电火花机床主轴附件头AB轴设计论文

河南理工大学本科生毕业设计（论文）说明书I摘 要本次毕业设计的题目是电火花数控机床主轴附件头 AB 轴设计。是在现有的电火花数控机床主轴三坐标联动的基础上增加了一个具有两个旋转自由度的主轴附件头，将其安装在原有的主轴头上，与原有的主轴组成一个整体，成为一个多自由度的主轴头，再通过对数控系统的升级，使该机床成为五坐标联动的数控机床。这样的双回转数控工作台可以沿 XY、Z 方向作平行移动，A 轴上能够在一定角度内连续旋转，B 轴也可以做旋转运动,且 A、B 两轴能同时运动，随时停止。不仅可以加工简单的直线、斜线、圆弧，还可适应更复杂的曲面和球形零件的加工。本课题研究的主要内容包括：确定主轴附件头的传动方案；驱动力计算及其他相关计算；零件设计与校核；零件图、装配图的绘制。关键词：数控；主轴附件头；五坐标轴联动；河南理工大学本科生毕业设计（论文）说明书IIAbstractThe graduation project is the subject of EDM CNC machine tool spindle attachment head AB axis design. It is a two spindle attachment head rotational degrees of freedom in addition to the existing NC EDM machine tool spindle three coordinate linkage, mounted in the spindle head on the original, form a whole with the original spindle, a spindle head of a multiple degree of freedom, and then through the numerical control system upgrade, so that the machine be five coordinate linkage CNC machine. Double rotary worktable that can parallel move along the direction of XY, Z, A axis can be rotated continuously within a certain angle, the B axis can rotate, and the A, B axes to move at the same time, stop at any time. Can not only process the simple line, line, arc, can also adapt to the machining surface is more complex and spherical parts.The main content of this thesis includes: determining the transmission scheme of spindle attachment head; driving force calculation and other related calculation; design and check parts; draw the part drawing, assembly drawing.Key words：The numeric controls, Turning round the work set, Five sit the mark and connect to move河南理工大学本科生毕业设计（论文）说明书III前言装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供了重要的手段，是不可缺少的战略性产业。即使发达工业化国家，也无不高度重视。随着生产力水平的发展，数控技术越来越广泛的应用于各个领域。数控机床是数控技术最普遍的应用。而数控回转工作台是一种可以实现圆周进给和分度运动的工作台，它常被使用于卧式的镗床和加工中心上，可提高加工效率，完成更多的工艺，它主要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成，并可进行间隙消除和蜗轮加紧，是一种很实用的加工工具。立式五轴加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴，设置在床身上的工作台可以环绕 X 轴回转，定义为 A 轴，A 轴一般工作范围+30 度至-120 度。工作台的中间还设有一个回转台，环绕 Z 轴回转，定义为 C 轴，C 轴都是 360 度回转。这样通过A 轴与 C 轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A 轴和 C 轴最小分度值一般为 0.001 度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。 另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕 Z 轴 360 度，成为 C 轴，回转头上还有带可环绕 X 轴旋转的 A 轴，一般可达90 度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量本次毕业设计主要是解决数控主轴旋转的工作原理和机械机构的设计与计算部分，设计思路是先原理后结构，先整体后局部。通过本次设计，可以锻炼学生查阅文献、设计计算、数据处理、编写技术资料、工程绘图等工作能力，使学生掌握科学研究的基本方法和思路。巩固和深化所学的专业课知识，培养自己独立分析和解决工程实际问题的能力，树立正确的设计思想，为以后从事设计工作打下良好基础。河南理工大学本科生毕业设计（论文）说明书IV目录前言第 1 章 绪 论 .11.1 五轴数控机床学术背景 .21.2 本课题的研究目的和现实意义 .31.3 国内外发展现状 .31.4 数控机床发展的主要趋势 .61.5 五轴联动数控机床 .71.6 本章小结 .8第 2 章 主轴附件头 AB 轴结构设计 .92.1 主轴附件头结构设计 .92.2 主要参数 .10第 3 章 电动机的选择与控制 .113.1 伺服电动机的特点 .113.2 伺服电机的原理 .113.3 伺服电机的种类 .133.4 A 轴方向上伺服电机的选择和及运动参数的计算 .143.5 B 轴方向上伺服电机的选择和及运动参数的计算 .153.6 本章小结 .16第 4 章 蜗轮蜗杆结构设计 .174.1 传动方案传动时应满足的要求 .174.2 传动方案及其分析 .174.2.1 蜗杆传动的特点 .174.3 A 轴方向上蜗轮与蜗杆设计 .184.3.1 蜗轮与蜗杆的选用与校核 .184.3.2 蜗轮与蜗杆的主要参数与几何尺寸 .214.4 B 轴方向上蜗轮与蜗杆设计 .224.4.1 蜗轮与蜗杆选用与校核 .22河南理工大学本科生毕业设计（论文）说明书V4.4.2 蜗轮与蜗杆的主要参数与几何尺寸 .244.5 蜗杆轴涡轮轴的设计 .254.6 夹紧机构的计算 .264.7 联轴器的选择 .284.8 轴承的选用 .284.9 本章小结 .29第 5 章 维修与故障分析 .305.1 操作 .305.1.1 启动前的准备工作 .305.1.2 操作顺序 .305.1.3 启动运行中注意的事项 .305.1.4 停车后的工作 .315.2 维护与保养 .315.3 故障分析和排除 .325.4 本章小结 .33第 6 章 总 结 .34致 谢 .36参考文献 .37河南理工大学本科生毕业设计（论文）说明书1第 1 章 绪 论毕业设计主要是培养学生综合应用所学专业的基础理论、基本技能和专业知识的能力，培养学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法。通过毕业设计，可树立正确的生产观点、经济观点和全局观点，实现由学生向工程技术人员的过渡。使学生进一步巩固和加深对所学的知识，使之系统化、综合化。培养学生独立工作、独立思考和综合运用所学知识的技能，解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力，从而扩大、深化所学的专业知识和技能。培养学生的设计计算、工程绘图、实验研究、数据处理、查阅文献、外文资料的阅读与翻译、计算机应用、文字表达等基本工作实践能力，使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路。使学生学会初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想、方法手段，树立做事严谨、严肃认真、一丝不苟、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识和团结协作的工作作风。1.1 五轴数控机床学术背景2011 年在北京举办的第 12 届中国国际机床展览会上，数控机床、加工中心、复合机床在装备制造业内已呈现出量大面广态势，这类工作母机在各类制造业已经普及应用，并清晰地表达出时代特征与发展潮流。柔性、复合、五轴联动、高精、高速化仍然是数控机床的发展主流。机床运动无论是并联运动机床，还是运动叠加串联机床，对大多数金属加工机床来说，数控进给复合运动的加工，是以直线轴加上回转轴的联动来实现。为了应对日益增多的复杂零件加工、提高加工精度和效率，多轴机床和复合机床将会进一步创新发展。因此在现代加工中心的开发中，数控回转轴的设计与制造，成为研制机床的核心任务之一，而数控回转轴，同时也起着承载工作重量、夹持工件的功能，故要重视其创新设计。河南理工大学本科生毕业设计（论文）说明书2中 国 国 际 机 床 展 览 会44.88213.950.99216.160.21819.3010203040506070观 众 人 数 （ 万 ） 展 会 交 易 额 （ 亿 元 ）2008年2009年2010年图 1-1 2010 年中国国际机床展览会数据统计据中国机床工具工业协会统计，2010 年我国机床工具产品进口总额为 157.2 亿美元，同比增长 62.0%，国内机床进口额与历史最高的 2008 年同期相比还增长了27.8%，创历史新高。进口的增长迅猛表明国内机床与国外机床的差距依然很大。图 1-1 是对 2010 年中国国际机床展览会数据的统计。图 1-2 1989-2007 年间中国金属加工机床产量的变化发展CITM2011 中国国际机床展调查报告显示，中外机床的差距主要体现在三个方面：机床加工精度（25.2%）、可靠性（18.8%）、机床内部电气控等配置（16.5%）。紧跟其后的是加工速度和外形方面的色彩、精美程度等，均占 13.1%（详见图 1-3）。由此可见，技术尤其是对精准度和可靠度是国外机床领先国内机床的优势来源。图 1-3 CITM2011 中国国际机床展调查统计CITM2011 中国国际机床展调查报告中 50%的受访者认为国产机床与国外机床的差距缩小了一些， 17.5%认为差距缩小了不少（详见图 1-4）。国内机床行业取得的巨大河南理工大学本科生毕业设计（论文）说明书3进步有目共睹，北京展会展出的十二类专项产品正是对国内机床行业成果的一次重大展示。图 1-4 CITM2011 中国国际机床展调查统计1.2 本课题的研究目的和现实意义近年来，我国在超精密机床的研究方面取得了一些可喜成绩，但对于一些关键零部件如高精度数控联动回转工作台等，与一些技术先进国家相比还有很大的差距。因此，开展高速、高精度多轴联动数控机床的研究是提高我国机床技术水平，促进经济和国家综合国力的需要。基于上述原因，本课题将对精密数控主轴附件头 AB 轴进行设计研究，它涉及到结构方案的设计及关键结构等问题的研究。1.3 国内外发展现状随着科学技术的进步和市场供求的需要，数控机床在装备制造业得到了广泛的普及，清晰的表达出了时代的特征，并成为了提高国际竞争力的关键因素。我国有关数控机床技术的研究起步于上世纪 70 年代。20 世纪 80 年代初，国内先后从日本、美国等国引进了一些 CNC 装置及主轴、伺服系统的生产技术，并陆续投入了批量生产，从而结束了数控机床发展徘徊不前的局面，推动了数控机床的发展。到 20 世纪 90 年代初，国内的数控机床及数控系统的生产具有了一定的规模，但前进中的数控机床产业正面临十分严峻的形势。国内最先研制出五轴联动加工中心是在 1999 年，代表作是当时江苏常州机床总厂开发出的定梁龙门式五轴联动加工中心。近年来，中国陆续推出五轴数控机床的厂家（如沈阳、大连、常州、桂林、北京、济南和齐齐哈尔等地的机床厂）越来越多。并在北京、上海等地举办了国际机床展览会。河南理工大学本科生毕业设计（论文）说明书4在 CIMT2008 展会上，中国的展品和参展厂家占多数，展出了 33 台被西方国家禁运的五轴联动数控机床。其中沈阳机床集团有限公司展出的 GMC2060u 桥式龙门五轴加工中心，采用桥式龙门框架结构，两侧采用伺服电机驱动，具有良好的定位精度和稳态响应特性。桥梁和工作台固定，刚性好，承载大，适用于大型工件复杂型面的加工。该机工作台面尺寸为 2000mm6000mm，承重 5000kg/m，X、Y、Z 轴快移速度 30m/min，A、C 轴回转速度10r/min（60r/min），主轴功率 45kw，转速 14000 r/min。可通过五轴联动实现对空间任意方向孔、面及复杂型面进行加工；主轴高转速，适合高速切削。机床采用全闭环控制，确保了机床的定位精度及精度的稳定。主轴设有恒温冷却装置，确保主轴恒温、精度稳定。在 CIMT2011 展览会上，有 28 个国家和地区的 1200 余家机床制造商踊跃参展，这次展会是目前为止世界机床制造业最新最高技术成果的展示，众多新品在 CIMT2011 展览会竞相展示。其中南通科技投资集团股份有限公司展出了 5DMCH63 卧式五轴联动加工中心、5DGBC50 五轴联动立式加工中心、VH1100 高速立式加工中心和 VMCL1100 新型立式加工中心。5DMCH63 卧式五轴联动加工中心采用了箱中箱结构和直线双丝杠高速同步驱动技术。其工作台采用了 3 套大扭矩力矩电机，A 轴配有 2 套大扭矩力矩电机，B 轴采用高速旋转的大扭矩力矩电机。回转轴采用了圆光栅尺反馈，工作台可以任意分度。5DMCH63 工作台尺寸 630mm630mm，转台承重 700kg，三向行程（x/y/z）900mm650mm800mm，快速移动速度 60m/min，切削移动速度 340000m/min，主轴转速 2018000r/min，A 轴摆动角度-30120，A 轴额定转速 110r/min，可绕 B轴 360回转，B 轴额定转速 46r/min，定位精度X0.007mm、Y0.005mm、Z0.005mm，重复定位精度X=0.004mm、Y=0.003mm、Z=0.003mm。转台定位精度 8“，转台重复定位精度 4“。5DGBC50 五轴联动立式加工中心采用高刚性的龙门型结构设计。内藏式主轴电机直接驱动机床主轴,最高转速 18000 r/min，该机工作台面尺寸为 500mm，承重400kg/m。三向行程（x/y/z）650mm700mm460mm，A 轴回转角度为-110110，C 轴回转角度为 360。X、Z 轴快速移动速度 40m/min，Y 轴快速移动速度河南理工大学本科生毕业设计（论文）说明书532m/min，A、C 轴快速回转速度 30m/min，主轴端面至工作台台面高度为200mm660mm。VH1100 高速立式加工中心主体结构采用门型结构，以增强机床刚性。工作台尺寸1200700mm，最大载重 1000kg，三向行程（x/y/z）1200mm900mm700mm，主轴端面至工作台台面高度为 100mm800mm，X、Y 轴快速移动速度 120m/min，Z 轴快速移动速度 80m/min。沈阳机床(集团)有限责任公司展出了 HTM40100h 车铣加工中心、GMC2590u 桥式五轴加工中心。HTM40100h 车铣加工中心属于国家重大专项产品，这台车铣加工中心体现了当今数控机床高效、高精、复合化的发展趋势，具有国际领先水平,是针对国内汽车、航天、军工等行业对高档数控机床的需求而研制开发的。与同类机床相比，具有以下特点：车铣复合电主轴最高转速达到 15000r/m