立式铣削五轴五联动加工中心设计.docx

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立式铣削五轴五联动加工中心设计

第一章概述--------------------------------

1.1课题研究内容----------------------

1.2国内外相关技术现状----------------

1.3课题分工及简介---------------------

第二章技术支持及其发展趋势----------------

2.1虚拟制造的应用及发展-------------

2.2相关软件介绍---------------------

第三章具体设计方案

3.1设计参数计算---------------------

3.2造型设计-------------------------

第四章装配及其仿真

4.1零件的装配-----------------------

4.2装配仿真-------------------------

第五章设计结论及参考文献-------------------

第一章概述

1.1课题研究内容：

本次设计的主要任务是立式铣削五轴五联动加工中心，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。

主轴电机采用交流伺服驱动系统，可实现主轴的自动无级变速。

它采用了自动液压拉松刀结构，使刀具交换方便快捷。

这一部分主要是主轴头的设计，主轴头可沿X、Y、Z三个方向移动，并可绕A（B）、C轴作旋转运动，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。

主轴电机为28KW，采用高速钢或硬质合金刀具可进行高速度的强力切削，主轴头与滑枕作成分离式，便于用户安装拆卸。

主传动采用变六变频的无级调速，便于用户选用适合的切削转速和参数。

这次设计的数据参数来源于桂林机床厂，主要参数见下：

主轴锥孔40GB3838.1-83

主轴转速级数无级

主轴转速范围0~10000rpm

主轴转数级数无级

主电机功率28KW

加工中心其它部分参数如下

工作台面积1600×4000mm

工作台T型槽槽数9

槽宽22mm

槽距160mm

工作台行程纵向X4000mm

滑枕行程横向Y2500mm

垂向Z1000mm

滑枕进给量范围纵向X4000mm

横向Y4000mm

垂向Z4000mm

A及C轴摆角A轴±100°

C轴±180°

A及C轴转速0~5rpm

进给电机扭矩纵向X39Nm

横向Y26Nm

垂向Z26Nm

机床体积（长×宽×高）9400×4300×3900mm

机床净重38000Kg

1.2国内外相关技术现状：

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。

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180O0r／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VMC750II/VMC1000II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/VMC750FII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Ø420xØ370x300。

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10000r／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80O0r／min。

本课题利用以设计为中心的虚拟制造技术开发研制五轴联动数控加工中心。

虚拟制造技术是刚提出的面向21世纪的先进制造技术，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，通过虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，在虚拟环境下实现产品制造的全过程，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。

既在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案。

1.3课题分工及简介：

本课题的具体内容分两部分：

1）五轴联动数控加工中心的设计方案进行虚拟建模，并在建模的过程中不断发现问题、解决问题，进一步优化设计方案。

本课题采用Pro/Engineer软件对设计方案进行虚拟建模，完成整个加工中心的虚拟装配，获得虚拟模型的可装配性、可制造性和干涉检验等特性。

2）加工中心虚拟模型进行运动学和动力学仿真，来模拟和评估加工中心的功能、性能等各方面可能存在的问题，包括动力学、运动学、有限元、精度、加工和装配性等虚拟仿真分析，得到接近实际加工中心的设计参数、方案评价和制造成本等分析结果。

本课题将采用MDI公司的ADAMS软件和SDRC公司的I-DEAS软件对虚拟建模的部分重要模块进行装配级产品的运动学及动力学仿真及有限元分析，并使用Pro/Engineer2001及InventorR2软件对整机的装配模型进行装配及运动学仿真。

考虑到每个人的具体情况及工作量，我们同组的六个人对整机工作进行了分工：

我主要负责主轴系统及C轴进给既滑枕的设计造型极其装配仿真。

第二章技术支持及其发展趋势

本课题利用以设计为中心的虚拟制造技术开发研制五坐标联动数控加工中心。

在设计中还主要用到的相关软件有Pro/Engineer2000i,Pro/Engineer2001及InventorR2等。

下面就相关技术支持给予介绍。

2.1虚拟制造VM（VirtualManufacturing）的应用及发展

虚拟制造是一种新的制造技术，它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以作出前瞻性的决策与优化实施方案。

虚拟制造是一个集成的、综合的可运行制造的环境，用来改善各个层次的决策和控制。

这里的“综合”，指的是既有真实的，又有仿真的对象、活动和过程，是一种混合的状态。

“环境”，是指提供的各种分析工具、设备以及组织方法，并以协同工作的方式，支持用户构造特定用途的制造仿真。

“运行”，指的是利用上述环境进行构造和操作特定的制造仿真。

“改善”，指的是增加其精度和可靠性。

“层次”，指的是从产品概念设计到回收利用的各个阶段、从车间级到执行位置的各个等级、从物质的转换到信息的传递等各个方面。

“决策”和“控制”，指的是进行改变而掌握其影响，预测效果的真实性。

虚拟制造技术的应用将从根本上改变现行的制造模式，对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为：

（1）运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。

（2）可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。

（3）在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确做出决策有不可估量的作用。

（4）虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。

VM可以分为以下几个类别：

（1）以设计为中心的VM。

这类研究是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行数字化“制造”，仿真多种制造方案，检验其可制造性或可装配性，预测产品性能和报价、成本。

其主要目的是通过“制造仿真”来优化产品设计及工艺过程，

尽早发现设计中的问题。

（2）以生产为中心的VM。

这类研究是将仿真能力加入到生产计划模型中，其目的是方便和快捷地评价多种生产计划，检验新工艺流程的可信度，产品的生产效率，资源的需求状况（包括购置新设备、征询盟友等），从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。

（3）以控制为中心的VM。

这类研究是将仿真能力增加到控制模型中，提供对实际生产过程仿真的环境。

其目的是在考虑车间控制行为的基础上，评估新的或改进的产品设计与车间生产相关的活动，从而优化制造过程，改进制造系统。

VM的技术特征

虚拟现实（VirtualReality，VR）技术是在人类为改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性所进行的努力中产生的。

它是指综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境（称为虚拟环境——VirtualEnvironment）中提供沉浸感觉的技术。

这里的“沉浸”，是指用户感觉其视点或身体的某一部分处于计算机生成的空间之中。

由图形系统及各种接口设备组成的，用来产生虚拟环境并提供沉浸感觉，以及交互性操作的计算机系统，称为虚拟现实系统。

虚拟现实系统包括操作者、机器和人一机接口三个基本要素，其中“机器”是指安装了适当的软件程序，用来生成用户能与之交互的虚拟环境的计算机，“人一机接口”则是指将虚拟环境与操作者连接起来的传感与控制装置。

与其他计算机系统相比，VR系统可提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道（如视觉、听觉、触觉、味觉等）的人一机界面。

VR系统不仅提高了人与计算机之间的和谐程度，也成为一种有力的仿真工具。

利用VR系统可以对真实世界进行动态模拟，计算机能够跟踪用户的交互输入，并及时按输入修改虚拟环境，使用户产生身临其境的沉浸感觉，并充分发挥他们的想像力，来提高所创造的虚拟环境的性能。

因此，并互性（Interaction）、沉浸性（1mmersion）和想像力（Imagination）成为VR系统在人一机关系上的基本特征。

这三个基本特征充分反映了人的主导作用：

从过去只能由外部观看计算机处理的结果，到能沉浸到计算机系统创建的环境中去；从只能通过键盘、鼠标同计算机环境中的单维数字化信息发生交互作用，到能用多种传感器同多维化信息发生交互作用；从只能从以定量计算为主的结果得到启发，到有可能从定性和定量综合的环境中得到感性和理性的认识，让用户沉浸其中，以获取知识和形成新的概念。

VR的关键技术包括：

1．计算机及VR技术

（1）人一机接口。

该接口覆盖了人类感知世界的多重信息通道。

主要包括视觉、听觉、触觉、位置跟踪、运动接口、语言交流以及生理反应等多种接口系统。

（2）软件技术。

软件技术必须考虑虚拟环境的建模以及所建环境的可交互性、可漫游性等。

（3）虚拟现实计算平台。

计算平台是指在VR系统中综合处理各种输入信息并产生作用于用户的交互性输出结果的计算机系统，由于VR系统的信息加工是实时的，虚拟环境的建模、I／O工具的快速存取以及真实的视觉动态效果等需要大量的计算开销。

2．制造应用技术

（1）建模。

虚拟制造系统应当建立一个包容生产模型、产品模型、工艺模型的健壮的体系结构。

（2）仿真。

仿真包括产品开发设计过程仿真和产品制造过程的仿真。

虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为等仿真。

产品制造过程仿真包括制造系统仿真和具体加工过程仿真。

（3）可制造性评价。

可制造性评价方法可分为两类：

第一类直接根据评判规划，通过对设计属性的评价来给可制造性定级；第二类是对一个或多个制造方案，借助于成本和时间等标准来检测是否可行或寻求最佳方案。

2.2相关软件介绍

1.Pro/Engineer2000i：

Pro／Engineer是美国PTC（ParametricTechnologyCorporation——参数技术公司）出品；是当今非常流行也非常适用、非常成熟的使用参数化的三维特征造型技术的大型CAD／CAM／CAE集成软件。

一．概述

Pro／Engineer功能强大，它目前已广泛应用于工业设计、机械设计、辅助制造、数据管理等领域，特别是在模具设计和制造行业有着广泛应用，是从事模具设计和制造的广大技术人员应该掌握的有效工具。

该软件近年来在我国的各企业正逐步得到广泛地应用，也深受广大设计人员的推崇和喜爱。

Pro／Engineer是建立在单一数据库上的CAD/CAM系统。

工程中的资料全部来自一个库，使得多个用户可以同时为一件产品造型而工作，即在整个设计过程中，不管任何一个地方因为某种需要而发生改变，则在整个设计的相关环节也会随着改变。

由Pro／Engineer系统能够生成实实在在的三维实体模型，能够真实地反映零件的形状。

同时，Pro／Engineer系统能将三维模型转化为工程图，并能完成机器的装配。

Pro/Engineer自1988年问世以来，10年间已成为全世界及中国地区最普及的3DCAD/CAM系统。

Pro/Engineer在今日俨然成为世界3DCAD/CAM系统的标准软件。

二．参数式设计特点

所谓参数式设计就是将零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改参数的数值来更改零件的外形。

参数式设计的思想在工业界中传播了许多年，1988年，Pro／Engineer以参数式设计的思想问世以后，业界人土即对参数式设计的CAD/CAM系统翘首以待。

Pro／Engineer对于传统机械设计工作来说，有相当大的帮助作用，因为Pro／Engineer中的参数不只代表设计对象的外观相关尺寸，并具有实质上的物理意义。

例如我们可以运用系统参数（Systemparameters，如体积、表面积、重心、三维坐标等），或用户自行依设计流程需求所定义的用户定义参数（Userdefinedparameters，如密度、厚度等具有设计意义的物理量或字符串）加入设计构思中，来表达设计思想。

这项参数式设计的功能不但改变了设计的概念，并且将设计的便捷性推进了一大步。

三．Pro／Engineer系统的特点

1）单一数据库

单一数据库是指工程中的资料全部来自一个库，使得多个用户可以同时为一件产品造型而工作，即在整个设计过程中，不管任何一个地方因为某种需要而发生改变，则在整个设计的相关环节也会随着改变。

Pro／Engineer系统就是建立在单一数据库上的CAD/CAM系统，它的优点是显而易见的。

如在零件图和装配图都已完成的情况下，又发现某一处需要改动，我们只需改动零件图或装配图上的相应部分，那么在其他部分与之相

应部分也会随之改变广包括数控加工程序也会自动更新。

2）3-D实体模型

在使用Pro／Engineer系统进行工作的过程中，也许“实体造型”是我们最常用的词、汇，这也说明Pro／Engineer的图形设计是基于三维的，它与传统的二维绘图有着本质的区别。

在Pro／Engineer中，我们生成的零件是实实在在的三维实体，不再是传统的线托架模型。

这样，生成的模型直观，立体感强，并可以在任何角度进行观察。

另外，系统还能容易的计算出实体的表面积、体积、重量、惯性距、重心等，使设计者很容易、很清楚地知道零件的特性。

同时，由立体图来生成工程图（即常说的三视图），只要我们造型的立体图没有错误，那么生成的工程图就没有错误，从而免去了设计者还要考虑各个视图之间的投影是否正确的问题，这是相当方便的，也能大大提高工作的效率和准确性。

3）参数式设计

Pro／Engineer系统配合其独特的单一数据库设计，将每一个尺寸视为一可变的参数。

例如，在草绘图形时，先只管图形的形状而不管它的尺寸，然后通过修改它的尺寸来重新生成（Regenerate）图形，从而使绘制的图形达到设计者的要求。

充分利用参数式设计的优点，设计者能够减少人工修改图或计算的时间，从而大大提高工作效率。

4）全相关

Pro／Engineer一个很重要的特点是有一个全相关的环境：

在一个阶段所作的修改所有的其他阶段都有效。

比如，当一个零件设计好，并装配在装配图中，而且生成了工程图。

这时，你只要在任何一个阶段对该零件作任何一个地方的修改，则该修改在其他地方都有效，相应尺寸都会更改，这也正是Pro／Engineer单一数据库的体现。

5）参数式关系

在Pro／Engineer中，设计者可利用不同尺寸之间的相互关系来限定相关尺寸，特别是在机械设计中有需要配合的地方，利用参数式关系有很大的方便。

比如在冷冲模具设计中要求凸模和凹模有一定的配合关系，在此以圆形凸、凹模为例，假设凸模的直径是d0,而凹模的刃口尺寸山为凸模的尺寸加上适当的间隙，设单边间隙为a，则dl=d0+2a。

这样，当凸模的尺寸发生改变时，总能得到正确的凹模尺寸，两者之间总有符合设计要求间隙，从而保证了设计的准确性。

2.AutodeskInventorR2:

AutodeskInventor是现今使用的和用来学习三维模型系统最为快捷、容易的软件。

AutodeskInventor软件，基于机械设计中的分开的数据库系统，它可以在MicrosoftWindows操作平台中较为容易的进行非常的大的组合件的处理工作。

具有适应性很强的平面设计方案的功能，首先，在进行详细地三维实体造型之前使用简单的平面布置方案，有助于草图的设计。

也可以使用软件的应用程序设计接口结合Inventor用于当前的产品数据管理（PDM），工程资源规划（ERP）和生产资源规划（MRP）。

三维数据资料通过STEP转换器与Inventor可以互相兼容。

第三节具体设计方案

3.1设计参数计算

一．主轴组件设计计算：

轴和其上零件组成的系统称为轴系，轴是核心，直接与轴的功能配合的元件称为轴系元件，包括滚动轴承与滑动轴承，联轴器与制动器等。

在机械设备中，由于位置或性质的重要性，或工作环境的特殊性，轴系成为其中的关键，无论在设计中或制造成本中都占有很大的比重。

轴按其工作特点分为三大类，它决定着轴系的总体结构：

1）心轴2）传动轴3）转轴

其中转轴既用于支承转动零件，承受弯矩，又用于传递扭矩，是应用最广的类型。

1．主轴组件的总体结构设计：

主轴的总体结构设计必须考虑如下几个方面：

1）轴承形式的选择

轴承的形式直接影响主轴的结构，它分为滚动和滑动两大类，各类之中又包括众多形式，各有其适用场合。

在设计之初进行原则性选择时，可参考各种轴承的常见结构，对其性能加以综合考虑，加以选择。

2）自身的定位

轴必须在轴向有定位措施，这主要靠轴承的组合结构来实现，有时也可靠相关零件的几何约束来保证。

3）轴的热伸长补偿

轴受热膨胀时，应根据轴的长度及工件与非工件状态时的温差，设计合适的伸长自由度，过小将在轴和轴承内产生附加压力，过大有时会产生轴向窜动。

4）润滑与密封

轴承的润滑方式，所选用的密封形式都涉及到轴系结构，采用稀油润滑时，轴体内通常需要开设滑油通道，采用接触式密封则要求相配的轴颈淬硬并磨削，采用迷宫式润滑，螺旋式密封时，轴的表面应设计有与之匹配的形状。

5）轴上零件的合理布置

轴上零件的合理布置对载荷分布有重要影响，并由此影响轴的强度或拉力在轴上分布不均，最终影响轴的总体结构。

布置时应考虑以下方面：

A.载荷流的合理分布

应将载荷的输入布置在中部，扭矩双向分流，轴上最大扭矩降低，避免在一端输入载荷。

B.减载机构

避免使扭矩直接传动到轴上，应采取卸荷机构，使轴不受轴扭矩作用，提高轴的强度与刚度。

从本设计的实际要求出发，由于主轴转速高，要求精度好，刚度好。

采用主轴的三支承结构时，可使主轴跨矩大大缩短，从、而提高主轴刚度和抗振性，机床在轻载荷下运转时，辅助支承不承受载荷，只起阻尼作用，载荷加大时，辅助支承处的挠度较大，超过了游隙，辅助支承才起作用，承受一定的载荷。

但三支承主轴结构，工艺难度大，对主轴上3个轴颈和箱体上底座孔的同轴度要求很严，还由于主支承间跨距很短，所以轴承精度、主轴轴颈和箱体孔同轴度误差对主轴旋转精度的要求更加显著。

由以上原因，主轴采用二支承结构。

在二支承结构中，主轴轴承的选型，组合及布置十分重要，承受轴向载荷时，主轴轴承的配置主要根据主轴的加工精度、刚度、温升和支承的复杂程度。

起止推作用的轴承由三种方式，即前端定位、后端定位、两端定位。

前端定位时，主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度，但前支承结构复杂，轴承间隙调整不便，前支承处发热量大，但能保证较好的刚度。

由此，选择前端固定的固定方式，主轴轴承根据设计要求，选择可以实现较高转速的角接触球轴承，前端轴向载荷较大，前轴承采用三联组配，前两个都面朝前，共同承担轴向载荷，后轴承背靠背，以实现预紧。

轴承配置如下示意图：

（图3-01）

这种结构的特点及适用范围是高速度、高刚度主轴。

2.主轴设计

（1）初选主轴直径

主轴直径直接影响主轴部件的刚度，直径越粗，刚度越高，但同时与它相配的轴承零件的尺寸也越大，故设计之出，只能根据统计资料选择主轴直径。

加工中心因装配需要，主轴直径常是自前往后逐步减小的。

由[2]表4.3-8初选主轴前轴直径:

D=90mm

（2）主轴悬臂伸量的确定

主轴悬臂伸量a是主轴前支承径向力的作用点到主轴前端面之间的距离。

它对主轴组件刚度影响较大。

根据分析和实验，缩短悬伸量可以显著提高主轴组件的刚度和抗振性。

因此设计时在满足结构要求的前提下，尽量缩短悬伸量a。

（3）主轴跨距的选择

主轴的跨距对主轴组件的性能有很大的影响，合理选择跨距是主轴组件设计中的一个相当重要的问题。

由[10]铣削的主切削力和切削功率的经验公式13.22得:

Fc=6*10E4*Pc/Vc

式中Pc——铣削功率KW

Vc——铣削速度m/min

Fc=6*