【正文】 立思考和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的技能，解決本專業(yè)范圍內(nèi)的一般工程技術(shù)問題的能力，從而擴(kuò)大、深化所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和技能。培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)計(jì)算、工程繪圖、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)處理、查閱文獻(xiàn)、外文資料的閱讀與翻譯、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、文字表達(dá)等基本工作實(shí)踐能力，使學(xué)生初步掌握科學(xué)研究 的基本方法和思路。使學(xué)生學(xué)會(huì)初步掌握解決工程技術(shù)問題的正確指導(dǎo)思想、方法手段，樹立做事嚴(yán)謹(jǐn)、嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實(shí)事求是、刻苦鉆研、勇于探索、具有創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)結(jié)協(xié)作的工作作風(fēng)。 五軸數(shù)控機(jī)床 學(xué)術(shù)背景 2021 年在北京舉辦的第 12 屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，數(shù)控機(jī)床、加工中心、復(fù)合機(jī)床在裝備制造業(yè)內(nèi)已呈現(xiàn)出量大面廣態(tài)勢(shì)，這類工作母機(jī)在各類制造業(yè)已經(jīng)普及應(yīng)用，并清晰地表達(dá)出時(shí)代特征與發(fā)展潮流。柔性、復(fù)合、五軸聯(lián)動(dòng)、高精、高速化仍然是數(shù)控機(jī)床的發(fā)展主流。機(jī)床運(yùn)動(dòng)無論是并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床，還是運(yùn)動(dòng)疊加串聯(lián)機(jī)床，對(duì)大多數(shù)金屬加工機(jī)床來說，數(shù)控進(jìn)給復(fù)合運(yùn)動(dòng)的加工，是以直線軸加上回轉(zhuǎn)軸的聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。為了應(yīng)對(duì)日益增多的復(fù)雜零件加工、提高加工精度和效率，多軸機(jī)床和復(fù)合機(jī)床將會(huì)進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展。因此在現(xiàn)代加工中心的開發(fā)中，數(shù)控回轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)與制造，成為研制機(jī)床的核心任務(wù)之一，而數(shù)控回轉(zhuǎn)軸，同時(shí)也起著承載工作重量、夾持工件的功能，故要重視其創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 2 中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)010203040506070觀眾人數(shù)（萬） 展會(huì)交易額（億元）2021年2021年2021年 圖 11 2021年 中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 據(jù)中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng) 計(jì)， 2021 年我國(guó)機(jī)床工具產(chǎn)品進(jìn)口總額為 億美元，同比增長(zhǎng) %， 國(guó)內(nèi)機(jī)床進(jìn)口額與歷史最高的 2021年同期相比還增長(zhǎng)了 %，創(chuàng)歷史新高。進(jìn)口的增長(zhǎng)迅猛表明國(guó)內(nèi)機(jī)床與國(guó)外機(jī)床的差距依然很大。 圖 11是對(duì)2021 年 中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。 圖 12 19892021年間中國(guó)金屬加工機(jī)床產(chǎn)量的變化發(fā)展 CITM2021 中國(guó)國(guó)際機(jī)床展 調(diào)查報(bào)告顯示，中外機(jī)床的差距主要體現(xiàn)在三個(gè)方面： 機(jī)床 加工精度（ %）、可靠性（ %）、機(jī)床內(nèi)部電氣控等配置（ %）。緊跟其后的是加工速度和外形方面的色彩、精美程度等，均占 %（詳見圖 13）。由此可見，技術(shù)尤其是對(duì)精準(zhǔn)度和可靠度是國(guó)外機(jī)床領(lǐng) 先國(guó)內(nèi)機(jī)床的優(yōu)勢(shì)來源。 圖 13 CITM2021中國(guó)國(guó)際機(jī)床展 調(diào)查 統(tǒng)計(jì) CITM2021中國(guó)國(guó)際機(jī)床展 調(diào)查報(bào)告中 50%的受訪者認(rèn)為國(guó)產(chǎn)機(jī)床與國(guó)外機(jī)床的差距縮小了一些， %認(rèn)為差距縮小了不少（詳見圖 14）。國(guó)內(nèi)機(jī)床行業(yè)取得的巨大進(jìn)河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 3 步有目共睹， 北京 展會(huì)展出的十二類專項(xiàng)產(chǎn)品正是對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)床行業(yè)成果的一次重大展示。 圖 14 CITM2021中國(guó)國(guó)際機(jī)床展 調(diào)查 統(tǒng)計(jì) 本課題的研究目的和現(xiàn)實(shí)意義 近年來，我國(guó)在超精密機(jī)床的研究方面取得了一些可喜成績(jī)，但對(duì)于一些關(guān)鍵零部件如高精度數(shù)控聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)工 作臺(tái)等，與一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家相比還有很大的差距。因此，開展高速、高精度多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的研究是提高我國(guó)機(jī)床技術(shù)水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家綜合國(guó)力的需要。 基于上述原因，本課題將對(duì)精密數(shù)控 主軸附件頭 AB 軸 進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，它涉及到結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)等問題的研究。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)供求的需要，數(shù)控機(jī)床在裝備制造業(yè)得到了廣泛的普及，清晰的表達(dá)出了時(shí)代的特征，并成為了提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。我國(guó)有關(guān)數(shù)控機(jī)床技術(shù)的研究起步于上世紀(jì) 70 年代。 20世紀(jì) 80 年代初，國(guó)內(nèi)先后從日本、美國(guó)等國(guó)引進(jìn) 了一些 CNC裝置及主軸、 伺服系統(tǒng) 的生產(chǎn)技術(shù)，并陸續(xù)投入了批量生產(chǎn)，從而結(jié)束了 數(shù)控機(jī)床 發(fā)展徘徊不前的局面，推動(dòng)了 數(shù)控 機(jī)床的發(fā)展。到 20 世紀(jì) 90 年代初，國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床及 數(shù)控系統(tǒng) 的生產(chǎn)具有了一定的規(guī)模，但前進(jìn)中的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)正面臨十分嚴(yán)峻的形勢(shì) 。國(guó)內(nèi)最先研制出五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是在 1999 年，代表作是當(dāng)時(shí)江蘇常州機(jī)床總廠開發(fā)出的定梁龍門式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。近年來，中國(guó)陸續(xù)推出五軸數(shù)控機(jī)床的廠家（如沈陽(yáng)、大連、常州、桂林、北京、濟(jì)南和齊齊哈爾等地的機(jī)床廠）越來越多。并在北京、上海等地舉辦了國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)。 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 4 在 CIMT2021 展會(huì)上，中國(guó)的展品和參展廠家占多數(shù)，展出了 33 臺(tái)被西方國(guó)家禁運(yùn)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。 其中沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)有限公司展出的 GMC2060u 橋式龍門五軸加工中心，采用橋式龍門框架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有良好的定位精度和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。橋梁和工作臺(tái)固定，剛性好，承載大，適用于大型工件復(fù)雜型面的加工。該機(jī)工作臺(tái)面尺寸為2021mm 6000mm，承重 5000kg/m， X、 Y、 Z 軸快移速度 30m/min， A、 C軸回轉(zhuǎn)速度 10r/min（ 60r/min），主軸功率 45kw，轉(zhuǎn)速 14000 r/min?？?通過五軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間任意方向孔、面及復(fù)雜型面進(jìn)行加工；主軸高轉(zhuǎn)速，適合高速切削。機(jī)床采用全閉環(huán)控制，確保了機(jī)床的定位精度及精度的穩(wěn) 定。主軸設(shè)有恒溫冷卻裝置，確保主軸恒溫、精度穩(wěn)定。 在 CIMT2021 展覽會(huì)上，有 28個(gè)國(guó)家和地區(qū)的 1200 余家機(jī)床制造商踴躍參展，這次展會(huì)是目前為止世界機(jī)床制造業(yè)最新最高技術(shù)成果的展示，眾多新品在 CIMT2021 展覽會(huì)競(jìng)相展示。 其中南通科技投資集團(tuán)股份有限公司展出了 5DMCH63 臥式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心、5DGBC50 五軸聯(lián)動(dòng)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 臥式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心 采用了箱中箱結(jié)構(gòu)和直線雙絲杠高速同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)。其工作臺(tái)采用了 3套大扭矩 力矩電機(jī)， A 軸配有 2 套大扭矩力矩電機(jī)， B 軸采用高速旋轉(zhuǎn)的大扭矩力矩電機(jī)?；剞D(zhuǎn)軸采用了圓光柵尺反饋，工作臺(tái)可以任意分度。 5DMCH63工作臺(tái)尺寸 630mm 630mm，轉(zhuǎn)臺(tái)承重 700kg，三向行程（ x/y/z） 900mm 650mm 800mm，快速移動(dòng)速度 60m/min，切削移動(dòng)速度 3～ 40000m/min，主軸轉(zhuǎn)速 20～ 18000r/min， A軸擺動(dòng)角度 30176?！?120176。， A軸額定轉(zhuǎn)速 110r/min，可繞 B 軸 360176?；剞D(zhuǎn)， B 軸額定轉(zhuǎn)速 46r/min，定位精度 X＝ 、 Y＝ 、 Z＝ ，重復(fù)定位精度 X=、Y=、 Z=。轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度 8，轉(zhuǎn)臺(tái)重復(fù)定位精度 4。 5DGBC50 五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心 采用高剛性的龍門型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。內(nèi)藏式主軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸 ,最高轉(zhuǎn)速 18000 r/min，該機(jī)工作臺(tái)面尺寸為 Ф 500mm178。， 承重 400kg/m。三向行程（ x/y/z） 650mm 700mm 460mm， A 軸回轉(zhuǎn)角度為 110176。～ 110176。， C 軸回轉(zhuǎn)角度為 360176。 X、 Z軸快速移動(dòng)速度 40m/min， Y軸快速移動(dòng)速度 32m/min， A、 C軸快速回轉(zhuǎn) 速 度 30m/min，主軸端面至工作臺(tái)臺(tái)面高度為 200mm～ 660mm。 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 5 VH1100高速立式加工中心 主體結(jié)構(gòu)采用門型結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)機(jī)床剛性。工作臺(tái)尺寸 1200 700mm178。，最大載重 1000kg， 三向行程（ x/y/z） 1200mm 900mm 700mm， 主軸端面至工作臺(tái)臺(tái)面高度為 100mm～ 800mm， X、 Y 軸快速移動(dòng)速度 120m/min， Z軸快速移動(dòng)速度80m/min。 沈陽(yáng)機(jī)床 (集團(tuán) )有限責(zé)任公司展出了 HTM40100h 車銑加工中心、 GMC2590u 橋式五軸加工中心。 HTM40100h 車銑加工中心屬于 國(guó)家 重大專項(xiàng)產(chǎn)品，這臺(tái)車銑加工中心體現(xiàn)了當(dāng)今數(shù)控機(jī)床高效、高精、復(fù)合化的發(fā)展趨勢(shì)，具有國(guó)際領(lǐng)先水平 ,是針對(duì)國(guó)內(nèi)汽車、航天、軍工等行業(yè)對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床的需求而研制開發(fā)的。 與同類機(jī)床相比，具有以下特點(diǎn)：車銑復(fù)合電主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到 15000r/min；車削電主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到 5000r/min； X/Y/Z 軸快移速度達(dá)到 30/30/30m/min；力矩電機(jī)無間隙直接驅(qū)動(dòng) B 軸。 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 Ф 600mm， 最大加工直徑 Ф 400mm， 最大車削長(zhǎng)度 1150mm， X軸行程 520mm， Y軸行程 100mm/+100mm， Z軸行程 1400mm， B軸轉(zhuǎn)角 120mm～ +120mm。 濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司展出的 XHSV2525 60 高架式五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心 工作臺(tái)面積： 6m，龍門寬度 ，主軸端面與工作臺(tái)面最小距離 250mm，主軸轉(zhuǎn)速范圍 17000/18000（ rpm），工作臺(tái)尺寸為 25000 6000（ mm），主軸孔錐度 HSKA63，工作臺(tái)縱向行程長(zhǎng)度（ X 軸） 6000～ 20210 mm，溜板橫向行程長(zhǎng)度（ Y 軸） 3100mm，銑頭滑枕垂直行程（ Z 軸） 950/1250mm，工作臺(tái)每米長(zhǎng)度最大承重 5T。 東風(fēng)汽車有限公司設(shè)備 制造廠展出的 DH500Ⅰ高速臥式加工中心具有 主軸軸向尺寸溫升自動(dòng)補(bǔ)償功能和 主軸防碰撞功能，利用傳感器在零件周圍設(shè)置臨界區(qū)，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)后自動(dòng)實(shí)現(xiàn)碰撞規(guī)避。 在現(xiàn)代加工中心的開發(fā)中，數(shù)控回轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)與制造，成為研制機(jī)床的核心任務(wù)之一，而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)臺(tái)）既作為數(shù)控回轉(zhuǎn)軸，同時(shí)也起著承載工件重量、夾持工件的功能，故要重視其創(chuàng)新設(shè)計(jì)。現(xiàn)在復(fù)合機(jī)床主流形式是以車銑復(fù)合加工實(shí)現(xiàn)工序集約，以加工中心為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的車銑復(fù)合機(jī)床。數(shù)控回轉(zhuǎn)軸還具有車削主軸的功能，并起著工作臺(tái)面的作用。 DMG 公司的 DMU125FDduoBLOCK5 軸車銑復(fù)合加工中心，是以臥式加工中心為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的復(fù)合機(jī)床。工作臺(tái)作為 C 軸，既要有高的轉(zhuǎn)矩，也能實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速輸出，該機(jī)工作臺(tái)尺寸 Ф 1250mm、承載 2t、銑削（即為數(shù)控回轉(zhuǎn)軸） /車削轉(zhuǎn)速20/500r/min， 5 軸的另一回轉(zhuǎn)軸為 B軸，采用主軸頭的擺動(dòng)形式， B 軸擺動(dòng)范圍 30?/+ 180176。（ 0176。 =立式 /180176。 =臥式），回轉(zhuǎn)速度 30r/min。 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 6 XH764A 及 XH765B 型轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面規(guī)格為 500mm，是帶交換臺(tái)面型式的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，交換形式為扁擔(dān)式交換。轉(zhuǎn)臺(tái)承載能力 500kg；分度定位制動(dòng)扭矩為 1650Nm；油壓35kg/cm2 ；鎖緊時(shí)最大切削扭矩 1500Nm。 Fanuc 電機(jī)α 12，減速比 1:90，最高轉(zhuǎn)速設(shè)定在 。配旋轉(zhuǎn)編碼器 RON275，定位精度177。 5″，重復(fù)定位精度177。 2″。轉(zhuǎn)臺(tái)采用滾針保持架組合形式的滾動(dòng)軸承方式。轉(zhuǎn)臺(tái)消隙方式為雙蝸桿消隙結(jié)構(gòu)。 美國(guó)捷力公司 RMV250RT 型立式 5軸聯(lián)動(dòng)加工中， B/C軸應(yīng)用了滾子蝸輪傳動(dòng)， C軸臺(tái)面直徑 Ф 250mm； B/C 軸細(xì)分角度最小設(shè)定單位 176。； B/C 軸減速比 75/48； B/C軸最高轉(zhuǎn)速 50/100r/min。作為非傳統(tǒng)蝸桿蝸輪副滾動(dòng)傳動(dòng)，滾子 蝸輪應(yīng)用在回轉(zhuǎn)軸上，進(jìn)一步提高定位精度和回轉(zhuǎn)速度，提高使用壽命；蝸輪上每一個(gè)滾子經(jīng)預(yù)壓后，緊密貼合在蝸桿上做滾動(dòng)傳動(dòng)，毫無背隙。 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要趨勢(shì) 從外國(guó)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心機(jī)床的發(fā)展看，機(jī)床不再單純是一臺(tái)加工設(shè)備，而是工廠自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的組成單元。市場(chǎng)對(duì)五軸加工機(jī)床的要求越來越高，已經(jīng)出現(xiàn)與傳統(tǒng)機(jī)床完全不同的特征和機(jī)構(gòu)。概要的說，就是通過各種技術(shù)全面集成，大幅度提高生產(chǎn)效率。主要體現(xiàn)在以下方面： (1)高速化：就現(xiàn)在而言，只要說到加工中心，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速一般都在 10000r／ min以上。由于高速 電主軸的普遍應(yīng)用，主軸轉(zhuǎn)速也迸一步提高，有的高達(dá) 40000～ 60000r／ min，快移速度也由于直線電機(jī)的采用而提高到 lOOm／ mim 以上，很多機(jī)床的直線運(yùn)動(dòng)加速度達(dá)到 1～ 29，少數(shù)可達(dá) 39以上。 Mikron 米克郎公司的 400U 高速加工中心，可進(jìn)行高速 5軸聯(lián)動(dòng)加工。液體冷卻的主軸電機(jī)由陶瓷軸承支承，轉(zhuǎn)速高達(dá) 30000r／ min、42021r／ min、 60000r／ min，并有整體式托盤架和托盤交換裝置。 (2)高精度：目前一般加工中心的定位精度為177。 0． 05～177。 0． Olmm，精密級(jí)的精度為177。 O． 002～177。 0． 005mm。 Mitsui Seiki 公司的 HU50— 5AX 型高精度 5 軸高速加工中心，帶一個(gè)傾斜轉(zhuǎn)臺(tái)，所有坐標(biāo)的直線運(yùn)動(dòng)定位精度 0． 003mm， B軸、 C 軸的回轉(zhuǎn)精度0． 001。主軸轉(zhuǎn)速 15000r／ min(50 號(hào)錐度 )至 20210r／ min (40 號(hào)錐度 )，主要用途是取消鑄造而直接由實(shí)體坯料加工出形狀復(fù)雜的箱體件。 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 7 (3)復(fù)合化：提高機(jī)床切削率和生產(chǎn)效能促使機(jī)床功能的擴(kuò)展，由原來的單主軸、單刀架，擴(kuò)展為雙主軸、雙刀架結(jié)構(gòu)，組成臥式平行雙主軸結(jié)構(gòu)或立式雙主軸結(jié)構(gòu)。 DMG公司的 DMCl65 是雙銑頭的門式 加工中心，雙銑頭由立銑頭和擺轉(zhuǎn)銑頭完成粗精加工。 (4)高剛性：機(jī)床在不斷追求高速、高精的同時(shí)，開