五軸雕刻機機電結(jié)構(gòu)設(shè)計②—結(jié)構(gòu)設(shè)計-開題報告

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XX 工 學 院畢業(yè)設(shè)計( 論文)開題報告學 生 姓 名： 學 號：專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化設(shè)計(論文) 題目： 五軸雕刻機機電結(jié)構(gòu)設(shè)計②―結(jié)構(gòu)設(shè)計指 導 教 師: 20X 年 2 月 28 日畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000 字左右的文獻綜述文 獻 綜 述一、五軸雕刻機的簡介隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展, 普通的三軸雕刻機床已滿足不了人們對加工零件的更高要求。在 20 世紀 60 年代, 一些發(fā)達國家開始研制五軸數(shù)控機床。五軸雕刻機集計算機控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工于一體, 可高效、準確完成復雜曲面的加工, 特別是在曲軸等方面具有獨特的優(yōu)勢。由于五軸技術(shù)難度較大, 國際上通常把五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)作為衡量一個國家生產(chǎn)設(shè)備自動化水平的重要標志。長期以來, 西方發(fā)達國家一直把五軸聯(lián)動作為重要的戰(zhàn)略物資控制出口, 發(fā)展中國家在研發(fā)和引進兩方面都碰到了很大的困難，為打破國外的技術(shù)封鎖, 需要我們自主創(chuàng)新 ! 二、工作原理五軸加工是指在一臺機床上至少有五個坐標軸，三個直線坐標和兩個旋轉(zhuǎn)坐標，而且可以在計算機數(shù)控系統(tǒng)的控制下同時協(xié)調(diào)運動進行加工。五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)，是數(shù)控技術(shù)難度最大、適用范圍最廣的技術(shù)，其集計算機控制、高性能伺服驅(qū)動和精密技術(shù)于一體，主要應用于加工品質(zhì)要求很高的自由曲面的高效、精密、自動加工，是目前解決葉輪、葉片、螺旋槳等復雜曲面加工的重要手段。這樣五軸聯(lián)動數(shù)控加工與一般的三軸聯(lián)動數(shù)控加工相比，主要有 1)提高加工質(zhì)量和效率，2)擴大工藝范圍，可以用于復雜曲面和斜空斜面的加工；同時，五軸加工也存在很多難點，需要在開發(fā)的過程中重點考慮的問題。三、機床設(shè)計1、五軸聯(lián)動現(xiàn)狀及其分析大多數(shù)高級的數(shù)控銑床的數(shù)控裝置都可控六根基本軸,即 X, Y, Z 三根運動軸和繞X, Y, Z 三根運動軸旋轉(zhuǎn)的 A、B、C 三根回轉(zhuǎn)軸。五軸聯(lián)動指的是在六根基本軸中, 機畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告床數(shù)控裝置能控制其中五根軸同時達到空間某一點, 通俗的講就是指其中五根軸能同時對某一點進行運動加工。根據(jù)機床實際情況, 五軸聯(lián)動通常是在 X、Y、Z 三根運動軸基礎(chǔ)上增加由 A、B、C 三個回轉(zhuǎn)軸中任意兩個回轉(zhuǎn)軸所組合的運動, 2 個回轉(zhuǎn)軸可以都配置在刀具切削頭部位( 通常稱擺動軸)或工件安裝部位(通常稱旋轉(zhuǎn)工作臺), 也可在這兩個部位上分別配置 1 個回轉(zhuǎn)軸。根據(jù)這些配置方式可以組合出的有效布局方案共有:雙旋轉(zhuǎn)工作臺的高速五軸機床, 它應用比較多的是銑鏜類機床。這種機床也有多個類型和品種, 較簡單的是在數(shù)控鏜銑床的工作臺上附加 A /B 軸轉(zhuǎn)臺, 配上相應的數(shù)控系統(tǒng), 實現(xiàn) X、Y、Z 三個直線運動和 A /B 軸兩個旋轉(zhuǎn)運動并可聯(lián)動。這種配置由于接合層次多, 剛性差些, 因此有專門將 A /B 轉(zhuǎn)軸的支座與工作臺或床身做成一體的。由于受安裝工件的轉(zhuǎn)臺的尺寸和重量的制約, 這種機床僅適用于加工中小這種機床僅適用于加工中小型工件。在刀具切削頭部位和工件安裝部位, 都配置 1 個回轉(zhuǎn)軸。這種五軸聯(lián)動機床由于轉(zhuǎn)臺可以是 A 軸、B 軸或 C 軸,擺頭也是一樣, 可以分別是 A 軸、B 軸或 C 軸, 所以轉(zhuǎn)臺加上擺頭式結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機床可以有各種不同的組合, 以適應不同的加工對象, 如加工汽輪發(fā)電機的葉片, 需要 A 軸加上 B 軸, 其中 A 軸需要用尾座頂尖配合頂住工件, 如果工件較長同時直徑又細, 則需要兩頭夾住并且拉伸工件來進行加工, 當然這里一個必要條件是兩個轉(zhuǎn)臺必須嚴格同步旋轉(zhuǎn)。這種型式配置的機床把旋轉(zhuǎn)軸分別放置于切削頭部位和工作臺安裝部位, 與使用雙旋轉(zhuǎn)工作臺的機床相比較, 優(yōu)點是剛性高, 工作臺的承載能力強。雙旋轉(zhuǎn)工作臺為一個串聯(lián)機構(gòu), 而且空間上受到限制, 無法設(shè)計得足夠健壯, 導致整體剛性不足, 若將旋轉(zhuǎn)軸分開在主軸頭和工作臺兩個部位,那么結(jié)構(gòu)剛性的問題便得到很好的解決, 工作臺的工作臺面積與承載能力也遠大于傳統(tǒng)的雙旋轉(zhuǎn)工作臺。雙擺頭式結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機床, 由于結(jié)構(gòu)本身的原因: 擺頭中間一般有一個帶有松拉刀結(jié)構(gòu)的電主軸, 所以雙擺頭自身的尺寸不容易做小, 一般在 400~ 500 mm 左右, 加上雙擺頭活動范圍的需要, 所以雙擺頭結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機床的加工范圍不宜太小, 而是越大越好, 一般為龍門式或動梁龍門式, 龍門的寬度在 2000 ~ 3000 mm 以上為好。畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告2、機床的選擇常見五軸機床的形式有雙擺回轉(zhuǎn)臺、雙擺頭和轉(zhuǎn)臺加擺主軸共 3 大類在保證整個系統(tǒng)機械剛性以及經(jīng)濟性的前提下，本設(shè)計采用龍門式結(jié)構(gòu)，運動方式采用龍門架移動、工作臺固定的運動方式。該布局，龍門及其上的 X，Z 軸機構(gòu)都要運動， 因此運動慣性較大， 要求 Y 軸步進電機的功率要大， 但是工作臺穩(wěn)定，可以裝夾質(zhì)量較大的金屬工件。如圖 1 所示， 由主軸組件在龍門架上進行左右移動(X 向)， 實現(xiàn)雕刻寬度；由龍門架與 Y 軸滑塊固定，在工作臺上進行前后移動（Y 向） ，實現(xiàn)雕刻長度；由主軸組件在龍門架上進行上下移動（Z 向） ，實現(xiàn)雕刻深度。機床結(jié)構(gòu)主要是 XYZ 運動平臺+AC 旋轉(zhuǎn)平臺的組合。此結(jié)構(gòu)下，五軸加工時由于 A 及 C 旋轉(zhuǎn)加工平臺較小，不能進行較大行程的五軸加工，但 A 及 C 旋轉(zhuǎn)加工平臺，可以很容易移開，即可進行較大行程的 XYZ 三軸加工，這也是機床開發(fā)功能性及經(jīng)濟性的一種表現(xiàn)。此時機床在設(shè)計上 XY 方向會有較大行程。主軸部分采用直流電機鏈接鉆夾頭， 夾持刀具直接進行切削。在系統(tǒng)各個方向的傳動件上我們均采用滾珠絲杠配合圓柱導軌的方式，保證了系統(tǒng)的精度。3、控制系統(tǒng)設(shè)計數(shù)控機床由數(shù)控加工系統(tǒng)控制，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，英文名稱為（Numerical Control system） ，簡稱 NCS，而目前控制方式，多是電腦進行控制，又簡稱 CNC（ComputerNumerical Control） 。其功能是根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機系統(tǒng)。通過利用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令，來實現(xiàn)一臺或多臺機械設(shè)備動作控制，其所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和開關(guān)量。CNC 系統(tǒng)的核心是 CNC 裝置。由于使用了計算機，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用 PLC 代替了傳統(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現(xiàn)復雜的數(shù)控功能，使用、維護也方便，并具有與上位機連接及進行遠程通信的功能。四、綜述機床設(shè)計過程中, 軸的聯(lián)動設(shè)計是其核心的部分, 不僅對控制部分有較高的要求, 機畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告械部分也是非常重要的, 它不僅決定了其功能, 更決定了其精度和加工范圍。此論文對五軸聯(lián)動機械部分進行了詳細的比較與設(shè)計, 既符合經(jīng)濟效益也同時滿足精度要求, 是一種比較適合于我國現(xiàn)階段數(shù)控機床發(fā)展的水平的設(shè)計思路。為數(shù)控機床軸的設(shè)計提供有普遍意義的設(shè)計方案, 為同樣進行五軸聯(lián)動設(shè)計的同行提供參考。隨著械加工技術(shù)的不斷推進, 以這種機械傳動鏈結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動銑頭會逐漸被以“ 零傳動”方面的五軸聯(lián)動銑頭取代, 但個人相信, 在今后幾十年中, 機械傳動鏈結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動數(shù)控機床, 在數(shù)控加工領(lǐng)域仍扮演著重要的角色, 推動我國制造加工業(yè)的發(fā)展。畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告參考文獻：[ 1]范宏才, 盛伯浩 . 多軸聯(lián)動機床 A /C 轉(zhuǎn)軸鏜銑頭結(jié)構(gòu)[ J]. 制造技術(shù)與機床, 2007, ( 2): 100- 103.[ 2]杜玉湘. 五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)和應用[ J]. 機械制造與研究, 2008, ( 6).[ 3]黃炳譽, 王成勇 , 秦哲. 模具高速五軸加工機床的結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)[ J]. 機械工程師 2008, ( 5) .[ 4]張惠敏,五軸聯(lián)動數(shù)控機床的設(shè)計(青島科技大學機電工程學院, 山東青島 266061)[ 5] 何曉東. 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