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立式加工中心工作台的设计与特性分析VerticalMachiningCenterWorkbenchDesignandCharacteristicsAnalysis 姓名 马云治学号 2014010503专业 机械设计及其自动化指导教师 王红军教授 北京信息科技大学学士论文开题报告 2 实现方法 预期的目标 研究目标 内容及拟解决的问题 国内外研究现状与发展趋势 目录 课题综述 计划进度安排 主要参考文献 1课题综述 1 1五轴联动立式加工中心工作台介绍 五轴机床 5AxisMachining 顾名思义 是指在X Y Z 三根常见的直线轴上加上两根旋转轴 A B C三轴中的两个旋转轴具有不同的运动方式 以满足各类产品的技术需求 而在5轴加工中心的机械设计上 机床制造商始终坚持不懈地致力于开发出新的运动模式 以满足各种要求 综合目前市场上各类五轴机床 其机械结构形式多种多样 在现有的三坐标联动数控机床的工作台上再增加两个旋转自由度 将其安装在原有的工作台上 与原有的工作台成为一个整体 成为一个多自由度的回转工作台 再通过对数控系统的升级 不属于此题范畴 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不仅可以沿X Y Z方向作平行移动 在A B两轴能同时摆动 在A轴上能够左右摆动30度 在B轴上可以前后摆动30度 不仅可以加工简单的直线 斜线弧 还可适应更复杂的曲面和球形零件的加工 1课题综述 1 12五轴联动立式加工中心工作台的分类 五轴联动立式加工中心的分类 五轴联动加工中心有摇篮式 立式 卧式 NC工作台 NC分度头 NC工作台 90 B轴 NC工作台 45 B轴 NC工作台 通用卧式五轴联动数控机床A轴 二轴NC主轴等 1 双摆头形式 A C 2 俯垂型摆头式 B C刀具 3 双转台形式 NC工作台 4 俯垂型工作台式 B CNC工作台 5 一摆一转形式 A NC工作台 1课题综述 1 12五轴联动立式加工中心工作台的特点 1 可有效避免刀具干涉2 对于直纹面类零件 可采用侧铣方式一刀成型3 对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面 可用大直径端铣刀端面贴近表面进行加工4 可一次装卡对工件上的多个空间表面进行多面 多工序加工5 五轴加工时 刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态 零件表面上的误差分布均匀6 在某些加工场合 可采用较大尺寸的刀具避开干涉进行加工 1课题综述 1 12五轴联动立式加工中心工作台的特点 1 保持刀具最佳切削状态 改善切削条件如上图 在左图中三轴切削方式 当切削刀具向顶端或工件边缘移动时 切削状态逐渐变差 而要在此处也保持最佳切削状态 就需要旋转工作台 而如果我们要完整加工一个不规则平面 就必须将工作台以不同方向旋转多次 可以看见 五轴机床还可以避免球头铣刀中心点线速度为0的情况 获得更好的表面质量 1课题综述 1 12五轴联动立式加工中心工作台的特点 2 有效避免刀具干涉如上图 针对航空航天领域内应用的叶轮 叶片和整体叶盘等零件 三轴设备由于干涉原因无法满足工艺要求 而五轴机床就可以满足 同时五轴机床还可以使用更短的刀具进行加工 提升系统刚性 减少刀具的数量 避免了专用刀具的产生 1课题综述 1 12五轴联动立式加工中心工作台的特点 3 减少装夹次数 一次装夹完成五面加工如右图可以看出五轴加工中心还可以减少基准转换 提高加工精度 在实际加工中 只需一次装夹 加工精度更容易得到保证 同时五轴加工中心由于过程链的缩短和设备数量的减少 工装夹具数量 车间占地面积和设备维护费用也随之减少 这意味着您可以用更少的夹具 更少的厂房面积和维护费用 来完成更高效更高质量的加工 2国内外研究现状与发展趋势 2 1国内外研究现状 1 国内研究现状由于我国工业基础薄弱 国外同类产品的技术封锁 国内五轴联动数控机床相对于国外整体水平还较低 具体体现在关键功能还不能自主研发或者与国外同类产品比 稳定性 精度等相差较大 但是在国家相关政策的支持及相关企业 学校等部门的努力下 我国五轴数控机床技术也得到了飞快的发展 逐渐形成了较为成熟的产品 从CIMT2007展会上所展机床情况来看 我国五轴联动数控机床已经形成了品种多样 技术成熟 拥有自主技术知识产权的特点151 沈阳机床展出了适合于航空工业钛合金和铝合金机框加工的主轴 I B轴摆动的VMC25100u五轴立式加工中心 这类产品长期以来一直依靠国外进口 是国外限制出口的髙科技产品 这是我国五轴联动数控机床产业的一重大突破 2 国外研究现状当前国外五轴联动数控机床以欧美 日本为代表 这些国家的五轴联动数控机床代表了当今五轴联动数控机床发展的最髙水平 目前国外著名机床厂五轴联动数控机床技术发展重点可归结为 高速 高精度 环保 智能 复合化 力矩电机在国外作为回转坐标驱动装置的广泛使用 使得国外机床进给机构实现了高速 低损耗 高精度 高效率的目标 5 DMG公司的DMC165在配上了旋转工作台后 可以进行五轴联动的数控加工 该机床的最高转速可达到30000r min 由于采用高性能直线电机驱动 其最快移动可达到90m min 加速度2g 2国内外研究现状与发展趋势 2 2发展趋势 高速 高效率 高可靠性 高精度 复合化 智能化 网络化 柔性化 3研究目标 内容及拟解决的问题 3 1研究内容及目标 1 立式加工中心工作台的总体设计 包括总体结构设计 运动方案 进给运动方案 道具方案等设计 2 工作台的机械系统的设计计算 包括进给运动系统的设计计算 以及机械强度校核等 3 工作台运动电机和滚珠丝杠的选择 4 用三维设计软件设计有关零部件 并进行装配 生成二维图 5 基于pro E的工作的运动仿真 6 基于ANSYS对工作台模型进行有限元分析 3研究目标 内容及拟解决的问题 3 2拟解决的问题 对工作台的可能出现的问题进行评估预测 比如会出现爬行 机械振动等 优化这些问题 首先是结构形式的确定 选择合理的形式和尺寸 工作台的设计重要的是在满足设计要求的前提下实现结构的最简化 重量的最轻巧 因此设计的刚度 强度和稳定性计算是设计研究的主要问题 工作台装配图及其关键零件的绘制和运动仿真 对工作太关键零件进行有限元分析 提前预防机械事故的发生 4实现方法及预期目标 4 1实现方法 根据设计要求和原始资料进行初步的计算 查找相关资料并阅读 并最终确定结构方案 设计并计算工作台部分的主要零部件 如传动部件 支撑部件 控制电机等 利用proe ansys软件绘制工作台的装配图以及重要零件图 利用三维设计软件进行运动仿真 对工作台关键零件进行有限元分析 4实现方法及预期目标 4 2预期目标 1 立式加工中心工作台总体布局的基本要求有一下几点 1 首先必须满足如加工范围 工作精度 生产率和经济性等等各种要求 2 确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动 在经济合理的条件下 尽量采用较短的传动链 以简化机构 提高传动精度和传动效率 3 确保工作台具有与所要求的加工精度相适应的刚度 抗振性 热变形及噪音水平 4 应便于观察加工过程 便于操作 调整和维修 便于输送 装卸工件和清理 注意防护 确保安全 5 结构简单 合理可靠 便于加工和装配 4实现方法及预期目标 4 2预期目标 1 双摆头形式 A C 1 立式加工中心工作台总体布局的大概可以分为以下五种形式 1 双摆头形式 A C 2 俯垂型摆头式 B C刀具 3 双转台形式 NC工作台 4 俯垂型工作台式 B CNC工作台 5 一摆一转形式 A NC工作台 2 选择确定加工台结构工作台在X Y Z轴方向的移动 在A B轴上的摆动 前后左右各30度 5进度安排 1 双摆头形式 A C 1 2周 熟悉课题 收资 调研 实习 记录 3 4周 掌握设计任务 对可行方案进行论证 分析 5 7周 运动以及动力设计计算 确定总体设计方案 绘制方案草图 8 12周 加工中心主轴组件设计 设计图纸绘制 13 14周 工作台装配 垂直进给系统设计 15 16周 撰写说明书 翻译和其他工作 17周 完善图纸及其论文说明书 进行试答辩 18周 打印图纸说明书 准备答辩 5参考文献 1 双摆头形式 A C 肖潇 郑兴睿主编 数控机床原理与结构 M 北京 清华大学出版社 2017 01 杨飞 高东强 闫媛媛 等 立式加工中心工作台系统的动态特性分析及结构优化 J 机械设计与制造 2013 11 235 237 陈洁训 赵伟宜 五轴立式加工中心耳轴式回转工作台技术要点分析 J 现代制造技术与装备 2017 3 29 30 李强 林慧 一种高效率立式加工中心数控机床 CN206230318U P 2017 杜贝 龙门加工中心结构设计与静动态特性分析 D 陕西科技大学 2016 罗晓燕 何宁 宋春明 等 立式铣床工作台的静动态特性分析 J 陕西理工学院学报 自科版 2016 32 1 10 14 徐壮 高精度双驱滚动工作台的装配与调整 J 橡塑技术与装备 2016 8 76 77 王爱玲 王俊元 马维金 彭彬彬 现代数控机床伺服及检测技术第4版 M 北京 国防工业出版社 2016 04 侯延星 浅谈五轴立式加工中心的新发展 J 世界制造技术与装备市场 2017 5 52 55 蒲凡 胡光忠 邹亮 等 立式加工中心立柱动静态特性分析与拓扑优化 J 现代制造工程 2017 1 70 75 刘永贤 机械工程概论第2版 M 北京 机械工业出版社 2016 03 王美妍 张文亭 刘其兵 高速立式加工中心工作台的结构设计与静态性能有限元分析 J 机械制造 2017 55 4 9 10 山晓媛 桑会庆 立式加工中心进给系统的联动控制 J 科学与财富 2016 12 朱军 高速立式加工中心模态分析及结构优化设计 D 上海交通大学 2010 仇政 张松 田昆 等 加工中心进给系统动态特性分析及工作台尺寸优化设计 J 制造技术与机床 2017 4 56 62 WangM MalfunctionAnalysisofHighSpeedVerticalMachiningCenter J NewTechnology NewProcess 2017 VibhuteGG Twinspindlegantrytypeverticalmachiningcentre vmc WO2016110863A1 P 2016 LuoXY NingHE SongCM etal Staticanddynamiccharacteristicsanalysisandresearchofverticalmillingmachineworkbench J JournalofShaanxiUniversityofTechnology 2016 LiuK SunM YuliangWU etal ThermalErrorCompensationwithoutTemperatureSensorsforCNCMa