五轴联动数控铣床设计【含5张CAD图纸、说明书】
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数控铣床设计
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毕业设计(论文)五轴联动数控铣床的设计学 院：专 业： 姓 名：学 号： 指导教师： 201年 6 月摘 要摘要现在，普通的三轴数控机床已满足不了人们对加工零件的更高要求。随着技术的发展，越来越多的国家已经开始重点研究并使用五轴数控机床。五轴联动数控机床是数控机床制造技术的标志性产品，是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。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。国际上把五轴联动加工技术作为一个国家工业化水平的标志。因此，研究五轴联动的技术是十分必要的。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 ：数控；五轴联动；丝杠传动AbstractAbstractNow, the ordinary three axis NC machine tool can not meet the higher requirements of the processing parts. With the development of technology, more and more countries have begun to focus on research and use of five axis CNC machine tools. Five axis linkage CNC machine tool is a manufacturing technology of CNC machine tools, and is the most difficult and the most widely used technology in the numerical control technology. Five axis machining center with high efficiency, high precision features. If the five axis linkage of high-end CNC system, but also to the complex space surface for high precision machining, more able to adapt to such as automotive parts, aircraft structural parts and other modern mold processing. International five axis linkage processing technology as a symbol of the level of industrialization of the country. Therefore, it is very necessary to study the technology of five axis linkage. The manipulator designed in this paper using cylindrical coordinates, can finish feeding, turning and other functions. Mainly by the manipulator hand, wrist, arm and body parts, with rotating wrists, arms stretching, arm movements and arm rotation of 4 degrees of freedom, can meet the general requirements of the industry. The manipulator is a hydraulic drive, 4 degrees of freedom and the clamping gripper driven by the hydraulic system, the design and implementation of various provisions of manipulator motion control, to simplify the circuit, save cost, improve work efficiency, improve productivity, at the same time in the circuit layout and planning combined with machinery manufacturing base, with asphalt manufacturing the feasibility of constantly making and circuit layout into a spatial structure, the structure of the manipulator is more concise and compact.This paper designed a five-axis machine tool spindle model, based on the XY table overlay two pallets, stepper motor drive shaft rotation to do so constitutes a similar gyro structure. Were achieved around the XY axis rotating table and move along the Z axis and then complete the table assembly of a screw up and down movement along the Z axis to the ultimate realization of the various surface processing tool. Main completed: overall structural design model, each shaft structure design and calculation, ball screws, bearings and linear motion guide the choice and strength analysis; stepper motor selection and analysis. Key Words：NC; five-axis linkage; screw driveI目 录目录摘要.I Abstract.II摘 要I第一章 绪论11.1课题研究背景与意义11.2国内外发展现状11.2.1国外发展状况11.2.1国内发展状况21.3五轴联动数控机床的结构类型31.4 本文的研究目的及主要工作5第二章总体设计62.1设计要求62.2主要技术参数62.3总体方案设计62.4本章小结7第三章 进给传动系统的设计83.1滚珠丝杠传动系统工作原理83.2垂直方向传动系统设计103.2.1Z方向滚珠丝杠的选择和校核103.2.2Z方向导轨的选择113.2.3Z方向装配图133.3X、Y方向传动系统的设计143.3.1滚珠丝杠的选型143.3.2直线导轨设计153.3.3联轴器的选型163.3.4装配模型173.4本章小结17第四章 电机的选型184.1步进电机介绍184.2参数计算184.2.1转速与功率184.2.2相关参数的确定194.3型号的确定194.3.1脉冲当量的选择194.3.2等效负载转矩的计算194.3.3等效转动惯量的计算204.3.4步进电动机型号选择的计算204.4本章小结23第五章 其他关键部件的设计24 5.1床身（底座）的设计245.2立柱设计245.3工作台的设计255.3.1尺寸确定及估算255.3.2绕轴旋转的设计255.4装配总图265.5本章小结26结论27参考文献28致谢30III第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题研究背景与意义 自2002年以来，中国已成为世界机床消费第一大进口国，出口逆差严重，高档，大型，精密，高速数控机床和数控系统进口依赖是比较明显的。同时，随着科学技术的飞速发展，普通的三轴数控机床不能满足人工们加工零件工作，人们提出零件加工的更高要求。目前，中国进口高档，大型，精密和高速数控机床的73以上，中国汽车制造装备的83以上，汽车发动机生产线的比例85以上依赖进口，并在高档数控机床采用的数控系统几乎是百分之百依赖进口。 长期以来，西方发达国家一直把五轴联动数控技术作为重要战略物资控制起来出口，发展中国家在五轴联动机床的开发和推出两个方面遇到了很大的阻力，因此研究五轴联动技术，对提高国家的综合国力影响深远。1.2 国内外发展现状 1.2.1 国外发展状况目前五轴数控机床的主要出口国为欧洲，美国，日本，这些国家的数控机床代表代表了当今五轴数控机床发展的最高水平。根据近年来对展示机产品的中国国际机床展览会，该展会展品的特点是：突出的智能功能，提倡低碳和绿色制造方法，灵活，柔性，五轴联动，高精度高速依然是数控机床发展主流，自动化程度高，机床的发展以安全，友好的人机体验为深入发展的主流。GF阿奇夏米尔MIKRON HPM 450U高性能五轴加工中心是适合质量，数量和复杂度的部分有很高的要求，加工中心的结构稳定性和直接驱动旋转/摆动轴它可以在任何过程中完成重载粗加工到精确的抛光工艺。在450U高性能加工中心的旋转摆动工作台可以保证无限制五轴加工。 MIKRON HEM500U高效轴立式五轴加工中心是专为阿奇夏米尔在单件或小批量生产精密件而设计设计的高效五轴立式加工中心。加工中心利用落地床身滑枕结构，两个线性轴由刀具移动实现，以确保高的动态性能和精度实现的。 MIKRON HEM500U具有12000转的主轴转速，加T可提供效率和精度平衡而新设计的旋转/旋转台，以满足5面体零件的所有要求。德国DMG公司的DMU40evo高端五轴加工中心，其突出特点是X轴和Y轴为新的龙门式结构。导轨距离非常短，并且因此整个工作区域保持非常高的刚性和硬度不变。与传统的龙门式结构相比，龙门式构架优化从侧面接近性能显著改善。即使加工中心配备自动化系统，也能够保证接近加工区的性能。新的设计允许机器以减少所需的空间，同时也增加了加工区。保留了经验成熟的摆动回转工作台，现在允许装载300kg。还有为铣削车削复合加工技术提供扭矩电机驱动的工作台。 DMU 40 EVO配置标准滚珠丝杆，快速移动60m/min，与X轴Y轴的高动态性能版陪了90m/min的快速进给直线电机。主轴速度从15000到25000RPM。 1.2.2 国内发展状况中国的五轴机床比其他国家尤其是欧美和日本起步较晚。由于中国的工业基础薄弱，与国外同类产品相比，我国的五轴联动数控机床是国外比较低的水平，与国外同类产品的稳定性，精确度比较来说差别较大。沉阳机床厂研制的VMC-MU系列五轴联动高速加工中心，配备高速电主轴摇篮转台，具有高速度，高加速度和高刚性等特点。可以实现高速，高精度的切割，高品质的加工面，适合加工高速模具、航空航天和医疗设备行业所需机械。该系机器采用龙门框架结构，高刚性，精度保持好。转台直径可达800mm，最大承重为1t。南京第二数控机床有限公司制造的SPM-5五轴高速加工中心，工作台面尺寸250mm*250mm，X / Y / Z轴250mm /200mm/190mm行程，进给速度10 -5000mm /min，快速进给高达15000mm/min。机床主轴为电主轴，采用进口高精密轴承，以确保整体的精度和转速要求。天津大学采用3-RPS并联机构为原型，创新设计了内副驱动，与新的坐标并联电源专有头-A3头对头为功能核心，以两个平动工作台开发相结合，打造高速大型航空结构件的高速、高精度加工的，五轴联动机床加工。1.3 五轴联动数控机床的结构类型五轴加工是指在一台机床上至少有五个坐标轴（三个直线坐标和两个旋转坐标），而且可在计算机数控(CNC)系统的控制下同时协调运动进行加工。1、摆动+回转复合主轴头型 摆动+回转头型复合五轴数控机床两个旋转轴都是刀具的运动，由一个复合主轴头实现的。包括安装在主轴前端的主轴头可绕Z轴主轴头（C轴）和主轴头360可安装围绕转台的X轴或Y轴旋转（A或B轴）构成，如图1-1所示。这种类型的五轴联动机床有米克朗HPM 1850U和意大利Paoino巴奇的master系列。 当使用复合头类型的五轴数控机床球磨表面上的，主轴相对于工件能以一个角度旋转，使球头铣刀避免切割零线速度的顶点，满足高精度表面加工表面质量要求。这种类型的机床可以进行在其中安装工具主轴头可更长的主轴结构超过一个可以根据不同的工艺要求进行选择和切换，还能根据需要选择主轴头的不同的速度和扭矩根据1-2中所示的处理。 图1-1 运动模型示意图 图1-2 Bacci Master 4P82、主轴头摆动+工作台回转混合型主轴头摆动+工作台回转型轴的数控机床两个旋转轴摆动从主轴头侧（A / B轴）和在旋转工作台的一侧（C轴）工件以完成工具。通过主轴为旋转轴，再加上表旋转轴到5轴联动加工摆动。主轴头可以摆动以实现所述工具的摆动，它也可以牢固地夹紧，它被定位在摆动角度，如图1-3所示的范围的任何地方。这种类型的机器有德国公司德克尔马豪DMC75V线性/ DMC105V线性等。工作台能承受更大的重量，但也可以使用标准托盘，中等轴数控机床大多是现在用。这也是本设计中采用的五轴联动结构。 图1-3 运动模型示意图 图1-4 DMG DMC 75V linear 103、摆动+回转复合工作台型摆动+回转复合工作台型五轴联动数控机床的两个旋转坐标轴都作用于工件，由设置在床身上即可以沿A或B轴摆动又可以沿C 轴回转的工作台来实现。旋转轴只作分度定位，并不参与切削轨迹插补运动。机床的A或B轴可在一定角度范围内摆动，C轴为360回转，可以在原有三轴数控加工机床基础上配备数控摆动回转工作台发展而成，如图1-5所示为瑞士Mikron公司在三轴数控高速铣削加工中心HSM 400的基础上改变工作台型式制造的五轴联动加工中心HSM 400U。复合工作台型的五轴加工机床有德国Roders 公司的RXP500DS/RXP800 DS，德国DeckelMaho 公司的DMU 70，瑞士Mikron 的HSM400U/HSM600U 和XSM400U/XSM 600U，以及德国Hermle的C30U/C40U/C50U/C42U等。 图1-5 运动模型示意图 图1-6 Mikron HSM 400U 61.4 本文的研究目的及主要工作本文中设计的五轴联动数控铣床，结构为一摆头一转台，可加换刀装置，加工零件种类为轴类零件的复杂曲面（既可以车削轴的外圆，又可以铣削轴上的复杂曲面），因为汽车上多用一端是轴类，一端是轴上的复杂曲面，转台为立式（既转台轴的方向为纵向），这样转台转动时，铣刀可以车削轴类零件，又可以加工轴上的复杂曲面。本文具体章节安排如下：第一章，介绍了本论文课题，即五轴联动数控机床的研究背景与意义，并分别综述了国内外在五轴联动数控车床方面的发展历史、研究现状与发展趋势，并引出了本文的主要内容。第二章，拟定整体方案，对其进行总体设计，确定传动方式。第三章，对XY工作台及绕XY旋转工作台进行设计，并对滚珠丝杠和直线导轨进行相关计算第四章，确定电机的型号并进行相关计算和选型。第五章，铣刀头的设计第六章，相关连接件的设计和计算。29第二章 总体设计第二章总体设计2.1 设计要求要求设计的五轴联动数控铣床，结构为一摆头一转台，可加换刀装置，加工零件种类为轴类零件的复杂曲面（既可以车削轴的外圆，又可以铣削轴上的复杂曲面），因为汽车上多用一端是轴类，一端是轴上的复杂曲面，转台为立式（既转台轴的方向为纵向），这样转台转动时，铣刀可以车削轴类零件，又可以加工轴上的复杂曲面。2.2 主要技术参数运动名称符号行程范围行程X轴800mmY轴500mmZ轴B轴（摆动）C轴（转动）400mm-45150 0360工作台尺寸最大承载量550500mm20Kg精度定位精度重复定位精度0.012mm0.003mm表2-1 主要参数2.3 总体方案设计根据设计要求，经过考虑，本设计的五轴联动系统的结构主要是：工作台沿Y轴上下移动，同时可以沿Z轴转动，十字工作刀头沿X、Z轴移动，并垂直于Y轴。机构的移动部分采用滚珠丝杠，而工作台的转动则采用蜗轮蜗杆结构，动力输出部分采用力矩电动机。所设计的五轴联动数控铣床进给系统能夹住工件实现沿X轴平移及绕C轴转动，其主要由滑动支架、力矩电机系统及蜗轮蜗杆系统组成，铣刀头能够绕B轴摆动。2.4 本章小结本章针对五轴联动铣床的要求，对其进行总体设计，提出了设计的主要参数和机构的总体传动方案，为后续设计工作提供了理论依据。第三章 进给传动系统的设计第三章 进给传动系统的设计为了提高传动系统的灵敏度，定位精度和防止爬行。五轴联动数控机床必须减少传动系统的摩擦力，并且减少摩擦系数的静动差异。所以，行程不太长的直线传动一般采用滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副是一种新型传动装置，通过它可以实现直线运动和回转运动的转换。滚珠丝杠螺母副可以预加载以用来消除反向间隙，有利于提高定位精度和刚度。本设计中沿X、Y、Z轴的直线移动均采用滚珠丝杠和螺母的结构。3.1 滚珠丝杠传动系统工作原理滚珠丝杠螺母副是一种在数控联动铣床中广泛使用用来转换直线运动和回转运动的机械装置。这种装置的特点是在丝杠和螺母副之间放入滚珠，使丝杠螺纹和螺母螺纹与滚珠产生滚动摩擦。其作用是将回转运动转化为直线运动或直线运动成回转运动。在螺杆和螺母的圆弧状的螺旋形沟槽，它们一起形成一个螺旋形轨道。丝杠和螺母之间相对转动时，滚珠在轨道内滚动，在螺母滚珠返回导引装置的两端设置螺旋槽，滚珠自动通过入口返回形成一个圆形的循环。滚珠丝杠副具有高传输效率，运动平稳，使用寿命长等特点，广泛应用于各种工业设备，精密仪器和数控机床中。计算选择的滚珠丝杠时，由专门的工厂生产定制或购买。根据滚珠循环方式，滚珠丝杠可分为内部和外部的循环滚珠丝杠副，通过比较用于选择滚珠丝杠系统的各自的特点如下。如图3-1所示为内循环滚珠丝杠副，通过安装在螺母副上的反向器连接相邻的螺旋沟槽，滚珠球总是在循环回路和丝杠螺母接触，在螺母副开一个侧孔，孔内装有反向器使相邻螺纹沟槽连接，滚珠通过反向器旋入相邻的滚道，行成一个循环回路。因为内循环的封闭滚道只有一圈滚珠，所以滚珠数量少，流动性好，刚性高，摩擦损失小，径向尺寸公差小。内循环丝杠副缺点是内置反向器的加工处理困难。图3-1 内循环1丝杆 2螺母 3滚珠 4反向器如下图3-2所示为螺旋槽式外循环滚珠丝杠。滚珠在丝杠与螺母之间的滚道循环结束后，由螺母副的外表面上的螺旋槽重新进入滚道内循环。这种结构形式类型的螺母副，是在螺母表面铣出螺旋状槽，两端的出口与螺母副的滚道连接起来。螺母的滚道需要安装挡珠圈，起球的导向返回螺母滚道的外表面，循环到丝杠螺母副的轨道工作另一端上的螺旋槽内。这种结构的加工处理比在内循环滚珠丝杠要简单，所以机床传动中实际应用较多，但由于螺母副的外侧存在循环管道，所以径向尺寸比内循环要大，同时滚珠挡圈形状较为复杂且厚度小，易磨损发生形变。图3-2 外循环1丝杆 2回珠管 3滚珠 4反向器螺母这里选用螺旋槽式外循环螺旋传动作为系统XYZ轴水平传动的工作机构。3.2 垂直方向传动系统设计 3.2.1 Z方向滚珠丝杠的选择和校核由于本系统要求达到0.012/400mm的定位精度，根据此要求查阅滚珠丝杠样本，对于1级精度丝杠，任意400mm内导程允许误差为0.006mm。2级精度丝杠的导程允许误差为0.008mm。初步设计时先设丝杠的任意400mm行程内的行程变动量为定位精度的1/31/2，即0.0040.006mm。因此取滚珠丝杠精度为1P级精度丝杠。设滚珠丝杠的最大载荷Fmax=500N，摩擦因数=0.04，设位于其上的质量m=200Kg，则Fmin=fG=0.0420010=80N，则平均工作载荷： 设丝杠的最高转速为5000r/min，工作台的最小进给速度为1mm/min.故丝杠的最低转速为0.1r/min，则平均转速为： =故丝杠的工作寿命为：在式中： L工作寿命，以106r为一个单位，n丝杠转速，r/min， T丝杠使用寿命，对数控机床可取T=15000h，本例中取T=15000h。计算当量动载荷Cm为： =在式中： Kp载荷性质系数，无冲击取11.2，一般情况下取1.21.5，有较大冲击振动时取1.52.5。本设计中取Kp=1。Ka精度影响系数，对于1、2、3的精度的滚珠丝杠取Kp=1。 根据Cm=4.717KN，本设计采用深圳市赛瑞德精工机械技术有限公司提供的G系列滚珠丝杠副。其Ca=7.5KN，其具体性能指标如下表：(mm)表3-1 GGD系列滚珠丝杠螺母副尺寸表这里选用型号为G2004-3的滚珠丝杠。图3-3 Z方向丝杠模型 3.2.2 Z方向导轨的选择根据导轨摩擦接触表面的性质可分为滑动导轨，滚动导轨和静压导轨三种。其中粘塑料的滑动导轨和滚动导轨是数控铣床中最常用的导轨。支承构件和导向构件相对运动接触面之间加入滚动元件（如滚珠，滚子或滚针）的，使得两个轨道之间不是直接接触的导轨，称为滚动导轨。本设计中Z轴选择滚动导轨。滑动导轨多使用于言普通机床中，而在多轴数控机床中，滚动导轨具有以下优点：定位精度高、摩擦阻力小：滚动导轨的摩擦系数可以降低到滑动导轨的1/701/100，由于静摩擦力于动摩擦力之间相差非常小的，可以有效的防止爬行现象，运动更加灵活，可以减少95的驱动转矩，因此多轴数控铣床可以将定位精度设置为超微米级。运动平稳，能提高数控机床的移动速度：滚动导轨由于摩擦力小，因此发热量少，运动单元可实现高速运动，提高了传动系统的传动效率15%25。滑动导轨面大多数是用流体润滑，用于长期保持高精度的机床润滑液，由于浮动油膜，无法避免得到的运动精度误差。在大多数情况下，流体润滑主要出于边界封闭区域中，所以通过将金属接触所产生的直接摩擦无法避免在，大量的能量在摩擦损失被浪费。与此相反，滚动轴承因为是滚动接触，滚动表面摩擦损失较小，它可以使直线运动导轨传动系统长处于高精度状态。同时，导轨间使用润滑剂很少，在大多数情况下，它使用脂润滑就可以保证润滑效果，这使得使用设计和机润滑系统的维护都变得非常容易。因此，在导轨结构中选用：开式直线滚动导轨。滚动导轨的缺点是：导向面和滚动元件是点或是线接触，抗击震动性能差，存在接触应力较大的问题，因此导轨表面硬度要求高，对导轨和滚动元件的尺寸精度和形状精度要求苛刻。工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。在设计中处于工作台底层的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。由于考虑到最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： 有前面计算得Fmax=360N。导轨计算公式为在式中： L滚动导轨的预期寿命KM；C额定动载荷N；F导轨块上的工作载荷N； fH硬度系数，当导轨面硬度为5864HRC时，fH =1.0；为55HRC时， fH=0.53；fH温度系数，工作温度为1000C时，Tf=1.0；为2000C时，Tf=0.73； fC接触系数，装两个滚动导轨块时，Cf=0.81，装三个时，Cf=0.72，装四个时，Cf=0.66； fW载荷系数，无冲击振动，v5m/minu时， fW=11.5，15v60m/minu时，fW=1.52。此设计中根据实际情况和计算可选择出下列参数： fH =1.0，fT=0.73， fC=0.81，fW=1.2， F=360N；所以L=960mm查表可得，根据工作载荷Fmax=360N，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSALS型，具体型号为LSBSA45。其额定载荷Ca=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN因为X向的导程为800 mm，Y向的导程为400mm,查表可得，考虑到工作行程应留有一定的余量，查表可得，按标准系列，导轨的长度1000400mm。图3-4滚动导轨模型设滚珠丝杠的最大载荷Fmax=500N，摩擦因数=0.04，设位于其上的质量m=200Kg，则Fmin=fG=0.0420010=80N，则平均工作载荷： 3.2.3 Z方向装配图图3-5部分装配模型3.3 X、Y方向传动系统的设计在五轴联动系统中，其第一层和第二层的工作台都是在步进电动机的控制下，运用滚珠丝杠副将步进电动机的旋转运动转变为直线运动，在滚珠丝杠带动下是工作台沿XY方向做直线运动。同时需要考虑的设计要求为工作台沿X向的有效行程800mm，工作台沿Y向的有效行程400mm。 3.3.1 滚珠丝杠的选型轴向负荷计算公式：式中F切削力，F=0W工件重量加工作台重量，W=455NU滚动导轨上的滚动动摩擦系数，约为U=0.005Fa=0.005463=2.315NXY工作台滚珠丝杠是在低速条件下工作的。故本处的Go=（0.2-0.3），Fa=2.315N。对照样本参数，这里的Go非常小，选定导程为6的滚珠丝杠副。根据机床的受力情况及结构尺寸，其安装尺寸启东润泽机床附件有限公司生产的FL、LL系列滚珠丝杠副，其中FL为浮动反向器内循环式滚珠丝杠副。两种丝杠副均为双螺母结构，采用螺纹调整预紧，安装连接尺寸完全相同，具体型号如下：X向选择型号FL3206900800；Y向选择型号为FL2506450400。尺寸参数参见下表。规格代号公称直径d0公称导程Ph0丝杠外径d1钢球直径Dw丝杠底径d2循环圈数基本额定负荷螺母安装连接尺寸动载荷Ca(KN)静载荷Coa(KN)D1(g6)D2()L2D3BL13206900800356323.96882513.237.4601228010352506450400266243.51710.422.2459562825表3-2 滚珠丝杠参数表图3-6 滚珠丝杠部分结构示意图 3.3.2 直线导轨设计这里两个方向采用与垂直方向同样型号的导轨，如图所示。导轨为铝塑料合金氧化，滚珠轨道为淬硬的滚动轴承刚。图3-7 导轨及滑块模型 3.3.3 联轴器的选型联轴器是连接伺服电机和滚珠丝杆之间的连接件，丝杠的回转运动通过联轴器实现和伺服电机的同转速同轴回转，联轴器的型号和加工精度对传动系统会产生影响，联轴器的选择不仅能简化传动结构、降低噪音，还能降低传动间隙和提高传动刚度。联轴器的选择类型可根据传动系统的载荷大小和转速高低，丝杠和伺服电机的安装精度等选用。考虑以下具体选择：考虑所需传递转矩大小和对缓冲力矩改变性能的要求，齿轮联轴器的符合大功率重载荷传动。轮胎式联轴器具有高弹性，适合冲击载荷和消除扭转震动传动。高传动转速时，选择平衡精度高的联轴器。 考虑到传动过程中的过载现象和伺服电机启动时的动载荷，所以应当按轴上的最大转矩作为计算转矩Tca，计算转矩公式为：Tca=KAT，式子中Tca为公称转矩，单位为Nm；KA为工作情况系数。其中Tca=9550P/n，可算出Tca=2*9.55*2.2/5000=0.84Nm.根据前面丝杠的选型，d=25mm，Tca=0.84Nm，n=5000r/min，确定联轴器的型号为LK2-112-2022M。图3-8 联轴器模型 3.3.4 装配模型图3-9 Y方向装配模型图3-9 X方向装配模型3.4 本章小结这一章主要介绍了传动系统XYZ三个方向的器件选择及型号确定，以及相关的三维建模。第四章 电机的选型第四章 电机的选型4.1 步进电机介绍 设计选择步进电机。步进电动机也称为脉冲电机，是传动电动机的一种，是将电脉冲信号转换成机械角位移的动力机构。输入脉冲的数量是正比于步进电机输出的角位移，机械转动在时间上与脉冲同步。因此，只要控制输入脉冲，包括数量和频率，还有电动机绕组排列方式，就可以控制转速转动角度和转动方向。电机中的绕组丝在没有电流的激励之下，步进电机可以自锁。步进电机的主要优点是简单的结构原理、低廉的市场价格和相对容易的制造工艺。其转子惯性小，动态响应快，启动停止、正传反转和无级变速易于实现。缺点主要表现在：低频时易发生震荡现象，均匀的速度难以实现的，在高速的输出转矩降低。步进电机种类根据运动的类型可分为旋转步进电机和线性步进电机。根据输出转矩的大小可分为快速步进电机和功率步进电机。根据激励绕组激励相绕组可分为两相，三相，四相，五相和六相步进电机。根据步进工作原理可以分为反应式步进电机，永久磁铁式步进电机和混合式步进电机。4.2 参数计算 4.2.1 转速与功率同一功率的异步电机有几种转速。根据日常生产中的经验，价格低电动机主要参数是同步转高，磁数极对少，外廓尺寸小，而价格愈高电动机类型为转速小，外廓尺寸大，磁极对数多。在一般机械中，用得最多的是同步转速为1500转/min30000转/min的电机。功率选择对电动机的工作是否正常和经济性优良都有重要影响。功率选择不合理，不在满载下运行，电动机功率和功率因数都较低，造成很大的浪费，若功率选小，不能保证正常的工作所需的转动力矩或使电动机处于过载状态。故电动机的功率需要略大于生产机械要求。即PNPN/cFPN-生产机械的负载功率；c-电动机与生产机械间传动装置的效率。带传动时，c=0.980.99F-生产本身的效率 4.2.2 相关参数的确定根据前面的设计和工作要求，相关参数如下：1、各拖板重量W455N2、拖板与导轨贴塑板间摩擦系数U=0.123、最大走刀抗力FZ（与运动方向相反）=200N4、最大主切削力FY（与导轨垂直）=250N5、拖板进给速V1=10500mm/min6、车刀空行程速度V2=200 mm/min7、滚珠丝杆导程L=6mm8、滚珠丝杆节圆直径35、26、20mm9、丝杆总长L=1000mm10、定位精度正负0.012mm4.3 型号的确定 4.3.1 脉冲当量的选择脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离=0.01mm/（输入一个指令脉冲工作台移动0.01毫米）。步进电动机的步距角为0.75/1.5，当选择运行方式为三相六拍时，步距角=0.75，电机每工作一转的脉冲数S=360/0.75=480p/r，步进电动机与滚珠丝杆间的传动比ii=L/s=6/0.01480=1.25。 4.3.2 等效负载转矩的计算空载时的摩擦转矩TT=uwl/2I =0.064550.2/23.140.81.25 =0.81N.m 4.3.3 等效转动惯量的计算滚珠丝杆的转动惯量Js=d04lp/32=3.1417.8510=8.110拖板的运动惯量Jw=0.188 4.3.4 步进电动机型号选择的计算确定步进电机选型步骤为：根据步进电机的传动计算和选择的型号，步进电机转轴上的总转动惯量J。计算不同工况下加在步进电机转轴上的等效负载转T；取其中最大的等效负载转矩，作为确定步进电动机最大静转矩的依据；根据运行距频特性、起动惯频特性等，对粗选的步进电机进行校核。1、加在步进电机转轴上的总转动惯量J是进给系统伺服系统的主要参数之一，它对选择电动机具有重要意义。J主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等。J的具体算法如下：丝杠的转动惯量：设丝杠的质量m20NJ=2.510N/m2、步进电机转轴上的等效负载转矩T步进电动机转轴所受的负载转矩在不同工况下是不同的。通常考虑两种情况:一种情况是快速空载启动（工作负载为0），另一种情况是承受最大工作负载。则有：（1）快速空载起动时电机转轴所受的负载转轴TT=T+T+T =0.654+6.52=7.17NmT快速空载起动时折算到电机转轴上的最大加速转矩，单位NmT移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位NmT滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，单位NmT=J=0.654 Nmn=1250r/minv纵向空载最快移动速度，在系统中为6000mm/min；步进电机的步距角，为0.75；脉冲当量，为0.01mm/minJ步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为Kg.m 电动机转轴的角加速度，单位为 rad/sn电动机的转速，单位为r/min;t电动机加速所用时间，单位为s,一般在0.31 之间选取。取t=0.5s移动部件运动时间折算到电机转轴上的摩擦转矩：T=6.52N.m式中F导轨的摩擦力，单位为N； P滚珠丝杠导程，单位为m； 传动链的总效率，一般取=0.70.85； i总的传动比，i=n/n,其中n为电动机转速，n为丝杠的转速。其中上式中导轨的摩擦力为：F=0.18455=81.9N式中导轨的摩擦因数（滑动导轨取0.150.18）取=0.18 F垂直方向的工作负载，单位为N，空载时为0； G运动部件的总动力，单位为N.滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩； T=式中F滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷F的1/3,单位为N； 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取由于滚珠丝杠副的传动效率很高，所以由式算出的T值很小T和T比起来，通常可以忽略不计。（2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T：T =T+T+ T T=0.978N.m式中F为进给方向最大工作载荷，单位为牛顿T=0.128 Nm对于T是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，T相对于T和T很小，可以忽略不计。则有：T=T+T=0.978+0.128=1.106 Nm经过上述计算后，得到加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩:T= max7.17 Nm(3)步进电机最大静转矩的选定 考虑到步进电机的驱动电源受到电网电压的影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成失步，甚至堵转。因此，根据T来选择步进电机的最大静转矩是需考虑安全系数K。对于开环控制，一般应在2.54之间选取。选择K=3。步进电机的最大静转矩应计算公式：T=3=9.51N.m根据上述计算选择步进电机的型号为110BC380F，查表可得该型号电机的最大静转矩T=11.76 N.m，转动惯量为9Kg/cm.可见，满足式的要求。由于每层受到的工作台的重力越来越小，所以第二层的工作台使用的电机同样选择110BC380F，经计算第三四层选择异步电机的型号为90BF003。下面将所选用的两重步进电动机的型参数列为表4-1。型号相数步距角电压电流最大静转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量90BF00331.5/36051.961500150000.6110BC380F30.75/1.580611.761200120009表4-1 电机型号及参数4.4本章小结这一章主要针对电机系统参数计算及型号选择做了简单介绍。第五章 其他关键部件的设计第五章 其他关键部件的设计5.1 床身（底座）的设计机床的床身是是整个机床的基础部件，在机床的所有组成部分中占有非常重要的地位，其主要作用是支撑其他零部件。根据设计要求，回转工作台要在机床床身上完成沿Y轴的移动(Y轴行程500mm)并且床身上还要安装两个支撑横梁的立柱。其中移动采用两根直线导轨，滚珠丝杆安装在两导轨之间，滚珠丝杆的螺母座同定Y轴托板的底部,回转工作台同定在托板的上部。步进电机通过联轴器与滚珠丝杆直接联接。图5-1 床身建模5.2 立柱设计立柱的结构设计采用双立柱龙门结构，立柱主要是联接床身和横梁，并起到支撑横梁的作用。由前文小跨度龙门结构的设计方案提到的立柱设计基准，立柱的宽度以及立柱与横梁联接面的宽度耍尽量的放大。立柱的高度影响机床Z轴的行程，考虑到从立柱与床身的联接面到回转工作台上平面的距离和机床Z轴400mm的行程，从而确定立柱的整体高度。 在立柱满足刚度与精度设计要求的前提下,要通过在立柱内部添加适当的筋板来减小立柱的质量。图5-2 立柱建模5.3 工作台的设计 5.3.1 尺寸确定及估算设绕Y旋转工作台的托板最大尺寸（长宽高）：310240150mm，材料为HT200，查资料的HT200的密度为7.9千克/立方分米，所以，估算工作台3的重量W3=58N。 5.3.2 绕轴旋转的设计工作台的旋转主要是靠蜗轮蜗杆进行传动的。装配图如图所示。图5-3 工作台建模5.4 装配总图图5-4 装配总图5.5 本章小结这一章主要针对五轴联动铣床其他部分进行了设计。结论结论本次毕业设计中，主要做的是五轴联动数控铣床机械部分的设计，其中，工作台做X、Y方向的移动以及旋转运动，刀具做摆动和Z轴方向的运动，X、Y、Z的进给分别由三个步进电机通过滚动丝杠控制，刀具的旋转由电主轴控制。次设计中所选元件均为精密元件，其精度都很高，符合设计要求。 通过本次毕业设计，不仅锻炼了自己的查阅资料的能力，让我熟悉有关技术政策，熟练的应用国家标准，规范手册，图册等工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件的独立工作能力。还让我感觉到了团体的力量，遇到问题时，通过本小组讨论、分析和指导老师的指导，最终总能得到满意的结果。对如我们目前所掌握的知识，实际实践经验以及设计的时间，设计一台机床一个人不可能独立完成，需要我们彼此全力合作，才能真正发挥团体的力量。参考文献参考文献1王世刚.数字控制及其质量保证技术M.哈尔滨:哈尔滨地图出版社,2004.1-102张曙,HeiselU.并联运动机床M.北京:机械I:业出版社,2003.10-34.3陆启建,楮辉生.高速切削与五轴联动加工技术M.北京:机械工业出版社,2003.20-21.4李秦川,陈欢欢.李映,胡旭东.3-Pc (RR)N球面三自山度并联机构的运动学分析
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