立式加工中心z轴进给传动设计与仿真Word下载.docx
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Industrialequipmenttechnicallevelandthemodernizeddegreedeterminesthelevelanddegreeofmodernizationinthewholenationaleconomy,numericalcontroltechnologyandequipmentisthedevelopmentofhigh-techindustriesandhigh-techindustries（suchas:
InformationIndustryandinformationtechnology,biologicaltechnologyandindustry,aeronauticsandAstronautics,nationaldefenseindustryandtradeindustry）enablingtechnologyandthemostbasicequipment,manufacturingtechnologyandequipmentisthemostbasicmeansofproductionofhumanproductionandactivity,andnumericalcontroltechnologyistoday'
sadvancedmanufacturingtechnologyandequipment,thecoretechnology.CNCtechnologywidelyusedformanufacturingcountriesintheworldtoday,inordertoimprovethehighmanufacturingcapacityandlevel,improvetheabilitytoadapttothedynamicchangeablemarketandcompetitionability.Inaddition,allindustrialcountriesintheworldwillalsolistandCNCnumericalcontroltechnologyandequipmentforthestrategicmaterialsofthecountry,notonlytotakesignificantmeasurestodeveloptheirownnumericalcontroltechnologyandindustry,andin"
sophisticated"
keytechnologyandequipmentofnumericalcontrolofourcountrytoimplementpolicyofclosuresandrestrictions.
ThedevelopmentofCNCmachinetooltechnologysince1953theUnitedStatesdevelopedthefirstthreecoordinateliftingmodeofCNCmillingmachine,sofarhas53yearshistoryof20century90years,therapiddevelopmentofcomputertechnologyandthemicroelectronicindustrialbase,tothedevelopmentofCNCmachinetoolprovidesagoodplatform,theCNCmachinetoolindustryhasbeenrapiddevelopment.CNCtechnologyresearchinourcountrystartedin1958,domesticthefirstCNCmachinetoolsisBeijingfirstmachinetoolplantproductionofthreeaxisNCmillingmachine.Althoughfromtimetotimetoseeonlylaterthanabroadforafewyears,butduetovariousreasons,CNCmachinetooltechnologyinthedevelopmentofourcountryisaStraightafterontheinternationallevel,in1980,China'
soutputofCNCmachinetoolsisnotto700sets.Inthe1990s,China'
sCNCmachinetooltechnologydevelopmentgotalargerspeed.Atpresent,withforeignadvancedlevelcomparedtostillexistlargegap.
Inshort,vigorouslydeveloptheCNCtechnologyasthecoreofadvancedmanufacturingtechnologyhasbecometheworld'
sdevelopedcountriestoaccelerateeconomicdevelopment,improvethecomprehensivenationalstrengthandthenationalstatusofanimportantway.
Machiningcenter:
withaknifelibraryandautomaticallychangetheknifedeviceisahighlyautomatedmultifunctionCNCmachinetools.InHongKong,China,TaiwanandGuangdonggenerationalsomanypeoplecallitthecomputergongs.Workpieceinmachiningcenterbyaclamping,thedigitalcontrolsystemcancontrolthemachinetoolaccordingtonotthesameprocess,automaticselectionandreplacementofcuttingtools,automaticallychangespindlespeed,feedrateandtoolrelativeworkpiecetrajectoryandotherauxiliaryfunctions,inordertocompletetheprocessoftheworkpiecesurfaceprocessing.Andthereareavarietyofchangeknifeorknifeselectionfunction,sothattheproductionefficiencyisgreatlyimproved.
Machiningcenterequippedwithbecauseoftheknifeandcanautomaticallyreplacethetoolandtheworkpieceinafixturecancompletetheprocessingofmultiprocess.Processingcentersdonotrequirehumanintervention,whenthemachinetooltostarttheprogram,itwillhavetoruntotheendoftheprocess.
Keywords:
CNCmachinetool;
feeddrivesystem;
ballscrew；
simulation
第1章概述
1.1课题的背景
制造业直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素。
制造业是我国国民经济的支柱产业，是我国经济增长的主导部门和经济转型的基础，是我国城镇就业的主要渠道和国际竞争力的集中体现：
作为过去20多年我国综合国力提高的主要标志。
我国已经成为装备制造业大国，但产业大而不强、自主创新能力薄弱、自主创新产品推广应用困难等问题依然突出。
应该看到，我国目前正处于扩大内需、加快基础设施建设和产业转型升级的关键时期，对先进装备有着巨大的市场需求。
因此，提高中高档数控机床的市场竞争力是机床行业转型升级的首要任务。
必须采取有效措施加快产业结构调整，推动产业优化升级，加强技术创新，促进装备制造业持续稳定发展，为我国经济平稳较快发展做出贡献。
数控机床作为现代装备制造业的关键装备，其产量和技术水平在某种程度上代表了国家的工业现代化水平和竞争力。
我国数控机床的技术水平、性能和质量与装备制造业发达国家还有很大差距，高档数控机床及功能部件大多依靠进口，同时，数控机床作为国防军工的战略装各，是各种武器装备最重要的制造母机，是国防军工装备现代化的重要保证口。
因此，一些发达国家把高性能数控机床作为战略物资严加控制，限制我国进口。
根据中国机床工具工业协会市场部提供的国际招标信息，中国机床工具工业协会分会对2012年1～3月份通过国际招标采购的加工中心总量、产品分类占比、产品水平和价格方面、用户及制造商情况进行了统计分析。
进一步了解了市场需求，为企业有针对性地开发新产品并积极参与国际招标竞争起到引导作用。
根据国际招标采购加工中心汇总表，2012年1～3月，加工中心中标项目共有153项，中标数量为314台，产品金额总计46962．4万美元。
各类加工中心中标情况见表1．1。
表1．1各类加工中心中标情况
产品分类
中标数量
产品数额（万美元）
金额占比%
卧式加工中心-生产线
6
17857.75
38.0%
卧式加工中心
166
11945.98
25.4%
龙门加工中心
27
7255.68
15.5%
其它加工中心
50
4467.60
9.5%
立式加工中心-生产线
2
2544.21
5.4%
立式加工中心
61
2435.38
5.2%
其它加工中心-生产线
455.8
1.0%
总计
314
46962.4
100%
2012年1～3月份通过国际招标采购的314台加工中心，分布在13个国家和地区。
以金额计算，德国中标额最大，达到24387万美元，占中标总额的51．93％；
日本中标额排第2，为13856．06万美元，占中标总额的29．5％；
法国排名第3，中标额为2065．44万美元，占中标总额的4．4％；
美国中标额最少，为11．17万美元，占中标总额的0．02％。
以数量计算，日本中标台数最多，为119台；
德国中标97台名列第2；
法国中标23台排在第3；
中国中标17台位列第4。
详细情况见表1．2。
表1．2中标产品国别分布及占比
制造商国别或地区
台数
金额（万美元）
金额占比
德国
97
24387.00
51.93%
日本
119
13856.06
29.50%
法国
23
2065.44
4.40%
意大利
12
1788.78
3.81%
瑞士
7
854.31
1.82%
韩国
803.01
1.71%
奥地利
1
695.35
1.48%
中国
17
657.79
1.40%
捷克
5
597.52
1.27%
西班牙
548.52
1.17%
中国台湾
14
424.45
0.90%
新加坡
273.00
0.58%
美国
11.17
0.02%
46962.40
100.00%
由以上数据可以看出，2012年，世界28个主要机床生产国机床产值932亿美元，中国机床产值273．6亿美元，约占30％，中国金属加工机床消耗约占全球市场的45％。
2012年，机床进口额136．6亿美元，其中加工中心进口5万台，进口额56．5亿美元，占进口机床总额的41．4％。
2012年军工企业进口五轴联动机床进口数量约占总进口机床70％。
而德国哈默公司C系列立式五轴加工中心属于高精度、高性能机床，是我国进口主要机种之一。
爱好军事的朋友大多都知道著名的“东芝事件”：
上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间蝶船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。
由此可见，五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设各等等行业，有着举足轻重的影响力。
现在大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转予、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。
是衡量我国数控装备制造水平的重要依据之一。
与装备制造发达国家相比，我国在五轴加工中心系列化程度、加工功能、加工效率、加工精度和市场占有率上尚有差距。
尤其是五轴加工中心国产制造能力明显不足，这已经成为制约我国制造业快速发展，尤其是制约国家重大国防、航空和航天装备制造能力的瓶颈。
1．2国内外相关产品及研发现状
根据近三年来，中国国际机床展览会展出机床产品来看，展会展品的特点是：
突出智能功能，倡导低碳和绿色制造方式，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，自动化水平高，机床向安全、宜人化深度发展。
11届展会具有五轴联动功能的机床展品有80余台套，众多国际知名厂家都带来展品。
如HERMLE、DMG、米克朗、森精机等，台湾的崴立、簏驰和友佳公司都带来五轴联动机床展出，国内的沈阳集团、大连机床集团、北京机电院等也都展出了五轴联动加工中心。
展会展出的五轴联动加工中心结构形式多种多样，从功能上讲除了叶片式、叶轮式及龙门式加工中心外，五轴机床不再仅展示曲面加工，还有不少是展示一次装夹，多面高效加工的功能。
这是展会五轴机床最突出的亮点，也是五轴机床的发展趋势，更是全面解决方案服务理念的具体体现。
瑞士GF阿奇夏米尔集团展出的HPM800U五轴加工中心属于高效铣削领域中的最新一代产品。
机床结构设计紧凑、稳定性好且动力出众。
尤为突出的是：
它对第四轴和第五轴的直接驱动使其在加工500kg的工件时回转轴和摆动轴有充足的动能。
它具有四种不同类型的工作台，可使小型工件在完全联动的回转摆动工作台上手动轻松装载，并可以从后面进行托盘交换。
机床主要参数：
行程（X×
YXZ）：
850×
800X550mlll，摆动轴：
+91。
／．121。
，回转轴：
360。
，工作主轴：
20000min．1，快速移动：
45m／min，工作台面：
500×
630mm，最大承重：
800kg，HSK．A63刀库容量：
60把。
DMG的新机床DMU60也是一次装夹多面加工的典范。
该机将万能铣床和立式加工中心的性能完美地结合，满足一次装夹五轴联动轮廓加工的要求。
该机采用了动梁式龙门结构，直线轴（X×
YXZ）的行程为600×
500mm。
B轴和C轴采用转速
高达60rpm、摆动范围为+5。
／．110。
的快速数控摆动分度工作台。
工作台的直径为630mm，负载能力为400kg。
旋转轴的力矩电机驱动提高了机床的稳定性和动态性能。
DMU60标准机床采用滚珠丝杠传动，快移速度为50m／min。
该机左侧刀库和链式托架的设计也非常巧妙，机械手结构简单，稳定可靠。
标配30把刀库。
标配14，000rpm主轴，用户也可以选配18，000rpm或24，000rpm主轴。
所有主轴可以配置SK40（BT40）或HSKA63刀柄。
还有HERMLE的C30U及北京机电院的XKH800、南通科技的5DLl100等五轴加工中心，先进的驱动技术及控制系统在五轴联动7J口32中,t>
上得到了广泛的应用，如直驱技术、直线电机、力矩电机、内装式电主轴、热变形控制技术以及结构优化技术等被广泛利用。
力矩电机在五轴联动机床的结构创新设计中起到了特别重要的作用。
从五轴联动加工中心产品上看，国内五轴机床已走过从无到有，特别引人关注的时段。
五轴机床的市场与立、卧式加工中心相比相对还比较小，如果机床做不成精品和实用，不能全面为用户解决加工问题，用户是不会轻易采购的。
国外众多知名厂商大多在其原有的机床上做了很大的改进，五轴机床的结构设计巧妙，制造精良，全面解决问题的能力非常强，这正是国内厂家需要好好学习的，也是我国五轴机床的发展方向。
1．3主要研究内容及技术路线
目前，我国数控机床的技术水平、性能和质量与装备制造业发达国家还有很大差距，高档数控机床及功能部件大多依靠进口。
数控机床作为国防军工的战略装备，是各种武器装备最重要的制造母机，是国防军工装备现代化的重要保证。
大连机床集团有限责任公司在综合比较分析国内外五轴联动设计技术，综合借鉴国内外先进机床设计结构和设计分析手段的基础上，采用设计计算和试验相结合的方法，系统的对墙式五轴加工中心总体布局、主要功能部件的设计、机床精度保持和机床高速运动的动态性能分析等关键项技术进行深入研究。
论文作者为本产品主要研发人之～。
本文将针对墙式五轴加工中心开发过程中机床结构方面的问题展开研究，并着重进行以下几方面的分析和论述：
（1）机床总体布局的确定
依据国内外高档五轴加工中心的机床参数，综合分析市场需求、投入市场的竞争力、企业生产能力及产品结构等因素，确定合理的机床参数；
分析各种五轴加工中心结构布局，综合考虑机床的整体刚性、性能、制造成本、操作方便等因素，确定切合实际可行的布局方案。
（2）机床各传动系统的理论分析及计算选型
对机床三向进给传动系统进行理论分析，计算、校核三向丝杠及驱动电机的规格和型号；
选定主传动功率，分析主轴形式并确定主传动系统动力参数；
进行直取式快速换刀系统理论分析计算，确定刀库驱动电机及减速机的规格和型号。
（3）机床各部件原理分析及结构模型设计
简要介绍产品研发设计软件平台Pro／E软件以及墙式五轴加工中心主体结构：
重点分析三向进给传动结构原理、分析提高传动系统性能的措施，完成结构设计：
进行直取式快速换刀系统结构原理分析及设计，简要分析床身、横梁、滑板、双轴摇篮转台等功能机构的结构原理及设计，完成机床的外观造型设计。
（4）主要结构模型有限元分析
简要介绍Pro／E软件、ANSYS软件和优化设计流程；
运用ANSYS软件对主要结构模型进行有限元分析。
第2章滚珠丝杠螺母副
2.1滚珠丝杆副及其支承的选取
在半闭环控制方式中,机床定位精度很大程度上取决于滚珠丝杆的精度,其中丝杆的导程误差对机床定位精度的影响最明显。
因此根据机床定位精度要求,首先确定丝杆导程精度,再根据机床行程、快速移动速度、承载要求,确定丝杆轴长、导程、直径。
最终选定滚珠丝杆型号为50×
10C3-2FDI（长度分别为1.8m、1.4m、1.2m）,轴承型号为35TAC72B。
2.2计算
（1）滚珠丝杠选型的初始设计条件如表2.1，机床各移动部件的重量如表2.2。
表2.1滚珠丝杠初始设计条件
进给方向
驱动数量
行程（mm）
快进速度（m/min）
定位精度（mm）
X向
单驱
1100
60
0.02
Y向
双驱
Z向
750
0.016
表2.2机床移动部件重量
移动部件
横梁结构
滑板结构
主轴箱结构
工作台最大载量
重量（kg）
2300
500
900
2000
考虑到在没有平衡器的情况下，只靠伺服电机对主轴单元进行升降及位置保持，电机负荷过大，电力耗损量增加，另外，电机也会发热使得丝杠受热变长，影响机床精度，因此，利用氮气平衡器平衡其重量，来减轻伺服电机负荷，降低电力消耗和发热，提高时的加工度，减轻丝杠及主轴单元导向部的负荷。
初选Pascal氮气平衡器DNG32C，填充气压在7．0MPa时，初始负荷为5．6kN，最大负荷为6．7kN。
平衡力取初始值的90％：
5kN。
（2）运转条件如表2.3。
表2.3运转条件
运动类型
X向轴向负载（N）
Y向轴向负载（N）
Z向轴向负载（N）
传动速度m/min
使用时间比例（%）
切削阻力
滑动阻力Fa
切削
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