推荐五轴联动精密铣床结构设计与优化精品.docx

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推荐五轴联动精密铣床结构设计与优化精品

（）

题目五轴联动精密铣床结构设计与优化

哈尔滨工业大学（）任务书

姓名：

院（系）：

专业：

机械设计制造及其自动化班号：

任务起至日期：

20XX年03月03日至20XX年06月20日

（）题目：

五轴联动精密铣床结构设计与优化

立题的目的和意义：

通过本次，达到培养学生综合应用所学知识，分析和解决工程实际问题，锻炼创造能力的目的，使学生在机械结构设计、CAE分析、整机安全操控设计等方面得到进一步锻炼和提高，掌握符合潮流的机械产品设计方法。

技术要求与主要内容：

技术要求

实现五轴联动，进而能加工比较复杂的曲面和实体模型，且能实现A轴摆动角度为±100，C轴回转角度为±360。

五轴联动铣床的定位精度为0.015mm/500mm,全行程控制在0.020mm，重复定位精度为0.010mm。

主要设计内容

包括机床总体结构布局的方案设计、机床的的动力方案设计、主轴设计方案的选取以及对电机、减速器和联轴器的选取，并对行校核与有限元的分析，对必要零部件进行振动分析。

进度安排：

（从设计开始算起）

第1—2周：

搜集资料，熟悉课题，撰写开题报告，开题；

第3—8周：

提出几种满足设计要求的设计方案，确定最终的整体设计方案并完成装配图结构的设计及相关的计算；撰写中期报告，中期检查；

第9——14周：

完成整机工作过程的动画仿真设计，对设计中可能存在的不足，提出整改意见。

第15周：

撰写说明书；准备答辩，答辩。

指导教师签字___________________

年月日

教研室主任意见：

教研室主任签字___________________

年月日

各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英文翻译、完整版、程序、答辩PPT）可加QQ695939903，如果需要代做也请加上述QQ,代做免费讲解。

五轴联动精密铣床结构设计与优化

摘要

数控机床是装备制造业的母机，是保证我国实现跨越式发展的战略装备。

随着新科技的日新月异，高精度、高速度、高柔性和低损耗已成为当今数控机床发展的主要方向。

因此，研究高速多轴机床的结构及其理论，更好地发挥高速多轴机床的性能和提高机床的效率就成了普遍关注的问题。

本设计在参考大量国内外资料的基础上，通过对比分析最终确定了此次设计采用五轴联动龙门式铣床。

主要运用Solidworks三维软件对机床主要零部件进行了三维建模及总体组装，并利用Solidworks中的COSMOSMotion和Animator插件对五轴联动铣头进行了运动仿真分析和对整机的三维动画演示，以便修改机床结构模型的参数及运动干涉的检查，驱动实体模型的更新，达到结构优化设计的目的。

最后，利用其中的COSMOSWorks软件完成机床结构的有限元分析及振动分析，对机床主要零部件进行静态分析，以确定各零部件的静态变形和静刚度并对机床结构进行模态分析，得到各零部件的模态固有频率及振型，以此来评价整机及各零部件的动态特性。

本设计主要进行自主研制五轴联动铣头结构，并针对机床的关键技术——滚珠丝杠的选取及双导程蜗杆的设计进行了系统的分析、设计与校核计算。

本课题的创新之处在于设计出了实用有效的五轴联动铣头结构，该结构采用了双导程蜗杆传动方式，解决了普通蜗杆传动因蜗杆啮合磨损造成的轴向间隙问题，有效的提高了机床加工精度。

故本设计的研究对于数控机床的设计与分析有重要的理论与实际价值。

关键词：

数控机床；五轴联动；有限元分析；模态分析；Solidworks

各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英文翻译、完整版、程序、答辩PPT）可加QQ695939903，如果需要代做也请加上述QQ,代做免费讲解。

Thedesignandoptimizationoffive—axislingkageprecisionmillingmachinestructure

Abstract

Machinetool Cmachineis theequipmentmanufacturingindustry, istoensuretherealizationofthestrategic equipmentspanning developmentinchina.Withthedevelopmentofnew technology changerapidly, highprecision, highspeed, highflexibilityandlow loss hasbeethemaindirection ofthedevelopmentofCmachinetools.Therefore,thestructureandtheoryofhighspeedmultiaxismachinetools,betterplaytheperformanceofhighspeedmultiaxismachinetoolandimprovemachineefficiencyhasbeetheissueofmonconcern.

Thedesignisbasedonthereferencetolargeamountsofdataathomeandabroad,throughtheparisonandanalysisofeventuallydeterminethedesignusingfiveaxeslinkageLongmentypemillingmachine.Themainapplicationof3DmodelingandtheGeneralAssemblyonthemainponentsofthemachinetoolfor3DSolidworkssoftware,andthefiveaxismillingheadofthemotionsimulationanalysisandtheanimationdemonstrationoftheuseofSolidworksinCOSMOSMotionandAnimatorplug—ins,tomodifythestructuremodelofmachinetoolparametersandmovinginterferenceinspection,drivingentitymodelupdating,toachievethegoalofoptimaldesignofstructures.Finally,pletethefiniteelementmachinestructureanalysisandvibrationanalysisusingtheCOSMOSWorkssoftware,staticanalysisofthemainponentsofthemachinetool,todeterminethestaticpartsofthedeformationandstiffnessofthemachinetoolandthestructureofthemodalanalysis,getthemodalnaturalfrequenciesandmodeshapesoftheparts,inordertoevaluatethedynamiccharacteristicsandthepartsofthe.

Thisdesignmainlyindependentlydevelopedfiveaxismillingheadstructure,aimingatthekeytechnicaltool——selectionofballscrewanddoubleleadwormdesignisanalyzed,thedesignandcheckingsystem.Theinnovationofthisresearchistodesignapracticalandeffectivefiveaxismillingheadstructure,thestructureadoptsdoublepilotChengWogandrivingmode,solvetheordinarywormgearwormaxialclearancebecauseofproblemscausedbywearengagement,effectivelyimprovethemachiningaccuracyofmachinetool.SothisdesignstudyforthedesignofNCmachinetoolshasimportanttheoreticalandpracticalvalueandanalysis.

Keywords:

Cmachinetool;Fiveaxislinkage;Thefiniteelementanalysis;Modalanalysis;Solidworks

第1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

上个世纪以来随着数控技术的发展、可靠性的提高和价格的下降，多轴联动机床的技术、品种和功能价格比有很大的提高。

五轴联动数控机床是加工叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等不可或缺的手段，尤其是军工装备制造业更是亟需先进的机床设备。

我国国民经济迅速发展和国防建设对高档多轴联动数控机床提出了急迫的大量需求。

多年来，五轴联动数控机床的研制成为我国装备制造业亟待解决的问题。

但是以美国为首的一些西方国家在这方面严格限制对我国的出口，严重制约了我国的机床技术的发展。

在当前的国际形势下，中国机床行业鼓励企业开发研制五轴联动数控机床具有非凡的意义。

数控机床是当代制造业的主流装备。

我国数控机床经历30多年来的发展，现已颇具规模，机床已涉及超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域【1】。

但与机床产业高度发达的国家相比，我国机床的总体制作水平还是存在着一定的差距，尤其是在我国，对于四轴联动以上的机床，大部分来自国外，再加上西方国家对我国在这方面的技术封锁，在一定程度上影响了我国数控机床的发展。

不可否认的是对于高精密工件的加工，国产机床还有待提升。

因此，对多轴联动机床进行研发十分必要，很多高校和企业已经进行了这方面的探索，本课题将提出一个五轴联动精密铣床的设计方案。

本课题的研究成果，可以为数控机床结构设计和整机动态特性研究提出有建设性的方案参考。

本课题的研究工作，必将有助于缩短新产品开发周期、提高新产品性能、降低设计成本，为推动机床工业的发展起到一定的促进作用和积极的意义。

1.2国内外研究现状

五轴联动数控机床是上世纪80年代由西方发达国家研制并首先投入到工业生产中的，主要用于航空航天、精密模具、船舶用涡轮与叶片、电厂转子等大型复杂整体结构件的高速加工。

虽然发展至今不足30年，但国外多家公司已经有较为成熟的产品系列。

国际上五轴联动数控机床的主要生产厂家有德国的DMG、XIMMERMANN，日本的SNK（图1—1）、OKUMA，意大利的FIDIA、JOBS，法国的FOREST—LINE等。

图1—1SNKsut—6c切削机床

国内对五轴联动数控机床的研制起步较晚，直到1999年的CIMT（中国国际机床展览会）上，江苏多棱数控机床有限公司才展示了国内第一台五轴联动数控机床【2】，揭开了国内机床厂对五轴联动机床研制的序幕。

自此之后，国内多家机床厂先后研制出立式、卧式、龙门式和落地式等五轴联动加工中心，如北京机床研究所开发的高精度加工中心、交大昆机科技股份有限公司研制的TH61160、宁江机械集团股份有限公司的NJ25HMC40、沈阳机床集团股份有限公司的GMB3080WM等。

虽有一些产品问世，但国内大多数企业对五轴联动数控机床的开发尚处于研制阶段，未形成规模效应，同时机床精度与国外还存在明显的差距，主要表现在关键功能件与数控系统依赖进口，机床精度及保持性差，平均无障碍时间短等。

以平均无障碍时间来看，国际水平是5000h，台湾水平是3000h，而我国沈阳机床厂平均无障碍时间低于800h，差距明显国内对五轴联动数控机床的结构动特性研究目前还比较少，主要集中在机床生产厂与部分高校。

北京信息科技大学的曹文平等基于对某型号五轴联动数控铣床的实验模态分析，得出该机床的结构动态特性，从而找出了机床的薄弱环节，为机床的动态设计与结构优化提供了依据。

北京机械工业学院的李明、杨庆东利用有限元对SKY12160五轴联动机床的整机与主要部件进行了动态特性分析，找出机床薄弱环节，并提出了结构修改方案。

东南大学与江苏多棱数控机床厂进行合作，研究通过机床主振型的模态参数进行抑振调谐阻尼器的设计，使机床的动态性能进一步提高。

以上所述为国内外传统五轴联动机床的发展状况，现在国外正在进行微型机床的辅助加工设计如美国的爱思唯尔科技有限公司的研究领域便是激光辅助微铣削工艺，主要用来加工硬质合金材料【3】。

目前比较可行的辅助加工技术包括微雷射加工（MicroLaserMachining）、电子束加工（ElectroBeamMachining,简称EBM）和电射加工（LaserMachining）等技术【4】。

美国WTEC（WordTeehnologyEvaluationCenter,Ine.）和NSF（NationalSeieneeFoundation）等机构于20XX年共同出资,针对国际上Non一MEMS微型加工技术研究发展现状与趋势组成考察团进行详细调研,并于20XX年形成分析报告,调查分析报告指出,Non一MEMS微制造技术将成为21世纪重要的新技术,它是连接微观与宏观制造领域的桥梁技术,是改变传统加工理念（加工时间、地点、方式）的技术,是改变生产力分配方式的技术（微制造可成为家庭手工业）,它是增强美国竞争优势的战略性技术【5】。

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—2618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“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。

1.3主要研究内容及本次设计的重点

1.3.1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。

1.3.2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。

第2章机床主要结构方案选型及设计

2.1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。

2.2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±100°，C轴回转角度为±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04（r/min）,C轴回转速度为030（r/min）；

（3）五轴联动铣床的定位精度为0.015mm/500mm,全行程控制在0.020mm，重复定位精度为0.010mm；

（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】。

2.3五轴铣头结构方案分析与比较

2.3.1铣头结构分类

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。

2.3.2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。

方案一，直接由力矩电机（TorqerMotor）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。

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

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。

2.4五轴联动铣床整体结构方案分析与比较

2.5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。

第3章伺服进给系统机械传动结构的设计

3.1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。

3.2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。

3.3滚珠丝杠螺母副的原理及支撑方式

滚珠丝