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1、摘要 五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点。若配以五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。 本文设计了一台五轴联动机床主轴模型，在 XY 工作台的基础上叠加两层托板，步进电动机带动轴使其做旋转运动，构成类似陀螺仪的结构。分别实现工作台绕 XY 轴的转动和移动，再沿 Z 轴 装配一根丝杠完成工作台沿 Z 轴的上下运动最终实现刀具向各个面进行加工。 主要完成了：模型整体结构设计，各个轴的结构设计及计算、滚珠丝杠、 轴承和直线滚动导轨的选择及其强度分析；步进电机的选择及分析。关键词 五轴联动 丝杠传动 陀螺仪 Abstrac
2、t Five-axis machining center with high efficiency and precisioncharacteristics. If accompanied by high-end CNC five-axis system canalso carry out complex curved surface precision machining more able toadapt as automotive components aircraft structural parts and othermodern mold processing. This pape
3、r designed a five-axis machine tool spindle model based onthe XY table overlay two pallets stepper motor drive shaft rotation todo so constitutes a similar gyro structure. Were achieved around the XYaxis rotating table and move along the Z axis and then complete the tableassembly of a screw up and d
4、own movement along the Z axis to the ultimaterealization of the various surface processing tool. Main completed: overall structural design model each shaft structuredesign and calculation ball screws bearings and linear motion guide thechoice and strength analysis stepper motor selection and analysi
5、s. Keywords five-axis gyro screw drive 目录摘要 1Abstract 2第一章 绪论 5第二章 总体方案的设计 6 2.1 设计任务 6 2.2 设计方案的论证 6 2.2.1 传动方式的确定6 2.2.2 陀螺仪机构的设计 6 2.3 总体方案的设计及结构组成 6第三章 XY 工作台及绕 XY 旋转工作台的设计 8 3.1 XY 工作台的设计 8 3.1.1 主要设计参数及依据 8 3.1.2 XY 工作台部件进给系统受力分析 8 3.1.3 初步确定 XY 工作台尺寸及估算重 8 3.2 绕 XY 旋转工作台的设计 9 3.2.1 主要设计参数及依据
6、9 3.2.2 绕 XY 旋转工作台受力分析9 3.2.3 初步选定绕 XY 旋转工作台的尺寸及重量估计 9 3.3 沿 Z 向移动工作部分 设计 10第四章 滚珠丝杠副的选型与计算 10 4.1 滚珠丝杠的选型 10 4.2 滚珠丝杠副导程的确定 14 4.3 滚珠丝杠副的传动效率 15第五章 直线滚动导轨的选型 16 5.1 定位精度高 16 5.2 降低机床造价并大幅度节约电力 16 5.3 可提高机床的运动速度 16 5.4 可长期维持机床的高精度 16 5.5 直线滚动导轨副的计算与选型 17 5.5.1 滑块承受工作载荷 F max 的计算及导轨型号的选取 17 5.5.2 距离额
7、定寿命 L 的计算 17第六章 步进电机的参数与选型 18 6.1 步进电动机的特点 18 6.2 步进电动机的分类 18 6.2.1 反应式步进电动机 18 6.2.2 永磁式步进电动机 18 6.2.3 混合式步进电动机 18 6.3 步进电动机的参数及其选择 19 6.3.1 步距角的选择 19 6.4 电动机的转速与功率 20 6.5 各参素的确定 20 6.6 初选步进电动机型号 21 6.6.1 脉冲当量的选择 21 6.6.2 等效负载转矩的计算 21 6.6.3 等效转动惯量计算 21 6.6.4 步进电动机型号选择的计算 22第七章 轴、轴承及联轴器的选用 27 7.1 轴的
8、材料 27 7.1.1 轴的分类 27 7.1.2 轴的材料及选择 27 7.2 轴的结构设计 28 7.2.1 轴头、轴颈和轴身 28 7.2.2 轴上零件的轴向固定和定位 28 7.2.3 轴的周向固定： 28 7.2.4 减少应力集中的措施 29 7.3 轴承的选用 29 7.4 联轴器的选用 30第八章 连接部分 32 8.1 螺纹紧固件的联接画法 32致谢 34参考文献 35 第一章 绪论 五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服 驱动和精密加工技术于一体， 应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五 轴联动数控机床是 发电、船舶、航天航空、模
9、具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家工业化水平的标志。 国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲零件加工而出现的。 随着机床复合化技术的新发展， 在数控车床的基础上，又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资， 大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。 市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，CIMT99 展会上，国产五轴联动数控机床登上机床市场的舞台。自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以后，
10、北京机电研究院、北京第一机床厂、 桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业，相继开发了五轴联动数控机床。 当前，国 产五轴联动数控机床在品种上，已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心， 适应大小不同尺寸的复杂零件加工，还有五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等，基本涵盖了国内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、 宁江机械集团股份有限公司的 NJ-5HMC40 卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的 TH61160 卧式镗铣加工中心都具有较高的精度， 可与发达国家的产品相媲美。在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机床、北京机 电 研究院、宁江机床、桂林机床、北京一
11、机床等企业的产品，已获得国内市场的认同。 五轴联动机床通常价格很高，在学校利用毕业设计的机会制作一个五轴联动机构的模型不但对我们所学知识起到很好的巩固作用，同时如果将其完善可以做成实物作为教学之用，具有很好的现实意义。 第二章 总体方案的设计 2.1 设计任务 本次设计任务是设计一台用于实验室教学用的五轴联动机床主轴模型，机构组要部件为步进电动机、滚珠丝杠副、 滚珠直线导轨副、滚动轴承、工作台等。要求能 够用所设计 的模型清晰的反映出五轴联动机床一次完成加工各个工作面的工作过程，能够模拟出其控制刀架实现工件各个面加工的过程，设计时应兼顾各层次的安装尺寸和装配工艺。 2.2 设计方案的论证 以学
12、校数控实验室 XY 工作台为原型，在 XY 工作台上安装一支撑架用步进电机带动一平板使其绕 X 轴旋转， 用同样的方法在绕 X 轴的平板上安装一支撑轴用电机带动另一平台使其绕 Y 轴旋转，做成一个 类似陀螺仪的机构。最后，在绕 Y轴旋转的平台上安装一支撑架用电机带动滚珠丝杠副使其完成沿 Z 轴移动的过程，与自动换刀系统共同使用可以模拟出五轴联动机床的工作过程，不过在我的设计中不要求画出工作台沿 Z 轴移动的部分。 2.2.1 传动方式的确定 在整个系统中，第一部分 XY 工作台采用电机带动滚珠丝杠副控制工作台沿XY 方向的移动，第二部分采用电机带动轴用平键与托板的连接控制托板 3、4 分别做绕
13、 XY 轴的旋转运动。2.2.2 陀螺仪机构的设计 由于设计要求工作绕 XY 轴的旋转角度应达到 3060，所以在设计第三、四块托板高度的时候应注意要能让电机带动托板使其达到合理的旋转范围而不至于让其碰到底板；同时不至于将支撑板的结构设计的过高，造成布局不合理的情况。并在支撑板的合理位置安装传感器用于检测和控制托板使其在合理的工作范围内运动。 2.3 总体方案的设计及结构组成 根据设计要求，最终用如下图 2-3-1 五 轴联动机床主轴设计示意图的结构来实现图 2-3-1 五轴联动机床主轴设计示意图 第三章 XY 工作台及绕 XY 旋转工作台的设计 3.1 XY 工作台的设计3.1.1 主要设计
14、参数及依据 本设计的 XY 工作台的参数定为： 1）工作台行程：横向 800mm，纵向 400mm 2）工作台最大尺寸（长宽高）：1050650430mm 3）工作台最大承载重量： 20Kg 4）脉冲当量：0.001mm/pluse 5）进给速度：60 平方毫米/min 6）表面粗糙度：0.81.6 7）设计寿命：10 年3.1.2 XY 工作台部件进给系统受力分析 在 XY 工作台中，异步电动机 1 所受的作用力最大，应根据托板 2、3、4 的重量选用正确的电机型号。 XY 工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件 组成各自之间均以滚动直线导轨副相联以保证相对运动精度。 设下底座的传动系统
15、为横向传动系统，即 X 向，上导轨为纵向传动系统，即Y 向。 一般来说机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计但滚珠丝杠副以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施其产生的负载波动应控制在很小的范围。3.1.3 初步确定 XY 工作台尺寸及估算重 初定工作台 1 尺寸长宽 高度 为: 90024060mm，材料为 HT200，查资料得到 HT200 的密度为：7.9 千克/立方分米 所以，估算工作台 1 的重量 W1125N 工作台 2 的尺寸长宽 高度为 ：45024060mm，材料为 HT200。 所以估算的工作台 2 的重量 W280
16、N 3.2 绕 XY 旋转工作台的设计3.2.1 主要设计参数及依据 本设计的绕 XY 轴旋转工作台的参数定为： 工作台绕 X 轴的旋转角度 0 （3060） 绕 Y 轴的旋转角度 0 （3060） 初定： 绕 Y 旋转工作台的托板最大尺寸 ： （长宽 高） 310240150mm 绕 X 旋转工作台的托板最大尺寸 ： （长宽高） 270200135mm 绕 X 轴旋转工作台的尺寸 16016010mm 工作台最大承载重量： 10Kg 脉冲当量：0.001mm/pluse 表面粗糙度：0.81.6 设计寿命：10 年3.2.2 绕 XY 旋转工作台受力分析 轴 异步电机带动轴 3 旋转， 3 与绕 X 轴旋转的托板通过平键的连接传递动力，电机 3 需要承受的力包括使托板 4、5 转动所需的力以及板 4 中电机的重力，要求能通过电机的控制使其在合理的范围内正常的运转。3.2.3 初步选定绕 XY 旋转工作台的尺寸及重量估计 设绕 Y 旋转工作台的托板最大尺寸（长宽 高） ：310240
