【正文】 摘 要 本次畢業(yè)設(shè)計的主要任務(wù)是龍門式可換頭五軸聯(lián)動加工中心 3D設(shè)計。該機(jī)床具有很強(qiáng)的數(shù)控功能， 是高效率高精度加工空間曲面類零件，如各類模具、水輪機(jī)和汽輪機(jī)葉片、三元流離心壓氣機(jī)、船用螺旋漿和推進(jìn)器及螺旋錐齒輪的關(guān)鍵設(shè)備?？梢淮窝b夾工件在多種空間角度進(jìn)行銑、鏜、鉆等工序加工，加工各種具有復(fù)雜輪廓表面、型腔的工件，可作銑鏜、鉆孔等加工。廣泛適用于各種機(jī)械制造業(yè)，特別是模具制造業(yè)。 它可以實現(xiàn)五軸控制、五軸聯(lián)動，高速運(yùn)轉(zhuǎn)。主軸電機(jī)采用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)主軸的自動無級變速。 該部分的主要內(nèi)容是龍門立柱、床身 及進(jìn)給部件的 3D 設(shè)計。在掌握PRO/E 軟件的基本功能后，對機(jī)床的各部件進(jìn)行造型設(shè)計，然后，進(jìn)行裝配和運(yùn)動仿真，達(dá)到設(shè)計的目的。 第一章 概 述 第一節(jié) 加工中心 加工中心是有機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的適用于復(fù)雜零件加工的高效自動化機(jī)床。由于它具有自動換刀能力，能在一次裝卡后完成多道工序，如鉆、銑、鏜、鉸、攻螺紋、切內(nèi)槽等加工，形成多工序自動換刀數(shù)控鏜銑床，它用于加工各種箱體類、板類復(fù)雜零件。各種高精床加工中心，可代替精密坐標(biāo)鏜床，還可作為基礎(chǔ)組成柔性制造單元和柔性制 造系統(tǒng)。 一、加工中心的定義 加工中心 (Machining Center 簡稱 MC)是適應(yīng)省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的自動換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計算機(jī)軟件技術(shù)、氣動技術(shù)、拖動技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)及通訊診斷、刀具和應(yīng)用編程技術(shù)的高技術(shù)產(chǎn)品，它綜合了數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能并聚集在一臺加工設(shè)備上，且增設(shè)有自動換刀裝置和刀庫，可在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對工件的運(yùn)動軌跡及其它 輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可以減少工件裝卡、測量和調(diào)整時間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床 3~4 倍，達(dá) 80%以上。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動化程度最高的綜合性機(jī)床。 二、加工中心的發(fā)展歷程及在我國的發(fā)展?fàn)顩r 1952 年，美國麻省理工學(xué)院首次實現(xiàn)了三坐標(biāo)銑床數(shù)控化，數(shù)控裝置采用真空管電路。 1955 年第一次進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的批量制造，年產(chǎn)量為 100臺。數(shù)控銑 床是電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用，是機(jī)械加工領(lǐng)域劃時代重大技術(shù)性突破，數(shù)控機(jī)床利用編程軟件，可方便地將簡單工序集中起來，從而大大提高了零件的加工效率和加工質(zhì)量，并具有相當(dāng)大的柔性。 在復(fù)雜零件工序高度集中時，必須頻繁更換刀具，以便提高生產(chǎn)效率，為了解決自動換刀問題，最早出現(xiàn)了轉(zhuǎn)塔頭立式鉆鏜銑床，在轉(zhuǎn)塔頭上有612 根短主軸，每根主軸上裝有一把刀具，當(dāng)處于工作位置的刀具加工完畢之后，機(jī)床控制轉(zhuǎn)塔頭松開，轉(zhuǎn)位，讓下一工序的刀具進(jìn)入工作位置，夾緊轉(zhuǎn)塔頭之后，再繼續(xù)加工，直至完成全部工序。 1958 年 ，美國 Kamp。T 公司首先把銑鉆鏜等多種工序集中于一臺機(jī)床上，通過換刀方式實現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺加工中心。該產(chǎn)品出現(xiàn)后，引起了日、美、德、英、法、意等先進(jìn)工業(yè)國家高度重視，競相開發(fā)生產(chǎn)，不斷擴(kuò)大和完善機(jī)床的功能，成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快，需求量最大的商品之一。 如今，世界上出現(xiàn)了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據(jù)不完全統(tǒng)計，大約有一千多個品種規(guī)格。 北京機(jī)床研究所于 1973 年研制出了 JCS— 013 型臥式加工中心。 1980年該所引進(jìn)了日本 FANUC 公司的數(shù)控系統(tǒng)制造技術(shù)，并投入批量生產(chǎn)，為我 國數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步發(fā)展準(zhǔn)備了先決條件，使我國的加工中心的研制出現(xiàn)了良好的局面，加工中心的產(chǎn)量出現(xiàn)了穩(wěn)定上升的趨勢。 在第七屆中國國際機(jī)床 展覽會上，展出數(shù)控龍門鏜銑床、龍門加工中心 11 臺，其中龍門加工中心 8 臺數(shù)控龍門鏜銑床 3 臺，除 3 臺是臺灣廠商生產(chǎn)的展品外，其余 8臺是大陸展品。 這表明我國加工中心的發(fā)展取得神速進(jìn)步，引起了國內(nèi)外的關(guān)注，但離世界的先進(jìn)水平還有很大的差距。 三、加工中心的工作原理 加工中心的工作原理如圖 1— 1 所示，根據(jù)零件圖紙，制定工藝方案，采用手工或計算機(jī)編程進(jìn)行零件的程序編制，把零件所 需的機(jī)床各種動作及全部工藝參數(shù)變成機(jī)床數(shù)控裝置能接受的信息、代碼，并把這些代碼存儲在信息載體上，將信息載體送到輸入裝置，讀出信息，并送入數(shù)控裝置。 進(jìn)入數(shù)控裝置的信息，經(jīng)過一系列處理和運(yùn)算能變成脈沖信號，有的信號送到機(jī)床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，再經(jīng)過傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)床有關(guān)部件，使刀具和工件嚴(yán)格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相應(yīng)運(yùn)動，還有的信號，送到可編程控制器中，以順序控制機(jī)床的其它輔助動作，實現(xiàn)刀具的自動更換。 圖 1— 1 加工中心 的工作原理 四、加工中心的組成 加工中心的組成隨機(jī)床的類別、功能、參數(shù)的不同而有所不同。機(jī)床本身分基本部件和選擇部件，數(shù)控系統(tǒng)由基本功能和選用功能，機(jī)床參數(shù)有主參數(shù)和其它參數(shù)。但同類型機(jī)床產(chǎn)品的基本功能和部件組成一般差別不大。從總體上看加工中心大體由以下幾部分組成。 手工編程 計算機(jī)自動編程 零件圖 輸入裝置 機(jī) 床 穿孔機(jī) 穿孔帶 數(shù)控裝置 伺服系統(tǒng) 自動換刀裝置 （ 1）基礎(chǔ)部件 由床身、立柱和工作臺等大件組成，是加工中心的基礎(chǔ)構(gòu)件，它們可以是鑄鐵件、也可以是焊接鋼結(jié)構(gòu)件，均要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的切削載荷。故必須是剛度很高的部件，亦是加工中中心質(zhì)量和體積最大的部件。 （ 2）主軸部件 它由 主軸箱、主軸電機(jī)、主軸和主軸軸承等零件組成。 （ 3）控制系統(tǒng) 單臺加工中心的數(shù)控部分是由 CNC 裝置、可編程系控制器、伺服驅(qū)動裝置以及電機(jī)等部分組成。們是加工中心執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程中的控制中心。 （ 4）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的信號轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動部件的運(yùn)動，其性能是決定機(jī)床的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半封閉環(huán)、閉環(huán)和混合環(huán)三種控制方式。 （ 5）自動換刀裝置 它由刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動機(jī)構(gòu)等部件組成。刀庫是存放加工過程所使用的全部刀具的裝置。 （ 6）輔助系統(tǒng) 包括潤滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓河水及檢測系統(tǒng)等部分。它們是加工中心不可缺少的部分。 （ 7）自動托盤更換系統(tǒng) 有的加工中心為進(jìn)一步縮短非切屑時間，配有兩個自動交換工件托盤，一個安裝在工作臺上進(jìn)行加工，另一個則位于工作臺外進(jìn)行裝卸工件。 五、加工中心的特點及應(yīng)用 （ 1） 應(yīng)變能力強(qiáng) 適用于多品種、單件小批量零件的加工。 （ 2） 加工精度高 多軸聯(lián)動可實現(xiàn)復(fù)雜輪廓的插補(bǔ)運(yùn)動， （ 3）大大減輕了工人的體力勞動，適用于工序集中且工序較多的零件加工 （ 4） 有較高的加工生產(chǎn)率和較低的加工成 本 （ 5） 有利于實現(xiàn)加工的現(xiàn)代管理 第二節(jié) 虛擬制造 虛擬制造技術(shù)是剛提出的面向 21 世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)，目前仍處于研究和探索階段， 它 是 以信息技術(shù)、仿真技術(shù) 和 虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支持，在高性能計算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò) 中， 采用群組協(xié)同工作，通過 虛擬 模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題， 在虛擬環(huán)境下 實現(xiàn)產(chǎn)品制造的 全 過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，并進(jìn)行過程管理與控制。 綜合國內(nèi)外學(xué)者們已有的觀點，都認(rèn)同把虛擬制造分為三類：以 設(shè)計為 中 心的虛擬制造（ DesignCentered VM） 、以生產(chǎn)為 中 心的虛擬制造 (ProductionCentered VM)和以控制為中心的虛擬制造(ControlCentered VM)。 其中，由于 CAD 技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，以 CAD 為基礎(chǔ)的以設(shè)計為中心的虛擬制造得到了更快、更廣泛的應(yīng)用，同時，也更容易獲得實際效果。 虛擬制造被譽(yù)為 21 世紀(jì)的新型生產(chǎn)模式，是制造業(yè)迎接 21 世紀(jì)挑戰(zhàn)的有效技術(shù)，盡管對它的研究只有短短的幾年，但 它對制造業(yè) 起著 革命性的影響 ，成為制造業(yè)領(lǐng)域 研究的熱點之一。 本課題采用虛擬制造技術(shù)開發(fā)五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心，對研究虛擬制造技術(shù)在機(jī) 床開發(fā)領(lǐng)域起著重要的作用，它將促進(jìn)虛擬制造理論系統(tǒng)的研究和應(yīng)用實施。 虛擬制造技術(shù)重點研究工作集中在產(chǎn)品的虛擬仿真技術(shù)和應(yīng)用上。例如應(yīng)用運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析軟件分析產(chǎn)品的功能。特別是在機(jī)床的虛擬制造技術(shù)中，最早是進(jìn)行切削過程的仿真。在虛擬制造的另一各方面，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的裝配仿真、生產(chǎn)過程仿真、新產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)組織仿真等也是虛擬制造技術(shù)研究的熱點。 制造領(lǐng)域中應(yīng)用虛擬技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品開始于 90 年代中期，首先是在少數(shù)發(fā)達(dá)國家開始應(yīng)用，與此同時，虛擬產(chǎn)品制造的理論和相關(guān)技術(shù)研究也在同步進(jìn)行。運(yùn)用三 維 CAD 建立虛擬模型是首要的工作。在虛擬建模技術(shù)基礎(chǔ)上，提出虛擬產(chǎn)品模型，它是一個集成的數(shù)字模型，包含產(chǎn)品各方面的信息，以便于進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實分析和基于網(wǎng)絡(luò)的分析制造等。 在國內(nèi)，虛擬制造的研究開始于 90 年代中期。上海交通大學(xué) CIMS 研究所和機(jī)械院機(jī)電研究所分別得到國家自然科學(xué)基金的資助，開始虛擬制造基本技術(shù)的研究應(yīng)用。清華大學(xué) CIMS 工程研究中心虛擬制造研究室也是我國最早的虛擬制造技術(shù)研究部門之一。 綜合上述資料分析，虛擬制造技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用已成為近階段新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的主流技術(shù)，由于采用該技術(shù)硬件設(shè)備 和資金的投入少、見效快，在國際國內(nèi)都引起了足夠的重視。但是，目前虛擬制造技術(shù)領(lǐng)域中尚存許多有待研究的題目，如合理的虛擬制造體系、虛擬產(chǎn)品設(shè)計、虛擬產(chǎn)品制造的理論與相關(guān)技術(shù)，以及構(gòu)筑虛擬制造系統(tǒng)（ VMS）的各種支撐技術(shù)和異構(gòu)環(huán)境下的實驗平臺等。盡管虛擬制造發(fā)展迅速，但是目前還缺乏從產(chǎn)品設(shè)計全過程的高度開展虛擬制造的研究。在應(yīng)用虛擬制造技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品的基礎(chǔ)技術(shù)研究方面，國內(nèi)尚未自行開發(fā)成熟的應(yīng)用軟件，幾乎都是在國外商品工具軟件的平臺上進(jìn)行應(yīng)用和二次開發(fā)。 第三節(jié) 五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床 隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展 ，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。高技術(shù)、高性能數(shù)控機(jī)床是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和加強(qiáng)國防建設(shè)的重要條件， 數(shù)控機(jī)床 發(fā)展趨勢 是 高精 度、 高速 度、 高 效率 化 （ 精度、速度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo) ）、 柔性化 、 工藝復(fù)合性和多軸化 、 實時智能化 。 五軸數(shù)控機(jī)床和三軸數(shù)控加工相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜型面工件的加工，得到更好的表面加工質(zhì)量。隨著機(jī)床制造技術(shù)的發(fā)展，五軸機(jī)床越來越多的應(yīng)用于國家重要工業(yè)的各個領(lǐng)域。五軸加工機(jī)床由于生產(chǎn)制造技術(shù)上的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三軸機(jī)床 ，很長時間沒有解決國產(chǎn)化問題。主要存在三方面的問題：1）五軸聯(lián)動機(jī)床控制系統(tǒng)； 2）可實現(xiàn)五個坐標(biāo)進(jìn)給運(yùn)動的機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜；3）五軸聯(lián)動加工數(shù)控程序的編制。目前主要問題正在逐步解決，對五軸加工中心的開發(fā)和國產(chǎn)化提