是由给定的指令进行控制的。

附件头的运动是由伺服电动机，经齿轮减速后由蜗杆传给蜗轮。

为了消除蜗杆副的传动间隙，采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置调整间隙。

这种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距，因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。

但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然可以保持正常的啮合。

当工作台静止时必须处于锁紧状态。

为此，在蜗轮底部的辐射方向有8对夹紧瓦，并在底座上均布同样数量的小液压缸。

当小液压缸的上腔接通压力油时，活塞便压向钢球，撑开夹紧瓦，并夹紧蜗轮。

在机床需要回转时，先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧的作用下，钢球抬起，夹紧瓦将蜗轮松开。

数控电火花主轴附件头的定位精度主要取决于蜗杆副的传动精度，因而必须采用高精度蜗杆副。

在实际测量静态定位误差之后，确定需要补偿角度的位置和补偿的值，记忆在补偿回路中，由数控装置进行误差补偿。

在全闭环控制系统中，由高精度的圆光栅发出精确到位信号，反馈给数控装置进行控制。

2.1主轴附件头结构设计

设计的主轴附件头主要解决两个问题：

一个是在A轴上做一定角度的转动，一个是在B轴上也做一定角度的转动。

因为附件头要安装在电火花成型加工机床的主轴上，所以必须对尺寸大小做严格的控制，不能太大。

必须保证附件头要与工件电极绝缘。

因为电火花成型加工没有切削力，所以在刚度上没有特别要求。

2.2主要参数

1重复定位精度：

0.005mm

2B轴转速：

40r/min

A轴转速：

40r/min

3扭矩：

T=2N.m

设计准则

我们的设计过程中，本着以下几条设计准则：

1）创造性的利用所需要的物理性能

2）分析原理和性能

3）判别功能载荷及其意义

4）创造有利的载荷条件

5）预测意