立式铣削五轴五联动加工中心设计

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1、目录第一章 概述1.1 课题研究内容1.2 国内外相关技术现状-1.3 课题分工及简介第二章 技术支持及其发展趋势-2.1 虚拟制造的应用及发展2.2 相关软件介绍第三章 具体设计方案3.1 设计参数计算3.2 造型设计第四章 装配及其仿真4.1 零件的装配4.2 装配仿真第五章 设计结论及参考文献第一章 概述1.1 课题研究内容：本次设计的主要任务是立式铣削五轴五联动加工中心，它具 有较强的数控功能，可以加工各种复杂轮廓表面的工件。可作铣、 镗、钻孔等加工，广泛应用于机械制造业。它可以实现五轴控制、 五轴联动。主轴电机采用交流伺服驱动系统，可实现主轴的自动 无级变速。它采用了自动液压拉松刀结

2、构，使刀具交换方便快捷。 这一部分主要是主轴头的设计，主轴头可沿 X、Y、Z 三个方向移 动，并可绕 A（B）、C 轴作旋转运动，具有很大的灵活性，且加 工性能好。安装专用刀杆及附件，可以加工平面，斜面、螺旋面、 沟槽、花键、弧形槽等等。通过转动的主轴头，机床可实现铣削 空间前半球任意角度的加工它采用精密同步带传递主传动，采用 伺服电机实现摆动，该主轴头具有较高刚度，主轴转速变换范围 宽。主轴电机为28KW，采用高速钢或硬质合金刀具可进行高速度 的强力切削，主轴头与滑枕作成分离式，便于用户安装拆卸。主 传动采用变六变频的无级调速，便于用户选用适合的切削转速和 参数。这次设计的数据参数来源于桂林

3、机床厂，主要参数见下主轴锥孔主轴转速级数 主轴转速范围 主轴转数级数 主电机功率40 GB3838.1-83无级010000 rpm无级28KW加工中心其它部分参数如下工作台面积1600X 4000 mm工作台T型槽槽数9槽宽22 mm槽距160 mm工作台行程纵向X4000 mm滑枕行程横向 Y2500 mm垂向 Z1000 mm滑枕进给量范围纵向 X4000 mm横向 Y4000 mm垂向 Z4000 mmA 及 C 轴摆角A 轴100C 轴180A 及 C 轴转速05 rpm进给电机扭矩纵向 X39 Nm横向 Y26 Nm垂向 Z26 Nm机床体积（长X宽X高） 9400X4300X39

4、00 mm 机床净重38000 Kg1.2 国内外相关技术现状： 五轴联动数控加工中心是功能强，结构复杂，技术含量高的 机床，它广泛应用于航天、航海、汽车等领域，在现代工业中有 非常重要的应用价值。在五轴联动数控加工中心的开发过程中，自动万能铣头是关键技术，目前国内只有很少数几个厂家正在开发和生产自动万 能铣头，主要还处于搜集技术资料和研究阶段。而国外一些发达 国家中，自动万能铣头已经普遍应用于立式和龙门式数控铣床以 及数控加工中心。使铣床达到五轴联动，实现四面体和五面体加 工，可以大大提高铣床的自动化水平和工艺范围以及工作效率。 研究开发五轴加工中心要求具有较高的性能技术指标，不仅要具 有多

5、坐标复杂曲面的加工功能，而且还要满足高速度、高刚度和 高精度的要求。而发达国家在进出口技术含量高的五轴联动加工 中心方面，对我国进行限制，因此，五轴联动数控加工中心的研 究开发是一个难度比较大的项目。在我国现在比较先进的相关机床主要有：沈阳机床集团的 HS-60 卧式加工中心。主轴最高转速达 18OOOr / min,快移速度高达60m / min,加速度达lg。北京机床研究所的 KT1300VB 型立式加工中心，主轴最高转速达12000r / min,换刀时间为1.5s，快移速度为40m / min。北京机电研究院的VMC750 II/VMC1OOO II立式加工中心。它 具有以下特点：1）

6、先进的设计，用CAD/CA M系统完成最优的结构设计。2）高刚性结构，基础大件为铸件，主要零部件经有限元分 析，确保高刚性。3）主轴轴承采用进口的油气润滑装置进行油气润滑。4）采用凸轮机械手换刀，换刀时间仅2s。5）刀库容量24把。6）采用A210 0或FANUC数控系统，也可按用户需求选装。北京机电研究院的VMC750F/VMC750F II五轴联动立式加工中心。它具有以下特点：1）这种五轴联动立式加工中心是在立式加工中心上配置可倾 回转工作台，可对各种空间立体型面进行五轴联动加工， 特别适用于加工叶轮类零件，用于机械制造、航空航天、 汽车、摩托车、模具等高技术行业。2）加工范围大，工件安装

7、空间可达0420x0370x300。转台 台面在倾斜轴下40mm,工件安装偏离摆动中心距离小， 加工误差小，加工时Y轴附加行程减小。3）具有10个通道， 50个伺服轴， 8轴联动。此外，北京第一机床 ,桂林机床厂、北京第三机床厂等的数 控高速铣床，主轴转速均达 10 000rmin 以上。常州机床总厂 的五轴联动的数控龙门式加工中心采用电主轴最高转速 10O00r /min,功率18kW/15k。汉江机床厂和华中数控公司的5轴联动 的卧式加工中心。北京机床研究所的世界先进水平的高精度高速 数控车削中心，主轴回转精度小于0.2“m,主轴最高转速8 0O0r / min。本课题利用以设计为中心的虚

8、拟制造技术开发研制五轴联 动数控加工中心。虚拟制造技术是刚提出的面向 21 世纪的先进 制造技术，它是以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持， 在高性能计算机及高速网络中，采用群组协同工作，通过虚拟模 型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的 问题，在虚拟环境下实现产品制造的全过程，包括产品的设计、 工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与 控制。既在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能使人体会 或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以做出前 瞻性的决策与优化实施方案。1.3 课题分工及简介：本课题的具体内容分两部分：1）五轴联动数控加工中心的设计

9、方案进行虚拟建模，并在建 模的过程中不断发现问题、解决问题，进一步优化设计方案。本 课题采用 Pro/Engineer 软件对设计方案进行虚拟建模，完成整 个加工中心的虚拟装配，获得虚拟模型的可装配性、可制造性和 干涉检验等特性。2）加工中心虚拟模型进行运动学和动力学仿真，来模拟和评 估加工中心的功能、性能等各方面可能存在的问题，包括动力学、 运动学、有限元、精度、加工和装配性等虚拟仿真分析，得到接 近实际加工中心的设计参数、方案评价和制造成本等分析结果。 本课题将采用MDI公司的ADAMS软件和SDRC公司的I-DEAS软件 对虚拟建模的部分重要模块进行装配级产品的运动学及动力学 仿真及有限

10、元分析，并使用 Pro/Engineer2001 及 InventorR2 软 件对整机的装配模型进行装配及运动学仿真。考虑到每个人的具体情况及工作量，我们同组的六个人对整 机工作进行了分工：我主要负责主轴系统及C轴进给既滑枕的设 计造型极其装配仿真。第二章 技术支持及其发展趋势 本课题利用以设计为中心的虚拟制造技术开发研制五坐标 联动数控加工中心。在设计中还主要用到的相关软件有 Pro/Engineer2000i, Pro/Engineer2001 及 InventorR2 等。下面 就相关技术支持给予介绍。2.1虚拟制造VM (Virtual Manufacturing)的应用及发展虚拟制

11、造是一种新的制造技术，它以信息技术、仿真技术、 虚拟现实技术为支持，在产品设计或制造系统的物理实现之前， 就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从 而可以作出前瞻性的决策与优化实施方案。虚拟制造是一个集成的、综合的可运行制造的环境，用来改 善各个层次的决策和控制。这里的“综合”，指的是既有真实的， 又有仿真的对象、活动和过程，是一种混合的状态。“环境”，是 指提供的各种分析工具、设备以及组织方法，并以协同工作的方 式，支持用户构造特定用途的制造仿真。“运行”，指的是利用上 述环境进行构造和操作特定的制造仿真。“改善”，指的是增加其 精度和可靠性。“层次”，指的是从产品概念设计到

12、回收利用的各 个阶段、从车间级到执行位置的各个等级、从物质的转换到信息 的传递等各个方面。“决策”和“控制”，指的是进行改变而掌握 其影响，预测效果的真实性。虚拟制造技术的应用将从根本上改变现行的制造模式，对未 来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为：(1) 运用软件对制造系统中的五大要素(人、组织管理、物流、 信息流、能量流)进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集 成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也 推动了相关技术的不断发展和进步。(2) 可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利 于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制 造系统整体

13、进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。(3) 在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以 全面改进企业的组织管理工作，而且对正确做出决策有不可估量 的作用。(4) 虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。VM 可以分为以下几个类别：(1) 以设计为中心的 VM 。这类研究是将制造信息加入到产品 设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行数字化“制造”，仿 真多种制造方案，检验其可制造性或可装配性，预测产品性能和 报价、成本。其主要目的是通过“制造仿真”来优化产品设计及 工艺过程，尽早发现设计中的问题。(2) 以生产为中心的 VM 。这类研究是将仿真能力加入到生产 计划模型中，其目的是方便和

14、快捷地评价多种生产计划，检验新 工艺流程的可信度，产品的生产效率，资源的需求状况 (包括购 置新设备、征询盟友等)，从而优化制造环境的配置和生产的供 给计划。(3) 以控制为中心的 VM 。这类研究是将仿真能力增加到控制 模型中，提供对实际生产过程仿真的环境。其目的是在考虑车间 控制行为的基础上，评估新的或改进的产品设计与车间生产相关 的活动，从而优化制造过程，改进制造系统。VM 的技术特征虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术是在人类为改善人与 计算机的交互方式，提高计算机可操作性所进行的努力中产生 的。它是指综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设 备，在计算机上生成

15、的、可交互的三维环境 (称为虚拟环境 Virtual Environment)中提供沉浸感觉的技术。这里的“沉浸” 是指用户感觉其视点或身体的某一部分处于计算机生成的空间 之中。由图形系统及各种接口设备组成的，用来产生虚拟环境并 提供沉浸感觉，以及交互性操作的计算机系统，称为虚拟现实系 统。虚拟现实系统包括操作者、机器和人一机接口三个基本要 素，其中“机器”是指安装了适当的软件程序，用来生成用户能 与之交互的虚拟环境的计算机， “人一机接口”则是指将虚拟 环境与操作者连接起来的传感与控制装置。与其他计算机系统相 比， VR 系统可提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道(如 视觉、听觉、触觉、味觉等) 的人一机界面。 VR 系统不仅提高了 人与计算机之间的和谐程度，也成为一种有力的仿真工具。利用 VR 系统可以对真实世界进行动态模拟，计算机能够跟 踪用户的交互输入，并及时按输入修改虚拟环境，使用户产生身 临其境的沉浸感觉，并充分发挥他们的想像力，来提高所创造的 虚拟环境的性能。因此，并互性(Int erac tion)、沉浸性 (Immersion)和想像力(Imagination)成为VR系统在人一机关系 上的基本特征。这三个