【正文】 ....... 36 參考文獻 .............................................................. 37 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 1 第 1 章 緒 論 畢業(yè)設計 主要是培養(yǎng)學生綜合應用所學專業(yè)的基礎理 論、基本技能和專業(yè)知識的能力，培養(yǎng)學生建立正確的設計思想，掌握工程設計的一般程序、規(guī)范和方法。使學生進一步鞏固和加深對所學的知識，使之系統(tǒng)化、綜合化。培養(yǎng)學生的設計計算、工程繪圖、實驗研究、數(shù)據(jù)處理、查閱文獻、外文資料的閱讀與翻譯、計算機應用、文字表達等基本工作實踐能力，使學生初步掌握科學研究 的基本方法和思路。 五軸數(shù)控機床 學術(shù)背景 2021 年在北京舉辦的第 12 屆中國國際機床展覽會上，數(shù)控機床、加工中心、復合機床在裝備制造業(yè)內(nèi)已呈現(xiàn)出量大面廣態(tài)勢，這類工作母機在各類制造業(yè)已經(jīng)普及應用，并清晰地表達出時代特征與發(fā)展潮流。機床運動無論是并聯(lián)運動機床，還是運動疊加串聯(lián)機床，對大多數(shù)金屬加工機床來說，數(shù)控進給復合運動的加工，是以直線軸加上回轉(zhuǎn)軸的聯(lián)動來實現(xiàn)。因此在現(xiàn)代加工中心的開發(fā)中，數(shù)控回轉(zhuǎn)軸的設計與制造，成為研制機床的核心任務之一，而數(shù)控回轉(zhuǎn)軸，同時也起著承載工作重量、夾持工件的功能，故要重視其創(chuàng)新設計。進口的增長迅猛表明國內(nèi)機床與國外機床的差距依然很大。 圖 12 19892021年間中國金屬加工機床產(chǎn)量的變化發(fā)展 CITM2021 中國國際機床展 調(diào)查報告顯示，中外機床的差距主要體現(xiàn)在三個方面： 機床 加工精度（ %）、可靠性（ %）、機床內(nèi)部電氣控等配置（ %）。由此可見，技術(shù)尤其是對精準度和可靠度是國外機床領 先國內(nèi)機床的優(yōu)勢來源。國內(nèi)機床行業(yè)取得的巨大進河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 3 步有目共睹， 北京 展會展出的十二類專項產(chǎn)品正是對國內(nèi)機床行業(yè)成果的一次重大展示。因此，開展高速、高精度多軸聯(lián)動數(shù)控機床的研究是提高我國機床技術(shù)水平，促進經(jīng)濟和國家綜合國力的需要。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 隨著科學技術(shù)的進步和市場供求的需要，數(shù)控機床在裝備制造業(yè)得到了廣泛的普及，清晰的表達出了時代的特征，并成為了提高國際競爭力的關鍵因素。 20世紀 80 年代初，國內(nèi)先后從日本、美國等國引進 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)控機床 發(fā)展徘徊不前的局面，推動了 數(shù)控 機床的發(fā)展。國內(nèi)最先研制出五軸聯(lián)動加工中心是在 1999 年，代表作是當時江蘇常州機床總廠開發(fā)出的定梁龍門式五軸聯(lián)動加工中心。并在北京、上海等地舉辦了國際機床展覽會。 其中沈陽機床集團有限公司展出的 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)采用伺服電機驅(qū)動，具有良好的定位精度和穩(wěn)態(tài)響應特性。該機工作臺面尺寸為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。機床采用全閉環(huán)控制，確保了機床的定位精度及精度的穩(wěn) 定。 在 CIMT2021 展覽會上，有 28個國家和地區(qū)的 1200 余家機床制造商踴躍參展，這次展會是目前為止世界機床制造業(yè)最新最高技術(shù)成果的展示，眾多新品在 CIMT2021 展覽會競相展示。 5DMCH63 臥式五軸聯(lián)動加工中心 采用了箱中箱結(jié)構(gòu)和直線雙絲杠高速同步驅(qū)動技術(shù)?；剞D(zhuǎn)軸采用了圓光柵尺反饋，工作臺可以任意分度?！?120176?；剞D(zhuǎn)， B 軸額定轉(zhuǎn)速 46r/min，定位精度 X＝ 、 Y＝ 、 Z＝ ，重復定位精度 X=、Y=、 Z=。 5DGBC50 五軸聯(lián)動立式加工中心 采用高剛性的龍門型結(jié)構(gòu)設計。 承重 400kg/m。～ 110176。 X、 Z軸快速移動速度 40m/min， Y軸快速移動速度 32m/min， A、 C軸快速回轉(zhuǎn) 速 度 30m/min，主軸端面至工作臺臺面高度為 200mm～ 660mm。工作臺尺寸 1200 700mm178。 沈陽機床 (集團 )有限責任公司展出了 HTM40100h 車銑加工中心、 GMC2590u 橋式五軸加工中心。 與同類機床相比，具有以下特點：車銑復合電主軸最高轉(zhuǎn)速達到 15000r/min；車削電主軸最高轉(zhuǎn)速達到 5000r/min； X/Y/Z 軸快移速度達到 30/30/30m/min；力矩電機無間隙直接驅(qū)動 B 軸。 濟南二機床集團有限公司展出的 XHSV2525 60 高架式五軸聯(lián)動龍門加工中心 工作臺面積： 6m，龍門寬度 ，主軸端面與工作臺面最小距離 250mm，主軸轉(zhuǎn)速范圍 17000/18000（ rpm），工作臺尺寸為 25000 6000（ mm），主軸孔錐度 HSKA63，工作臺縱向行程長度（ X 軸） 6000～ 20210 mm，溜板橫向行程長度（ Y 軸） 3100mm，銑頭滑枕垂直行程（ Z 軸） 950/1250mm，工作臺每米長度最大承重 5T。 在現(xiàn)代加工中心的開發(fā)中，數(shù)控回轉(zhuǎn)軸的設計與制造，成為研制機床的核心任務之一，而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺（簡稱轉(zhuǎn)臺）既作為數(shù)控回轉(zhuǎn)軸，同時也起著承載工件重量、夾持工件的功能，故要重視其創(chuàng)新設計。數(shù)控回轉(zhuǎn)軸還具有車削主軸的功能，并起著工作臺面的作用。工作臺作為 C 軸，既要有高的轉(zhuǎn)矩，也能實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速輸出，該機工作臺尺寸 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，采用主軸頭的擺動形式， B 軸擺動范圍 30?/+ 180176。 =立式 /180176。 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 6 XH764A 及 XH765B 型轉(zhuǎn)臺臺面規(guī)格為 500mm，是帶交換臺面型式的回轉(zhuǎn)工作臺，交換形式為扁擔式交換。 Fanuc 電機α 12，減速比 1:90，最高轉(zhuǎn)速設定在 。 5″，重復定位精度177。轉(zhuǎn)臺采用滾針保持架組合形式的滾動軸承方式。 美國捷力公司 RMV250RT 型立式 5軸聯(lián)動加工中， B/C軸應用了滾子蝸輪傳動， C軸臺面直徑 Ф 250mm； B/C 軸細分角度最小設定單位 176。作為非傳統(tǒng)蝸桿蝸輪副滾動傳動，滾子 蝸輪應用在回轉(zhuǎn)軸上，進一步提高定位精度和回轉(zhuǎn)速度，提高使用壽命；蝸輪上每一個滾子經(jīng)預壓后，緊密貼合在蝸桿上做滾動傳動，毫無背隙。市場對五軸加工機床的要求越來越高，已經(jīng)出現(xiàn)與傳統(tǒng)機床完全不同的特征和機構(gòu)。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，機床主軸轉(zhuǎn)速一般都在 10000r／ min以上。 Mikron 米克郎公司的 400U 高速加工中心，可進行高速 5軸聯(lián)動加工。 (2)高精度：目前一般加工中心的定位精度為177。 0． Olmm，精密級的精度為177。 0． 005mm。主軸轉(zhuǎn)速 15000r／ min(50 號錐度 )至 20210r／ min (40 號錐度 )，主要用途是取消鑄造而直接由實體坯料加工出形狀復雜的箱體件。 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。改善機床剛性主要從兩個方面考慮：一是研制新的高剛性材料。這種鑄件材料質(zhì)量輕 (為一般鑄件的 1／ 3)且剛性較好，振動衰減率高 (比一般鑄件高 15％ )，能吸收振動，熱傳導率高。北村機械株式會社的 Mytrunnion 系列加工中 心采用新開發(fā)的門式結(jié)構(gòu)，這是繼箱中箱結(jié)構(gòu)的加工中心后的又一種新結(jié)構(gòu)的加工中心，其 x、 Y、Z軸均采用了雙滾珠絲杠。 五軸聯(lián)動數(shù)控機床 我國現(xiàn)有數(shù)控機床主要是以經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床為主，只適用于形狀復雜的直線，斜線等零件的加工，對于那些復雜的型 面卻只能用手動加工，這對于產(chǎn)品多樣化和產(chǎn)品更新快及效率高的年代已經(jīng)不再適應。在我國，從經(jīng)濟和技術(shù)角度出發(fā)，對數(shù)控機床的升級主要是對機床的性能和功能方面的增加。 設原鏜床旋轉(zhuǎn)刀具的軸線為 Z軸，水平方向平行于工作臺裝甲面的方向為 X軸，并且與 Z軸垂直，確定了 X、 Z軸正方向后，可以根據(jù)右手螺旋法則確定 Y 軸的方向。 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 8 圖 16 坐標軸分布 該數(shù)控機床的工作臺不僅可以沿 X、 Y、 Z 方向做平行移動，還可以沿 A、 B 方向做旋轉(zhuǎn)進給或者分度運動，升級后的數(shù)控機床，它的新工作臺可以和原來的工作臺作為一個整體，既可以做 3 坐標的直線運動，還可以做繞 3坐標中的兩個做旋轉(zhuǎn)進給運動或分度，因此該機床的適用范圍很廣，不僅適合于簡單的直線，斜線，圓弧加工外還等適應那些更加復雜的曲面以及球面零件的加工。倒庫容量 16，數(shù)控系統(tǒng)： Siemens840D，可控制 X、 Y、 Z、 B、 C 五個軸，具有車削中心加銑削中心的特點。主軸具有 C軸功能，采用 12 工位動力刀架，具有自動上下料和全封閉多道防護裝置，可一次性上料完成零件的正反面加工，包括車削、鏜孔、鉆孔、攻絲等多道工序。 五軸聯(lián)動機床也稱五坐標機床，它是在三個平動軸（沿 X、 Y、 Z 軸的直線運動）的基礎上增加了兩個轉(zhuǎn)動軸（能實現(xiàn)繞 X軸、 Z 軸旋轉(zhuǎn)運動，即 A 軸和 C軸），不僅 可使刀具相對于弓箭的位置任意可控，而且刀具軸線相對于工件的方向也在一定范圍內(nèi)任意可控。 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 9 第 2 章 電火花成型加工主軸附件頭 AB 軸結(jié)構(gòu)設計 數(shù)控電火花成型機床的直線進給由工作臺完成，附件頭主要實現(xiàn)在 AB 兩軸向的轉(zhuǎn)動。它的驅(qū)動是伺服系統(tǒng)的驅(qū)動方式。它的進給、分度轉(zhuǎn)位和定位鎖緊都是由給定的指令進行控制的。為了消除蝸桿副的傳動間隙，采用了雙螺距漸厚蝸桿，通過移動蝸桿的軸向位置調(diào)整間隙。但由于同一側(cè)的螺距是相同的，所以仍然可以保持正常的嚙合。為此，在蝸輪底部的輻射方向有 8對夾緊瓦，并在底座上均布同樣數(shù)量的小液壓缸。在 機床 需要回轉(zhuǎn)時，先使小液壓缸的上腔接通回油路，在彈簧的作用下，鋼球抬起，夾緊瓦將蝸輪松開。在實際測量靜態(tài)定位誤差之后，確定需要補償角度的位置和補償?shù)闹?，記憶在補償回路中，由數(shù)控裝置進行誤差補償。 設計的 主軸附件頭 主要解決兩個問題 ：一個是在 A 軸上做 一定角 度的轉(zhuǎn)動，一個是在 B軸上 也 做一定角度的轉(zhuǎn)動。必須保證附件頭要與工件電極絕緣 。 主要參數(shù) 1 重復定位精度： 2 B軸轉(zhuǎn)速： 40 r/min A軸轉(zhuǎn)速： 40r/min 3 扭矩： T=2 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 10 設計準則 我們的設計過程中，本著以下幾條設計準則： 1） 創(chuàng)造性的利用所需要的物理性能 2） 分析原理和性能 3） 判別功能載荷及其意義 4） 創(chuàng)造有利的載荷條件 5） 預測意外載荷 6） 提高合理的應力分布和剛度 7） 重量要適宜 8） 應用基本公式求相稱尺寸和最佳尺寸 9） 根據(jù)性能組合 選擇材料 10）零件與整體之間精度的選擇 11）功能設計應適應制造工藝和降低成本的要求 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 11 第 3 章 電動機的選擇與控制 選擇 伺服 電機來驅(qū)動 主軸附件頭的旋轉(zhuǎn) 。 1. 轉(zhuǎn)角的控制脈沖數(shù)成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制； 2. 有定位轉(zhuǎn)矩； 3. 可構(gòu)成廉價的開環(huán)控制系統(tǒng)。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將 電 壓 信號轉(zhuǎn)化為 轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著 轉(zhuǎn)矩 的增加而勻速下降。 伺服主要靠 脈沖 來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到 1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn) 1個脈沖對應的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的 控制電機 的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到 。 有刷電機 成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動 轉(zhuǎn)矩 大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便 （換碳刷），產(chǎn)生 電磁 干擾，對環(huán)境有要求。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。 伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋 信號 給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。 交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。但直流伺服比較簡單，便宜。的繞 組，一個是 勵磁繞組 Rf，它始終接在 交流電壓 Uf上；另一個是控制繞組 L，聯(lián)接控制信號電壓 Uc。 交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機具有較寬的調(diào)速范圍、線性的 機械特性 ，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應的性能，它與普通電動機相比，應具有轉(zhuǎn)子電阻 大和 轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。 交流伺服電動