1、毕 业 设 计 论 文第 1 页 共 45 页五轴高速数控雕铣机-铣头设计摘 要随着制造业的发展，高速度、高效率、高精度和高刚度已经成为当今数控机床发展的主要方向。为了满足当前数控机床市场的需要，五轴联动铣头已经成为了当今一个重要的发展趋势。本次毕业设计的主要任务是五轴高速数控雕铣机的铣头设计。五轴头是五轴联动加工中心上所联接的一种装置。该机床具有很强的数控功能，可以高效率高精度加工空间曲面类零件，如各类模具、水轮机和汽轮机叶片、三元流离心压气机、船用螺旋桨和推进器及螺旋锥齿轮的关键设备。可一次装夹工件在多种空间角度进行铣、镗、钻等工序加工，加工各种具有复杂轮廓表面、型腔的工件，可作铣、镗、钻
2、孔等加工。广泛适用于各种机械制造业，特别是模具制造业。它可以实现五轴控制、五轴联动，高速运转。在掌握毕 业 设 计 论 文第 2 页 共 45 页PRO/E 软件的基本功能后，对机床的各部件进行结构设计、建模，然后，进行装配和运动仿真，达到设计的目的。关键词 五轴控制 五轴联动 虚拟制造技术 虚拟装配毕 业 设 计 论 文第 3 页 共 45 页ABSTRACTAlong with the development of the manufacturing industry, high speed,high efficiency, high precision and high rigidity
3、 have been the main developing trend of numeric-control machine tools. To meet the need of numeric-control machine tools development, five-axis head have become an important development trend now. The main task of the design is the design of 5-axis head.5-axis head is a kind of equipment in 5-axis W
4、ith strong numerical function, the machine tool is the key equipment in the efficient and high-accurate machining of curly-faced . work-piece, namely. Variation molds, vane of water turbine and steam turbine, ship-used propeller, promoter and gears. It can clip a work-piece going through milling, bo
5、ring and drilling, it can also process. A variety of work-pieces with complex outlook and cavities. It is capable of drilling and milling. It can be applied to all kinds of mechanic manufactures; especially molds manufacture. It can control five axis, simultaneous operate five axis. At a high speed
6、the spindle electrical machinery uses A.C driving system, which enables the spindle to vary speeds infinitely.毕 业 设 计 论 文第 4 页 共 45 页With a command of the baric functions of the Pro/E software, different parts of the machine tool are designed, assembled ， thus achieving the desired requirement.Keywo
7、rds control five axis simultaneous operate five axis virtualmade virtualassembly毕 业 设 计 论 文第 5 页 共 45 页目 录第一章 概述-61.1 国内外相关技术现状-61.2 课题研究涉及内容-9第二章 五轴铣头的结构设计-112.1 整体方案设计研究 -112.2 铣头内部结构细化设计及计算-132.2.1 A 轴传动的设计及计算-132.2.2 C 轴传动的设计及计算-21第三章 PRO/E 虚拟建模造型及装配-273.1 虚拟制造技术及其软件介绍-273.2 五轴铣头中零件的造型及装配-30第四章
8、技术经济分析-36设计结论及致谢参考文献毕 业 设 计 论 文第 6 页 共 45 页第一章 概述第一节 国内外相关技术现状五轴数控技术在数控加工领域里一枝独秀，它是连续平滑、复杂曲面加工的代名词，但该技术在全球范围内一直没有得到普及.五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的主要手段.早在 20 世纪 60 年代，国外航空工业生产中就开始采用五轴数控铣床。目前五轴数控机床的应用仍然局限于航空、航天及其相关工业。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。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家
9、生产设备自动化技术水平的标志。由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上的复杂性，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运，限制我国国防、军事工业发展。因而，研究五轴数控加工技术对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。与三轴联动的数控加工相比，从工艺和编程的角度来看，对复杂曲面采用五轴数控加工有以下优点：1. 提高加工质量和效率五轴数控加工中刀具有更灵活的位姿，可采用平头刀。平头刀加工是以面带成形，可以保证高速切削，因而加工后的表面更毕 业 设 计 论 文第 7 页 共 45 页连续光滑。五轴加工可以采用更大的行距和步距，因
10、而效率更高。2. 扩大工艺范围有些形状复杂的零部件，如导风轮、发动机上的整体叶轮，由于叶片本身扭曲和各曲面间相互位置限制，加工时需要转动刀具轴线，否则很难甚至无法加工。在模具加工中的某些场合，只有采用五轴数控才能避免刀具与工件的干涉。3.适应目前数控机床发展的新方向复合化近几年国际、国内机床展表明，数控机床正朝着高速度、高精度、复合化的方向发展。复合化的目标是在一台机床上利用一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。国外数控镗铣床、加工中心为适应多面体和曲面零件加工，均采用多轴加工技术，包括五轴联动功能。在加工中心上扩展五轴联动功能，可大大提高加工中心的加工能力，便
11、于系统的进一步集成化。五轴数控技术具有许多优越性，但到目前为止，五轴数控技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门，并且仍然存在尚未解决的难题。五轴数控技术久久未能得以广泛普及主要因为五轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位姿控制、数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。目前，五轴数控技术在全球范内普遍存在以下问题。1. 五轴数控编程抽象、操作困难五轴机床的数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。五轴数控加工的操作和编程技能密切相关，经验丰富的编程、操作人员的缺乏，是五轴数控技术普及
12、的一大阻力。2. 对 NC 插补控制器、伺服驱动系统要求十分严格五轴机床的运动是五个坐标轴运动的合成。因此要求控制器毕 业 设 计 论 文第 8 页 共 45 页有更高的运算精度。五轴机床的运动特性要求伺服驱动系统有很好的动态特性和较大的调速范围。3. 刀具半径补偿在五轴联动 NC 程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铣刀进行接触成形铣削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。4. 后置处理器五轴机床和三轴机床不同之处在于它还有两个旋转坐标五轴数控机床的后置处理器还有待进一步开发。从 1999 年开始，在 CIMT、CCMT 等国际、国内机床展览会上，首先是国内的五
13、轴数控机床产品纷纷亮相，国内五轴数控机床的市场逐渐打开，随后国际机床巨头纷至沓来，五轴数控机床的品种和数量逐年上升：CIMl99、CCMT2000 分别推出 3 台国产五轴联动机床；CIMT2001t4J 国际机床展览会上，北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速 10000rmin 的五轴高速龙门加工中心，北京市机电院的主轴转速 15000rmin 的五轴高速立式加工中心；清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的 XNZ63，采用标准 Stewart 平台结构，可实现六自由度联动；大连机床厂自行研制的串并联机床 DCB 一 510，其数控系统由清华大学开发，该机床通过并联机构实
14、现 x、l， 、z 轴直线运动，由串联机构实现 A、c 轴旋转运动，从而实现五轴联动，其直线快速进给速度可达 80mmin。这些机床均已达到国际先进水平，体现出我国机床工业为国防尖端工业发展提供装备的实力又有突破性提高。中国机床工业的发展，利用自己研制的高、精、尖产品参与国际竞争，打破了国际技术垄断，国际机床巨头们不愿失去中国这个大有潜力可挖的市场，于是蜂拥而来，把他们的产品“送上门来”：国外展团共展出五轴加工中心 8 台、五轴车铣加工中心一台、五轴数控刀具磨床 5 台。我国数控技术及其设备在各工业部门中的应用整体水平仍然偏低，与工业发达国家相比差距很大。为了实现“十五”规划的毕 业 设 计
15、论 文第 9 页 共 45 页发展目标，各部门迫切需要进一步大力发展数控加工技术，急需配置大量的各类工艺设备，尤其是数控机床设备。对于数控机床设备的主要技术要求是多轴、高速、刚性好、功率大；对坐标数的需求，以 35 轴联动为主。对于关键零件形状复杂的行业，如航空、电力、船舶、模具制造业等，其生产部门对多轴机床要求比例较大，新增五轴数控机床大约占数控机床总数的7080。我国机床制造业具备相当的实力，机械精度和可靠性方面在国际市场上都名列前茅。然而配套的五轴数控系统要么从国外进口，要么采用国内还不成熟的数控系统。总之五轴数控技术仍旧是一个薄弱环节。高校拥有雄厚的科研开发力量，是高科技的前沿阵地，若
16、与机床制造企业优势互补，强强联合，势必加快五轴数控技术的发展和产品化的进程。第二节 课题研究涉及内容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
17、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。本课题的设计任务是设计高速雕铣机的五轴联动铣头，它的毕 业 设 计 论 文第 10 页 共 45 页基本原理是在传统加工中心的三个移动坐标轴的基础上增加两个旋转坐标轴，使这种加工中心具有 X、Y、Z 三个直线运动的数控坐标轴和 A、B(C)两个旋转数控坐标轴，并且各坐标轴既可单独运动又可联动。本课题的设计方案首先是了解五轴铣头的运动及动力学方面的基本原理，其次是提出五轴联动铣头的整体设计方案，再对方案进行可行性分析后，逐步细化设计方案，并对所选的零件进行计算校核，用 CAD 软件画出工程图后，按图纸要求对所设计
18、的零件用 PRO/E 软件造型、装配，并在建模和装配过程中检验所设计零件的合理性，还有装配是否有干涉问题，使所设计的方案能尽可能的符合客观的实际需要。根据主轴的方向，传统的 CNC 加工中心通常被分为立式和卧式两类，本次设计的主要任务是立式铣削五轴联动铣头，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。主轴系统单元采用电主轴，实现高速切削对五轴铣头进行设计，使五轴铣头不但具有 X、Y、Z 三个直线运动的数控坐标轴而且还具有 A、B(C)两个旋转数控坐标轴，并且各坐标轴既可单独运动又可联动，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。本次设计的数据及来源：基本数据：工作台面积（宽长） 570400mm行程（X/Y/Z） 500*500*230mm
