五轴联动精密铣床结构设计与优化毕业论文.docx

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目 五轴联动精密铣床结构设计与优化哈尔滨工业大学毕业设计（论文）任务书姓 名： 院 （系）：专 业：机械设计制造及其自动化 班 号：任务起至日期：2014 年 03 月 03 日 至 2014 年 06 月20 日毕业设计（论文）题目： 五轴联动精密铣床结构设计与优化 立题的目的和意义：通过本次毕业设计，达到培养学生综合应用所学知识，分析和解决工程实际问题，锻炼创造能力的目的，使学生在机械结构设计、cae分析、整机安全操控设计等方面得到进一步锻炼和提高，掌握符合潮流的机械产品设计方法。技术要求与主要内容：技术要求实现五轴联动，进而能加工比较复杂的曲面和实体模型，且能实现a轴摆动角度为100，c轴回转角度为360。五轴联动铣床的定位精度为0.015mm/500mm,全行程控制在0.020mm，重复定位精度为0.010mm。主要设计内容包括机床总体结构布局的方案设计、机床的的动力方案设计、主轴设计方案的选取以及对电机、减速器和联轴器的选取，并对行校核与有限元的分析，对必要零部件进行振动分析。进度安排：（从设计开始算起）第 1 2 周：搜集资料，熟悉课题，撰写开题报告，开题；第3 8周：提出几种满足设计要求的设计方案，确定最终的整体设计方案并完成装配图结构的设计及相关的计算；撰写中期报告，中期检查；第914周：完成整机工作过程的动画仿真设计，对设计中可能存在的不足，提出整改意见。第 15 周：撰写说明书；准备答辩，答辩。指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见：教研室主任签字_年 月 日各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英文翻译、完整版论文、程序、答辩ppt）可加qq695939903，如果需要代做也请加上述qq,代做免费讲解。81五轴联动精密铣床结构设计与优化摘 要数控机床是装备制造业的母机，是保证我国实现跨越式发展的战略装备。随着新科技的日新月异，高精度、高速度、高柔性和低损耗已成为当今数控机床发展的主要方向。因此，研究高速多轴机床的结构及其理论，更好地发挥高速多轴机床的性能和提高机床的效率就成了普遍关注的问题。本设计在参考大量国内外资料的基础上，通过对比分析最终确定了此次设计采用五轴联动龙门式铣床。主要运用solidworks三维软件对机床主要零部件进行了三维建模及总体组装，并利用solidworks中的cosmosmotion和animator插件对五轴联动铣头进行了运动仿真分析和对整机的三维动画演示，以便修改机床结构模型的参数及运动干涉的检查，驱动实体模型的更新，达到结构优化设计的目的。最后，利用其中的cosmosworks软件完成机床结构的有限元分析及振动分析，对机床主要零部件进行静态分析，以确定各零部件的静态变形和静刚度并对机床结构进行模态分析，得到各零部件的模态固有频率及振型，以此来评价整机及各零部件的动态特性。本设计主要进行自主研制五轴联动铣头结构，并针对机床的关键技术滚珠丝杠的选取及双导程蜗杆的设计进行了系统的分析、设计与校核计算。本课题的创新之处在于设计出了实用有效的五轴联动铣头结构，该结构采用了双导程蜗杆传动方式，解决了普通蜗杆传动因蜗杆啮合磨损造成的轴向间隙问题，有效的提高了机床加工精度。故本设计的研究对于数控机床的设计与分析有重要的理论与实际价值。关键词：数控机床；五轴联动；有限元分析；模态分析；solidworks各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英文翻译、完整版论文、程序、答辩ppt）可加qq695939903，如果需要代做也请加上述qq,代做免费讲解。the design and optimization of fiveaxis lingkage precision milling machine structureabstractmachine toolcnc machine isthe equipment manufacturing industry,is toensure the realization of the strategicequipment spanningdevelopment in china. with the development of newtechnologychange rapidly,high precision,highspeed,high flexibility and lowlosshas become the main directionof the development of cnc machine tools. therefore, the structure and theory of high speed multi axis machine tools, better play the performance of high speed multi axis machine tool and improve machine efficiency has become the issue of common concern.the design is based on the reference to large amounts of data at home and abroad, through the comparison and analysis of eventually determine the design using five axes linkage longmen type milling machine. the main application of 3d modeling and the general assembly on the main components of the machine tool for 3d solidworks software, and the five axis milling head of the motion simulation analysis and the animation demonstration of the use of solidworks in cosmosmotion and animator plugins, to modify the structure model of machine tool parameters and moving interference inspection, driving entity model updating, to achieve the goal of optimal design of structures. finally, complete the finite element machine structure analysis and vibration analysis using the cosmosworks software, static analysis of the main components of the machine tool, to determine the static parts of the deformation and stiffness of the machine tool and the structure of the modal analysis, get the modal natural frequencies and mode shapes of the parts, in order to evaluate the dynamic characteristics and the parts of the.this design mainly independently developed five axis milling head structure, aiming at the key technical tool selection of ball screw and double lead worm design is analyzed, the design and checking system. the innovation of this research is to design a practical and effective five axis milling head structure, the structure adopts double pilot cheng wogan driving mode, solve the ordinary worm gear worm axial clearance because of problems caused by wear engagement, effectively improve the machining accuracy of machine tool. so this design study for the design of nc machine tools has important theoretical and practical value and analysis.keywords : cnc machine tool; five axis linkage; the finite element analysis ; modal analysis ; solidworks 目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 课题背景及研究的目的和意义11.2 国内外研究现状11.3 主要研究内容及本次设计的重点41.3.1 主要研究内容41.3.2 设计的重点4第2章 机床主要结构方案选型及设计52.1 引言52.2 机床的的设计参数以及设计方案52.3 五轴铣头结构方案分析与比较52.3.1铣头结构分类52.3.2 铣头结构选型62.4 五轴联动铣床整体结构方案分析与比较102.5 本章小结14第3章 伺服进给系统机械传动结构的设计153.1 引言153.2 伺服进给系统机械传动结构设计的一般要求153.3 滚珠丝杠螺母副的原理及支撑方式163.3.1 滚珠丝杠螺母副的原理及特点163.3.2 滚珠丝杠螺母副的预紧173.4 滚珠丝杠的选型与计算183.5 伺服电机的选型与计算213.6 位移传感器的选取253.7 本章小结26第4章 五轴联动铣头结构的设计274.1 引言274.2 五轴联动铣头设计参数274.3 五轴联动铣头的动作实现274.4 蜗杆蜗轮副的设计与计算294.4.1 蜗杆蜗轮传动的优点294.4.2 蜗杆蜗轮传动的几何计算步骤294.5 本章小结32第5章 机床的运动仿真及其有限元分析335.1 引言335.2 机床的三维实体建模及仿真335.2.1 solidworks软件简介335.2.2 机床的三维模型的建立335.2.3 五轴联动铣头的运动仿真355.3 重要零部件的有限元分析静态分析365.3.1 有限元分析软件简介365.3.2 cosmos与ansys workbench分析结果比较375.3.3 主要部件的有限元分析395.3.3.1 工作台的静态分析395.3.3.2 龙门立柱的静态分析435.4 机床的有限元分析模态分析及结构优化455.4.1 模态分析基本理论455.4.2 机床立柱的模态分析与结构优化465.5 本章总结50结 论51致 谢52第1章 绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义上个世纪以来随着数控技术的发展、可靠性的提高和价格的下降，多轴联动机床的技术、品种和功能价格比有很大的提高。五轴联动数控机床是加工叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等不可或缺的手段，尤其是军工装备制造业更是亟需先进的机床设备。我国国民经济迅速发展和国防建设对高档多轴联动数控机床提出了急迫的大量需求。多年来，五轴联动数控机床的研制成为我国装备制造业亟待解决的问题。但是以美国为首的一些西方国家在这方面严格限制对我国的出口，严重制约了我国的机床技术的发展。在当前的国际形势下，中国机床行业鼓励企业开发研制五轴联动数控机床具有非凡的意义。数控机床是当代制造业的主流装备。我国数控机床经历30多年来的发展，现已颇具规模，机床已涉及超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域【1】。但与机床产业高度发达的国家相比，我国机床的总体制作水平还是存在着一定的差距，尤其是在我国，对于四轴联动以上的机床，大部分来自国外，再加上西方国家对我国在这方面的技术封锁，在一定程度上影响了我国数控机床的发展。不可否认的是对于高精密工件的加工，国产机床还有待提升。因此，对多轴联动机床进行研发十分必要，很多高校和企业已经进行了这方面的探索，本课题将提出一个五轴联动精密铣床的设计方案。本课题的研究成果，可以为数控机床结构设计和整机动态特性研究提出有建设性的方案参考。本课题的研究工作，必将有助于缩短新产品开发周期、提高新产品性能、降低设计成本，为推动机床工业的发展起到一定的促进作用和积极的意义。1.2 国内外研究现状五轴联动数控机床是上世纪 80 年代由西方发达国家研制并首先投入到工业生产中的，主要用于航空航天、精密模具、船舶用涡轮与叶片、电厂转子等大型复杂整体结构件的高速加工。虽然发展至今不足 30 年，但国外多家公司已经有较为成熟的产品系列。国际上五轴联动数控机床的主要生产厂家有德国的 dmg、ximmermann，日本的 snk（图11）、okuma，意大利的 fidia、jobs，法国的forestline 等。图11 snk sut6cnc切削机床国内对五轴联动数控机床的研制起步较晚，直到 1999 年的 cimt（中国国际机床展览会）上，江苏多棱数控机床有限公司才展示了国内第一台五轴联动数控机床【2】，揭开了国内机床厂对五轴联动机床研制的序幕。自此之后，国内多家机床厂先后研制出立式、卧式、龙门式和落地式等五轴联动加工中心，如北京机床研究所开发的高精度加工中心、交大昆机科技股份有限公司研制的 th61160、宁江机械集团股份有限公司的 nj25hmc40、沈阳机床集团股份有限公司的gmb3080wm 等。虽有一些产品问世，但国内大多数企业对五轴联动数控机床的开发尚处于研制阶段，未形成规模效应，同时机床精度与国外还存在明显的差距，主要表现在关键功能件与数控系统依赖进口，机床精度及保持性差，平均无障碍时间短等。以平均无障碍时间来看，国际水平是 5000h，台湾水平是 3000h，而我国沈阳机床厂平均无障碍时间低于 800h，差距明显国内对五轴联动数控机床的结构动特性研究目前还比较少，主要集中在机床生产厂与部分高校。北京信息科技大学的曹文平等基于对某型号五轴联动数控铣床的实验模态分析，得出该机床的结构动态特性，从而找出了机床的薄弱环节，为机床的动态设计与结构优化提供了依据。北京机械工业学院的李明、杨庆东利用有限元对 sky12160 五轴联动机床的整机与主要部件进行了动态特性分析，找出机床薄弱环节，并提出了结构修改方案。东南大学与江苏多棱数控机床厂进行合作，研究通过机床主振型的模态参数进行抑振调谐阻尼器的设计，使机床的动态性能进一步提高。以上所述为国内外传统五轴联动机床的发展状况，现在国外正在进行微型机床的辅助加工设计如美国的爱思唯尔科技有限公司的研究领域便是激光辅助微铣削工艺，主要用来加工硬质合金材料【3】。目前比较可行的辅助加工技术包括微雷射加工(microlasermachining)、电子束加工(electrobeammachining,简称ebm)和电射加工（lasermachining）等技术【4】。美国wtec (word teehnology evaluationcenter,ine.)和nsf(nationalseienee foundation)等机构于2002年共同出资,针对国际上non一mems微型加工技术研究发展现状与趋势组成考察团进行详细调研,并于2005年形成分析报告,调查分析报告指出,non一mems微制造技术将成为21世纪重要的新技术,它是连接微观与宏观制造领域的桥梁技术,是改变传统加工理念(加工时间、地点、方式)的技术,是改变生产力分配方式的技术(微制造可成为家庭手工业),它是增强美国竞争优势的战略性技术【5】。美国佐治亚理工学院、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、密西根大学和威斯康辛大学等都针对微小制造系统开展了广泛的研究【6】,一些研究成果已成功用于航空航天和生物医疗等领域。西北大学和伊利诺伊斯大学研制的微小型车床,其主轴转速可达到200,000rpm。而我国近期也研制成功了国内第一台超精密微细加工机床，如图1所示，该装置为三轴联动的超精密微小型铣床，运用直线电机直接驱动、气体静压导轨支撑的驱动方式；采用纳米级直线光栅反馈的全闭环、开放式数控系统；使用气体静压轴承支撑的高速电主轴，最高转速为160000rpm，实现亚微米级超精密定位和加工。现已在西安618研究所使用，大大提高了该研究所的研发和生产能力。图12 618所超精密微细加工机床因此我们可知，未来的工业生产会随着人们对高新技术的追求而步入“细微时代”【7】，令人期待的诸如微型管道机器人、超微型医疗机器人、人工智能心脏等的运用都将离不开精密微型铣床的发展和成熟。未来谁更早掌握了微型加工技术，谁便站在了工业制造的前沿。1.3 主要研究内容及本次设计的重点1.3.1 主要研究内容根据五轴联动机床的技术要求，结合国内外研究综述，本课题的主要研究内容包括：（1）机床总体结构布局的方案设计。怎样选择总体结构，是选择立式机床结构，还是选择卧式结构，并且选用合适的五轴铣头结构使其保证加工精度和结构的紧凑。（2）机床的的动力方案设计。初步设想用滚珠丝杠配合伺服电机作为动力和传动装置。（3）主轴设计方案的选取。是选取传统的纯机械结构还是马达和主轴作为一体式结构。（4）根据机床的整体结构设计来设计的其他外观尺寸，并组装其三维实体模型。 （5）对电机、减速器和联轴器的选取，用solidworks软件进行零件的设计与装配，并对主要部件进行校核与有限元的分析，对必要零部件进行振动分析。1.3.2 设计的重点（1）合理的机床结构和布局，是保证机床的工作性能的前提采用了高效的五轴联动龙门布局，其具有加工复杂轮廓表面、型腔工件的能力，xyz三轴采用了精密滚珠丝杆+直线导轨传动。并对其关键部件予以理论计算与校核，简化了机床结构，也提高了机床的刚性，同时也大大的提升了各轴的传动精度，加工精度显著提升。其中ac轴功能的实现，是通过具有双摆方式的五轴联动铣头来完成的，采用连续分度方式(注：a轴定义为绕x轴旋转，b轴定义为绕y轴旋转，c轴定义为绕z轴旋转)。(2) 双摆式主轴头的结构设计，提高了加工精度五轴联动铣头一直是五轴联动龙门式数控机床的瓶颈，本课题设计出高效实用的五轴联动铣头结构，它具有ac轴功能，其中c轴采用精密齿轮传动结构，而a轴采用蜗杆传动形式，此传动结构具有一定的轴向间隙补偿的功能，弥补了其它普通齿轮传动形式因齿轮啮合磨损造成的轴向间隙问题。 第2章 机床主要结构方案选型及设计2.1 引言 在需要加工大型零件或者具有复杂曲面的零件时，零件的装夹和校正作业成本很高。此外，对质量和精度的要求也在不断的提高。因此，解决的方案是用五轴联动机床，一次装夹，尽快完成加工，同时还要为漫长精加工作业做好准备。通常，用三轴或四轴机床是办不到的。在某些情况下，五轴联动加工提供了许多经济方便的优点。但是，作为这种用途的cam编程仍很昂贵，在投资于五轴铣床时应考虑这一点。2.2 机床的的设计参数以及设计方案本课题的五轴联动精密铣床设计的基本设计参数【8】如下：（1）五轴联动精密铣床的工作行程为：x/y/z轴行程分别为270mm/350mm/140mm，a轴摆动角度为100，c轴回转角度为360；（2） 机床的各轴工作速度：x/y/z轴快速移动速度为1000/1000/800(mm/min),a轴摆动速度为04(r/min),c轴回转速度为030(r/min)；(3） 五轴联动铣床的定位精度为0.015mm/500mm,全行程控制在0.020mm，重复定位精度为0.010mm；(4）工作台最大承载重量为30kg，采用内藏式电主轴，主轴转速为6000r/min,sk6刀柄【9】。2.3 五轴铣头结构方案分析与比较2.3.1铣头结构分类如下图21所示是常见的五轴数控机床的铣头结构，从中可以看出五轴数控机床安旋转轴的安装方式可以分为三大类：五轴双摆头机床、五轴摆头及转台机床、五轴双转台机床。龙门式五轴联动数控机床是当代机械制造业的主流设备，而五轴联动铣头是这类机床的核心部件。目前在五轴联动铣头领域中，西方图21 机床铣头结构的分类【8】国家中主要有意大利意萨（isa）公司和德国西泰克（cytec）公司比较突出，国内就数桂林机床股份有限公司做的比较专业化和系统化。2.3.2 铣头结构选型综合现有产品资料，本次设计拟定了三种五轴联动铣头的结构方案。方案一，直接由力矩电机（torqer motor）驱动，五轴联动的a/c轴全采用“零传动”结构。德国的西泰克公司的产品五轴头便是此类结构，如下图22所示。现在国内市场上也已经有才类似结构的产品。但是精度和控制方面距国外同类产品还有较大差距，主要由以下类型产品，如下图23所示。图22 德国西泰克五轴头图23 国内五轴头产品方案二，五轴联动铣头采用纯机械结构，a轴由双导程蜗杆驱动，c轴也是如此，见图24所示。此类结构的缺点是加工精度偏低且体积较大 ，外观造型比较笨重。图24 纯机械结构的五轴头 方案三，同方案二一样采用机械传动，但是a采用双导程蜗杆驱动，c轴则由精齿轮啮合驱动。初步构想示意图如图25所示。图25 铣头结构示意图对比分析上述方案设计可以看出，方案一的优点是结构十分的紧凑，体积小而且加工精度高，美中不足的是造价过于昂贵。但是，对于精度要求不高的场合可以采用双力矩电机来降低加工精度进而降低制造成本，如木工加工中心。五轴联动高速雕铣机结构便是此类应用【10】，如图26所示。 图26 五轴联动高速雕铣机方案三的结构特点介于方案二与方案一之间，通过以上对比分析，本设计采用方案三的结构设计较为合理和经济。a轴定义为绕x轴旋转，b轴定义为绕y轴旋转，c轴定义为绕z轴旋转，则本结构采用主轴部分可以绕a轴摆动，而整体结构则可以绕c轴旋转，同时z轴滑枕可以带动铣头部分沿z轴上下移动。2.4 五轴联动铣床整体结构方案分析与比较 2.5 本章小结本章主要根据机床整体性能要求对机床的总体结构和重要的五轴铣头结构进行了方案分析与比较，最终确定了结构的整体参数和重要部分的设计参数，为后续工作的展开定下了技术参考。机床的整体结构采用定梁动滑台龙门式结构，五轴铣头部分采用的是偏置双摆动铣头结构。第3章 伺服进给系统机械传动结构的设计3.1 引言伺服进给系统机械传动机构是指将电机的旋转运动转变为滑枕或者工作台的直线运动，主要包括引导和支撑执行部件的导轨、丝杠螺母副、锥齿轮副、蜗杆副及其支撑部件等。这部分的设计是本次设计的主要部分，在借鉴了大量国内外的资料后，设计了下面内容。3.2 伺服进给系统机械传动结构设计的一般要求由于进给系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精度和轮廓加工精度，因此，应满足以下要求：（1） 提高传动部件的刚度 一般来说，数控机床的直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转的定位精度和分辨率都要达到角秒级，如果传动部件的刚度不足，必然会导致传动部件产生弹性变形，工作台产生爬行、振动和反向死区，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应的快速性。关于机械传动机构的传动刚度，主要取决于丝杠螺母副、蜗杆副及其支撑结构的刚度。缩短传动链、合理选择丝杠以及丝杠螺母副的支撑部件等，施加预紧力是提高传动刚度的有效途径。（2） 高谐振为了提高系统的抗振性，应使机械传动部件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的23倍。（3） 摩擦阻力小 为了提高伺服进给系统的快速响应特性，保证其运动平稳、定位准确，除对伺服元件提出要求外，还必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差。机械传动机构的摩擦阻力主要来自丝杠螺母副和导轨。为了减小摩擦阻力，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨和塑料导轨【11】。（4） 减小传动部件的惯量 传动部件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影响，尤其是处于高速运转的零件，由于对进给系统的加速度要求较高。在驱动电机一定时，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响进给系统快速性的主要因素。因此，在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的重量、直径，以降低惯量，提高快速特性。（5） 无间隙 机械传动部件之间的间隙是造成伺服进给系统反向死区的一个主要原因，因此，对传动链的各个环节，如联轴器、齿轮副、蜗杆副、丝杠螺母副及其支撑部件等，均采用消除间隙的结构措施或施加预紧力。 3.3 滚珠丝杠螺母副的原理及支撑方式滚珠丝杠螺母传动属于滚动螺旋传动。滚动螺旋传动的滚动体有滚珠和滚子两大类，其应用最广泛的是以滚珠为滚动体的滚珠丝杠螺母传动。滚珠丝杠螺母副作为精密、高效的传动元件在数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等领域应用也很普遍，可作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。3.3.1 滚珠丝杠螺母副的原理及特点滚珠丝杠螺母副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其结构原理如图31所示。在丝杠和螺母上都有半圆形的螺旋槽，当他们套装在一起时便成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回珠滚道，将数圈螺旋滚道的两端连接成封闭的循环滚道，滚道装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内自转，同时又在封闭滚道内循环，使丝杠和螺母相对产生轴向运动。1螺母，2滚珠，3端盖，4丝杠，5盖板，6挡珠环图31 滚珠丝杠当丝杠(或螺母)固定时，螺母(或丝杠)即可产生相对直线运动，从而带动工作台或其他移动件作直线运动。3.3.2 滚珠丝杠螺母副的预紧滚珠丝杠螺母副的预紧是提高滚珠丝杆副的反向传动精度和传动刚度，减小传动系统间隙的重要措施。滚珠丝杠螺母副的预紧常采用各种形式的双螺母机构。为使预紧后的双螺母机构在正向传动链受力运行时，其反向传动链仍保证无间隙出现，则一般要求施加一个合理的预紧力。预紧力过大会造成传动效率的降低、摩擦力增加、磨损增大、使用寿命降低等缺陷。因此，预紧力的大小可通过理论计算求取，计算公式如下：（1）当最大轴向工作载荷不能确定时： x （31） 式中： 施加的预紧力（n）； x预加负荷系数； 额定动载荷（n），（2）当最大轴向工作载荷能确定时： （32） 式中： 最大轴向工作载荷（n）3.4 滚珠丝杠的选型与计算丝杠选择总体流程如下图32所示：确定使用条件确 定 导 程计算丝杠副载荷及转速确定预期额定动载荷确定最小螺纹底径确定丝杠螺母副规格及代号 图32 丝杠选型流程图3.5 伺服电机的选型与计算伺服电机具有较小的转动惯量和较大的堵转转矩，能够使它满足机械设备对高精度和快速响应的要求。伺服电机还能够承受频繁的启动、制动和正反转，正是由于它具有这些特点，在本次设计中主要采用伺服电机。本课题以施耐德伺服电机为例，结合本课题设计机床y轴结构模型来分析在数控机床设计中伺服电机的选取问题【13】。（1） y轴结构模型参数 y轴结构模型：滚珠丝杠通过轴承与前后支撑座装配固定，伺服电机通过联轴器实现与滚珠丝杠直联，直线运动部件有工作台和工件，具体结构和运动情形见图34。 图34 y轴结构模型图计算步骤负载惯性矩 已知丝杠参数为d=16mm，l=500mm，=10mm，r=7.85kg/，减速比取为1，丝杠折算到电机轴上的转动惯量的计算公式为： （36）工作台折算到电机轴上的转动惯量的计算公式为： (37) 将各个数据分别代入到式（36）和(37)中可得： = =1.53kg =1.82 kg则电机的总转动惯量为： = kg负载转矩折算到电机上的负载转矩计算公式为： (38) 式中： ： 摩擦系数， ：丝杠螺距，; ：减速比，取=1; f： 推力，f=0； 效率， 将各个数据代入到（38）中可得电机负载转矩为： = 0.09 n 容量选择条件, ：额定转矩（n ：伺服电机容许惯性矩（kg）根据以上计算结果，参考电机选型样本【14】，y向伺服电机选择德国施耐德（shneider）公司生产的bmh1003p型电机，其参数为：j=7.14kg/，,。同以上计算方法，x向、z向以及a轴和c轴的伺服电机均可选择出来。其中c轴电机采用自带减速机的东方马达公司的伺服电机，a轴采用的是松下公司的伺服电机。各向电机型号及参数如下表35所示：表35 各向电机参数表安装方向 电机型号 静态转矩（） 额定转速 额定功率 （r/min） （kw）a向 mqma011p1aa 1.25c向 aip275aa2h50 4.5y向 bmh1003p 8.39 x向 bmh2051p 28.2z向 bmh2051p 28.23000601250150015000.50.751.052.472.47各个轴向电机三维模型图如下图36所示：图36 各轴向电机模型图 3.6 位移传感器的选取位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量【15】。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。考虑到位移传感器的精确程度，这里采用激光位移传感器，如图37所示。 图37 激光位移传感器激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。激光有直线度好的优良特性，同样激光位移传感器相对于我们已知的超声波传感器有更高的精度。激光移传感器的主要技术参数如表38所示。按照测量原理，激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法，激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。激光位移传感表38 激光位移传感器主要技术参数检测距离4060mm分辨率7um线性度1%工作电源1830v dc光源激光 红色 670nm开关频率40hz连接方式接插件 m12 4针模拟量输出010v响应时间0.6ms光斑尺寸0.8mm防护等级ip67外形尺寸505017mm工作温度0+ 50 c器通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。3.7 本章小结本章主要进行了机械传动结构的设计与计算，最终确定了丝杠结构的类型和参数、伺服电机的参数和选型以及位移传感器的选取。这些元部件参数的选取或依照其计算公式或依照实际技术要求，最终使它们满足本次设计的要求。本章确定了机床的主体结构元部件。第4章 五轴联动铣头结构的设计4.1 引言五轴联动数控机床是现代机械加工叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等不可或缺的手段。五轴联动铣头在五轴数控机床中是最关键部件，也是五轴数控机床制造企业市场竞争的焦点之一。因此，本次设计的关键之处就是五轴头铣头结构的设计。4.2 五轴联动铣头设计参数通过初期的大量浏览与借鉴国内外的资料，并着重参考沈阳机床股份有限公司和桂林机床股份有限公司的偏置式a/c轴联动铣头资料，最终结合实验室条件及毕设要求，确定了五轴联动铣头的运动参数如下表41所示。表41 五轴铣头的运动参数a轴摆动角度 c轴回转角度 a轴摆动速度 c轴回转速度（连续分度） 04（r/min） 030（r/min）4.3 五轴联动铣头的动作实现根据五轴联动铣头结构设计方案及运动参数，本课题设计出五轴联动铣头结构【16】，具体结构见图42。此结构特点：a轴与c轴的传动都装在z轴滑枕上，且a轴转动依靠伺服电机带动锥齿轮副和蜗杆副完成，并相对于c轴运动独立。五轴联动铣头主要是实现二轴联动动作，结合图42，来说明五轴联动铣头的工作原理：五轴联动铣头c轴回转运动传动路线为：c轴伺服电机小圆柱齿轮大圆柱齿轮悬臂1结构；五轴联动铣头a轴摆动运动传动路线为：a轴伺服电机谐波减速器锥齿轮副双导程蜗杆双导程蜗轮电主轴套内藏式电主轴。c轴回转运动是由一对标准精密直齿圆柱齿轮传动来实现，其齿轮参数：小齿轮齿数=20，大齿轮齿数=40，模数=2，压力角=20，齿顶高系数=lmm，顶隙系数=0.25mm，传动中心距a=60mm。a轴摆动运动是由一对双导程蜗杆传动实现，其具体参数见44节。图42 五轴联动铣头结构图1c轴伺服电机，2大圆柱齿轮，3小齿轮，4a轴伺服电机，5锥齿轮，6谐波减速器，7蜗杆轴，8涡轮，9涡轮蜗杆减速器壳体，10内藏式电主轴4.4 蜗杆蜗轮副的设计与计算4.4.1 蜗杆蜗轮传动的优点蜗杆传动是由蜗杆、蜗轮组成的用以传动空间交错轴间的运动和动力的一种机械传动，通常交错轴角度为90。正是因为这一特点，本设计中a轴的摆动采用蜗杆传动，不仅使结构紧凑而且使主轴摆动易于控制。与齿轮传动相比，蜗杆传动具有以下优点【17】： 单级传动比大，结构紧凑，在动力传动中，单级传动比i一般为880，只传递运动时（如在某些分度机构和仪表中）单级传动比i可达1000以上。 因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它和蜗轮蜗齿的啮合过程是连续的，而且同时啮合的齿数对数较多，故而传动平稳，噪音小。当蜗杆导程角g小于齿面间的当量摩擦角r时，蜗杆传动可以实现自锁。因为蜗杆蜗轮齿面间距相对滑动速度较大，摩擦损失大，所以传动效率比较低。当蜗杆主动时，传动效率一般为0.70.9，而自锁蜗杆的传动效率h6m/s，则涡轮轮缘采用铸锡磷青铜z10p1，又因批量生产，采用金属模制造。 选择蜗杆头数和蜗轮齿数，由图表43，按i=16选取=2，则=i=32。表43 和的推荐值56 713 1427 2880 6 4 2 1 3036 2852 2854 2880 按齿面接触疲劳强度确定模数m和蜗杆的分度圆直径9k() (41) 确定作用于蜗轮上的转矩按=2，初取h=0.82，则由公式（41）可得：= ih= 20 =2.61（nmm） 确定载荷系数k=由图表44查取使用系数=1.0，假设蜗轮圆周速度为3m/s，取动载荷系数=1.0。因工作载荷平稳，故取齿向载荷分布系数=1.0,。所以k=1.0。表44 使用系数工作类型 i ii iii载荷性质 均匀无冲击 不均匀，小冲击 不均匀，大冲击每小时启动次数 501.0 1.15 1.2 确定许用接触应力 (42)由文献17中表9.5查取基本许用接触应力为：=200m;应力循环次数为：n=60a=60252508=4.5故寿命系数为：=1.1 所以： =1.1200=220 m 确定材料弹性系数 =160 确定模数m和蜗杆分度圆直径 m9k()=912.61()108.1由文献17中表9.1，按m138.1，选取m=2mm，=24mm。计算传动中心距a蜗轮分度圆直径为=m=232=64mm,所以 a=()=(64+24)=44mm 验算蜗轮圆周速度、相对滑移速度及传动效率h = = =1.4 m/s 显然3m/s，与原假设相符，取=1.0合适。 由=m/=22/24=0.17，得：g=9.648，所以 = = =0.08m/s显然6m/s，与原假设值不相符，选用z10p1做蜗轮轮缘材料不合适，由文献17中表9.6可查得蜗轮材料应选取铝铁青铜（z）。由 =0.08m/s，查文献17中表9.7可得当量摩擦角=134，所以可得传动效率h为： h =（0.950.96）=（0.950.96） = 0.8140.832与原来初取值相符。 热平衡计算所需散热面积为：a=取油温t=70c，周围空气温度为=20c,设通风良好，取散热系数为，传动效率为h=0.82，则：a = = 0.12m若箱体散热面积不足此数，则需加散热片、装置风扇或