【文章內(nèi)容簡介】 。 美國佐治亞理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、密西根大學(xué)和威斯康辛大學(xué)等都針對微小制造系統(tǒng)開展了廣泛的研究 【 6】 ,一些研究成果已成功用于航空航天和生物醫(yī)療等領(lǐng)域。西北大學(xué)和伊利諾伊斯大學(xué)研制的微小型車床 ,其主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到 200,000rpm。而我國近期也研制成功了 國內(nèi)第一臺超精密微細(xì)加工機(jī)床，如圖 1所示，該裝置為三軸聯(lián)動的超精密微小型銑床，運(yùn)用直線電機(jī)直接驅(qū)動、氣體靜壓導(dǎo)軌支撐的驅(qū)動方式；采用納米級直線光柵反饋的全閉環(huán)、開放式數(shù)控系統(tǒng)；使用氣體靜壓軸承支撐的高速電主軸，最高轉(zhuǎn)速為 160000rpm，實(shí)現(xiàn)亞微米級超精密定位和加工。 現(xiàn)已在西安 618研究所使用，大大提高了該研究所的研發(fā)和生產(chǎn)能力。 圖 1— 2 618所超精密微細(xì)加工機(jī)床 因此我們可知，未來的工業(yè)生產(chǎn)會隨著人們對高新技術(shù)的追求而步入哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 “細(xì)微時(shí)代” 【 7】 ，令人期待的諸如微型管道機(jī)器人、超微型醫(yī)療機(jī)器人、人工智能心臟等的運(yùn)用都將離不開精密微型銑床的發(fā)展和成熟。未來誰更早掌握了微型加工技術(shù)，誰便站在了工業(yè)制造的前沿。 主要研究內(nèi)容及本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn) 主要研究內(nèi)容 根據(jù)五軸聯(lián)動機(jī)床的技術(shù)要求，結(jié)合國內(nèi)外研究綜述，本課題的主要研究內(nèi)容包括： （ 1）機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局的方案設(shè)計(jì)。怎樣選擇總體結(jié)構(gòu)，是選擇立式機(jī)床結(jié)構(gòu)，還是選擇臥式結(jié)構(gòu)，并且選用合適的五軸銑頭結(jié)構(gòu)使其保證加工精度和結(jié)構(gòu)的緊湊。 （ 2）機(jī)床的的動力方案設(shè)計(jì)。初步設(shè)想用滾珠絲杠配合伺服電機(jī)作為動力和傳動裝置。 （ 3）主軸設(shè)計(jì)方案的選取。是選取傳統(tǒng)的純機(jī)械結(jié)構(gòu)還是馬達(dá)和主軸作為一體式結(jié)構(gòu)。 （ 4）根據(jù)機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)的其他外觀尺寸，并組裝其三維實(shí)體模型。 （ 5）對電機(jī)、減速器和聯(lián)軸器的選取，用 Solidworks 軟件進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)與裝配，并對主要部件進(jìn)行校核與有限元的分析，對必要零部件進(jìn)行振動分析。 設(shè)計(jì)的重點(diǎn) （ 1）合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)和布局，是保證機(jī)床的工作性能的前提 采用了高效的五軸聯(lián)動龍門布局，其具有加工復(fù)雜輪廓表 面、型腔工件的能力， X／ Y／ Z三軸采用了精密滾珠絲桿 +直線導(dǎo)軌傳動。并對其關(guān)鍵部件予以理論計(jì)算與校核，簡化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，也提高了機(jī)床的剛性，同時(shí)也大大的提升了各軸的傳動精度，加工精度顯著提升。其中 A／ C軸功能的實(shí)現(xiàn)，是通過具有雙擺方式的五軸聯(lián)動銑頭來完成的，采用連續(xù)分度方式 (注： A軸定義為繞 X軸旋轉(zhuǎn)， B軸定義為繞 Y軸旋轉(zhuǎn)， C軸定義為繞 Z軸旋轉(zhuǎn) )。 (2) 雙擺式主軸頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了加工精度 五軸聯(lián)動銑頭一直是五軸聯(lián)動龍門式數(shù)控機(jī)床的瓶頸，本課題設(shè)計(jì)出高哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 效實(shí)用的五軸聯(lián)動銑頭結(jié)構(gòu)，它具有 A／ C軸功能，其中 C軸采用精密齒輪傳動結(jié)構(gòu)，而 A軸采用蝸桿傳動形式，此傳動結(jié)構(gòu)具有一定的軸向間隙補(bǔ)償?shù)墓δ?，彌補(bǔ)了其它普通齒輪傳動形式因齒輪嚙合磨損造成的軸向間隙問題。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2 章 機(jī)床主要結(jié)構(gòu)方案選型及設(shè)計(jì) 引言 在需要加工大型零件或者具有復(fù)雜曲面的零件時(shí)，零件的裝夾和校正作業(yè)成本很高。此外，對質(zhì)量和精度的要求也在不斷的提高。因此，解決的方案是用五軸聯(lián)動機(jī)床，一次裝夾，盡快完成加工，同時(shí)還要為漫長精加工作業(yè)做好準(zhǔn)備。通常，用三軸或四軸機(jī)床是辦不到的。在某些情況下，五軸聯(lián)動加工提供了許多經(jīng)濟(jì)方便的優(yōu)點(diǎn)。但是，作為這種用途的 CAM編程仍很昂貴，在投資于五軸銑床時(shí)應(yīng)考慮這一點(diǎn)。 機(jī)床的的設(shè)計(jì)參數(shù)以及設(shè)計(jì)方案 本課題的五軸聯(lián)動精密銑床設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)參數(shù) 【 8】 如下： （ 1） 五軸聯(lián)動精密銑床的工作行程為： X/Y/Z 軸行 程分別為270mm/350mm/140mm， A軸擺動角度為 177。100?， C軸回轉(zhuǎn)角度為 177。360?； （ 2） 機(jī)床的各軸工作速度： X/Y/Z 軸快速移動速度為1000/1000/800(mm/min),A 軸擺動速度為 0?4(r/min),C 軸回轉(zhuǎn)速度為0?30(r/min)； (3） 五軸聯(lián)動銑床的定位精度為 ,全行程控制在 ，重復(fù)定位精度為 ； (4）工作臺最大承載重量為 30kg，采用內(nèi)藏式電主軸，主軸轉(zhuǎn)速為 6000r/min,SK6 刀柄 【 9】 。 五軸銑頭結(jié)構(gòu)方案分析與比較 如下圖 2— 1 所示是常見的五軸數(shù)控機(jī)床的銑頭結(jié)構(gòu)，從中可以哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 看出五軸數(shù)控機(jī)床安旋轉(zhuǎn)軸的安裝方式可以分為三大類：五軸雙擺頭 機(jī)床、五軸擺頭及轉(zhuǎn)臺機(jī)床、五軸雙轉(zhuǎn)臺機(jī)床。 龍門式五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床是當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)的主流設(shè)備，而五軸聯(lián)動銑頭是這類機(jī)床的核心部件。目前在五軸聯(lián)動銑頭領(lǐng)域中，西方 圖 2— 1 機(jī)床銑頭結(jié)構(gòu)的分類 【 8】 國家中主要有意大利意薩（ ISA）公司和德國西泰克（ CyTec）公司比較突出，國內(nèi)就數(shù)桂林機(jī)床股份有限公司做的比較專業(yè)化和系統(tǒng)化。 銑頭結(jié)構(gòu)選型 綜合現(xiàn)有產(chǎn)品資料，本次設(shè)計(jì)擬定了三種五軸聯(lián)動銑頭的結(jié)構(gòu)方案。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 方案一，直接由力矩電機(jī)（ Torqer Motor）驅(qū)動，五軸聯(lián)動的 A/C軸全采用“零傳動”結(jié)構(gòu)。德國的西泰克公司的產(chǎn)品五軸頭便是此類結(jié)構(gòu)，如下圖 2— 2 所示。現(xiàn)在國內(nèi)市場上也已經(jīng)有才類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。但是精度和控制方面距國外同類產(chǎn)品還有較大差距，主要由以下類型產(chǎn)品，如下圖 2— 3 所示。 圖 2— 2 德國西泰克五軸頭 圖 2— 3 國內(nèi)五軸頭產(chǎn)品 方案二，五軸聯(lián)動銑頭采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)， A 軸由雙導(dǎo)程蝸桿驅(qū)動，C 軸也是如此，見圖 2— 4 所示。此類結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是加工精度偏低且體積較大 ，外觀造型比較笨重。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 2— 4 純機(jī)械結(jié)構(gòu)的五軸頭 方案三，同方案二一樣采用機(jī)械傳動，但是 A 采用雙導(dǎo)程蝸桿驅(qū)動， C 軸則由精齒輪嚙合驅(qū)動。初步構(gòu)想示意圖如圖 2— 5 所示。 圖 2— 5 銑頭結(jié)構(gòu)示意圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 對比分析上述方案設(shè)計(jì)可以看出，方案一的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)十分的緊湊，體積小而且加工精度高，美中不足的是造價(jià)過于昂貴。但是，對于精度要求不高的場合可以采用雙力矩電機(jī)來降低加工精度進(jìn)而降低制造成本，如木工加工中心。五軸聯(lián)動高速雕銑機(jī)結(jié)構(gòu)便是此類應(yīng)用 【 10】 ，如圖 2— 6 所示。 圖 2— 6 五軸聯(lián)動高速雕銑機(jī) 方案三的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介于方案二與方案一之間，通過以上對比分哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 析，本設(shè)計(jì)采用方案三的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理和經(jīng)濟(jì)。 A 軸定義為繞 X軸旋轉(zhuǎn)， B 軸定義為繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)， C 軸定義為繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)，則本結(jié)構(gòu)采用主軸部分可以繞 A 軸擺動，而整體結(jié)構(gòu)則可以繞 C 軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí) Z 軸滑枕可以帶動銑頭部分沿 Z 軸上下移動。 五軸聯(lián)動銑床整體結(jié)構(gòu)方案分析與比較 本章小結(jié) 本章主要根據(jù)機(jī)床整體性能要求對機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)和重要的五軸銑頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了方案分析與比較 ，最終 確定了結(jié)構(gòu)的整體參數(shù)和重要部分的設(shè)計(jì)參數(shù)，為后續(xù)工作的展開定下了技術(shù)參考。機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)采用定梁動滑臺龍門式結(jié)構(gòu)，五軸銑頭部分采用的是偏置雙擺動銑頭結(jié)構(gòu)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 3 章 伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 引言 伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)是指將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛砘蛘吖ぷ髋_的直線運(yùn)動，主要包括引導(dǎo)和支撐執(zhí)行部件的導(dǎo)軌、絲杠螺母副、錐齒輪副、蝸桿副及其支撐部件等。這部分的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的主要部分，在借鑒了大量國內(nèi)外的資料后，設(shè)計(jì)了下面內(nèi)容。 伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求 由于進(jìn)給系統(tǒng)的精度、靈敏度、穩(wěn)定性直接影響了數(shù)控機(jī)床的定位精度和輪廓加工精度，因此，應(yīng)滿足以下要求： （ 1） 提高傳動部件的剛度 一般來說，數(shù)控機(jī)床的直線運(yùn)動的定位精度和分辨率都要達(dá)到微米級，回轉(zhuǎn)的定位精度和分辨率都要達(dá)到角秒級，如果傳動部件的剛度不足，必然會導(dǎo)致傳動部件產(chǎn)生彈性變形，工作臺產(chǎn)生爬行、振動和反向死區(qū)，影響系統(tǒng)的定位精度、動態(tài)穩(wěn)定性和響應(yīng)的快速性。關(guān)于機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的傳動剛度，主要取決于絲杠螺母副、蝸桿副及其支撐結(jié)構(gòu)的剛度?？s短傳動鏈、合理選擇絲杠以及絲杠螺 母副的支撐部件等，施加預(yù)緊力是提高傳動剛度的有效途徑。 （ 2） 高諧振 為了提高系統(tǒng)的抗振性，應(yīng)使機(jī)械傳動部件具有高的固有頻率和合適的阻尼，一般要求機(jī)械傳動系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)高于伺服驅(qū)動系統(tǒng)固有頻率的 2～ 3 倍。 （ 3） 摩擦阻力小 為了提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性，保證其運(yùn)動平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確，除對伺服元件提出要求外，還必須減小運(yùn)動件的摩擦阻力和動、靜摩擦系數(shù)之差。機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的摩擦阻力主要來自絲杠螺母副哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 和導(dǎo)軌。為了減小摩擦阻力，普遍采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、滾動導(dǎo)軌和塑料導(dǎo)軌 【 11】 。 （ 4） 減小傳動部件的慣量 傳動部件的慣量對伺服機(jī)構(gòu)的起動和制動特性都有影響，尤其是處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件，由于對進(jìn)給系統(tǒng)的加速度要求較高。在驅(qū)動電機(jī)一定時(shí)，傳動部件的慣量直接決定了進(jìn)給系統(tǒng)的加速度，它是影響進(jìn)給系統(tǒng)快速性的主要因素。因此，在滿足系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度的前提下，應(yīng)盡可能減小零部件的重量、直徑，以降低慣量，提高快速特性。 （ 5） 無間隙 機(jī)械傳動部件之間的間隙是造成伺服進(jìn)給系統(tǒng)反向死區(qū)的一個(gè)主要原因，因此，對傳動鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，如聯(lián)軸器、齒輪副、蝸桿副、絲杠螺母副及其支撐部件等，均采用消除間隙的結(jié)構(gòu)措施或施加預(yù)緊力。 滾珠絲杠螺母副的原理及支撐方式 滾珠絲杠螺母傳動屬于滾動螺旋傳動。滾動螺旋傳動的滾動體有滾珠和滾子兩大類，其應(yīng)用最廣泛的是以滾珠為滾動體的滾珠絲杠螺母傳動。滾珠絲杠螺母副作為精密、高效的傳動元件在數(shù)控機(jī)床得到廣泛應(yīng)用，在機(jī)械工業(yè)、交通運(yùn)輸、航天航空、軍工產(chǎn)品等領(lǐng)域應(yīng)用也很普 遍，可作精密定位自動控制、動力傳遞和運(yùn)動轉(zhuǎn)換。 滾珠絲杠螺母副的原理及特點(diǎn) 滾珠絲杠螺母副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其結(jié)構(gòu)原理如圖 3— 1 所示。 在絲杠和螺母上都有半圓形的螺旋槽，當(dāng)他們套裝在一起時(shí)便成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回珠滾道，將數(shù)圈螺旋滾道的兩端 連接成封閉的循環(huán)滾道，滾道裝滿滾珠，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)自轉(zhuǎn)，同時(shí)又在封閉滾道內(nèi)循環(huán)，使絲杠和螺母相對產(chǎn)生軸向運(yùn)動。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 1— 螺母， 2— 滾珠， 3— 端蓋， 4— 絲杠， 5— 蓋板， 6— 擋珠環(huán) 圖 3— 1 滾珠絲杠 當(dāng)絲杠 (或螺母 )固定時(shí)，螺母 (或絲杠 )即可產(chǎn)生相對直線運(yùn)動，從而帶動工作臺或其他移動件作直線運(yùn)動。 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊是提高滾珠絲桿副的反向傳動精度和傳動剛度，減小傳動系統(tǒng)間隙的重要措施。滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊常采用各種形式的雙螺母機(jī)構(gòu)。為使預(yù)緊后的雙螺母機(jī)構(gòu)在正向傳動鏈?zhǔn)芰\(yùn)行時(shí)，其反向傳動鏈仍保證無間隙出現(xiàn)，則一般要求施加一個(gè)合理的預(yù)緊力。預(yù)緊力過大會造成傳動效率的降低、摩擦力增加、磨損增大、使用壽命降低等缺陷。因此，預(yù)緊力的大小可通過理論計(jì)算求取，計(jì)算公式如下： （ 1）當(dāng)最 大軸向工作載荷不能確定時(shí)： ? （ 3— 1） 式中： ——施加的預(yù)緊力 （ N） ； ?——預(yù)加負(fù)荷系數(shù)； ——額定動載荷 （ N） ， （ 2）當(dāng)最大軸向工作載荷能確定時(shí) ： （ 3— 2） 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 式中： —最大軸向工作載荷 （ N） 滾珠絲杠的選型與計(jì)算 絲杠選擇總體流程如下圖 3— 2 所示： 圖 3— 2 絲杠選型流程圖 伺服電機(jī)的選型與計(jì)算 伺服電機(jī)具有較小的轉(zhuǎn)動慣量和較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，能夠使它滿足機(jī)械設(shè)備對高精度和快速響應(yīng)的要求。伺服電機(jī)還能夠承受頻繁的啟動、制動和正反轉(zhuǎn)，正是由于它具有這些特點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中主要采用伺服電機(jī)。本課題以施耐德伺服電機(jī)為例，結(jié)合本課題設(shè)計(jì)機(jī)床 Y軸結(jié)構(gòu)模型來分析在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中伺服電機(jī)的選取問題 【 13】 。 計(jì)算絲杠副載