DMG五轴数控加工中心工作台设计和实现机械制造自动化专业论文设计

1、本科论文目 录摘 要IAbstractII1绪 论11.1课题研究的背景及意义11.2 国内外数控机床的研究动态21.2.1国内外数控机床发展现状21.2.2数控机床工作台发展现状31.3本章小结32 电机直驱式X-Y工作台设计52.1工作台的总体设计及要求参数52.2刀具选用及切削力负载计算52.2.1选用刀具52.2.2切削力计算62.3工作台T型槽及导轨设计72.4 X、Y轴向导轨载荷分析82.4.1 X轴向导轨载荷分析82.4.2 Y轴向导轨载荷分析82.5. 丝杠选用92.5.1 y轴向丝杠载荷计算92.5.2 y轴向丝杠刚度校核102.5.3 x、y轴向丝杠的稳定性校核112.6联

2、轴器选用112.7电机的选用122.7.1电机等效载荷分析122.7.2性能校核122.8轴承的选用132.9本章小结143 摇篮转台的总体结构设计153.1摇篮工作台的工作原理153.2摇篮工作台的结构设计153.3传动机构设计方案的选定163.4摇篮工作台驱动系统的选型计算163.4.1 C轴伺服电机及传动机构的选型计算173.4.2 A轴伺服电机及传动机构的选型计算183.5本章小结194 基于solidworks的关键结构静力学分析204.1结构静力学分析概述204.2Y轴托架静力学结构分析204.3轴承刚度分析244.4本章小结27结 论28参考文献29致 谢31摘 要随着世界科学技

3、术的快速发展跟机械制造自动化程度的提升,机床奔向高度自动化发展。在这种境况下,数控机床有了充分施展身手的空间。目前，我国正处在增大内需以及产业转型升级的重要时期,但现在我国CNC机床的性能和水平较美德日相比还很难以与其并驾齐驱,高档的CNC加工中心大部分依赖进口,与此同时,有些核心技术与军工装备挂钩,发达国家把高品质CNC加工中心当做战略资源严格把关,控制他国进口。目前,多轴CNC技术在机械行业的地位迅速攀升,尤其在于模具制造和汽车制造业里的多曲面加工,此技术有关机械、电子等多门专业,设计、实验很困难,探究多轴数控中心的重要核心,使得高品质多轴CNC加工中心国有化、系统化和数量化的能力,提高国

4、内制造优良品质多轴CNC机床的能力,满足当前制造业的需求,是机械制造业的迫切需要1。工作台是数控机床的重要组成部件之一,本设计主要包括工作台结构设计、工作台和机械驱动部件的设计包括工作台传动方式的确定、传动丝杠结构方式确定、丝杠的校核计算等。关键词：机械加工；五轴数控机床; 电机直驱; 四轴工作台; 静力学分析 AbstractWith the development of science and technology and the improvement of mechanical automation, machine tools are developing towards the d

5、irection of high efficiency automation. In this case, CNC machine tools can appear and develop widely. At present, China is in a critical period of expanding domestic demand and industrial transformation and upgrading, but at present, the technical level and performance of Chinas CNC machine tools a

6、re still far behind developed countries. Most of the high-end CNC machining centers rely on imports. At the same time, as the strategic equipment of national defense and military industry, some developed countries regard the high-performance CNC machining centers as strategic materials under strict

7、control, limiting Chinas imports. At present, multi axis numerical control technology plays an increasingly prominent role in the manufacturing industry, especially in the mold and automobile manufacturing industry. This technology involves machinery, electronics and other disciplines, and is diffic

8、ult to design and experiment. It is necessary to study the key technologies of five axis machining center, so as to form the capacity of localization, serialization and mass production of high-performance five axis linkage machining center, It is an urgent requirement for the whole industry to devel

9、op domestic five axis linkage machine tools of good quality to meet the production needs of the whole manufacturing industry.Worktable is one of the important components of CNC machine tools. This design mainly includes the structural design of worktable, the design of worktable and mechanical trans

10、mission components, including the determination of the transmission mode of worktable, the determination of the structural form of transmission lead screw, the check calculation of lead screw, etc.Key words: machining; five axis CNC machine; direct drive of motor; four axis worktable; statics analys

11、is1绪 论1.1课题研究的背景及意义众所周知，一个国家制造业技术水准和发展高度基本上就决定了一个国家的发展程度以及现代化程度,进一步说,，影响机械制造业发展的一个非常重要的因素是数控产业的发展2。CNC技术的发展在很大程度上决定了一个国家机械工业的地位。因此，各国在发展与数控相关的产业方面竞争激烈，但是中国对数控技术的研究起步较晚，与发达国家的差距仍然很大。尽管该国越来越重视CNC行业，但还有很长的路要走。自20世纪末以来，中国的机械工业取得了长足的进步，但在数字化和高精度方面仍然存在很大的缺陷，因此，迫切需要大力发展精密数控机床。世界上制造业获得如此巨大发展是离不开CNC技术的不断进步的。

12、五轴数控机床已成为发达国家和发展中国家竞相研究的关键工业技术，代表了数控机床的高端产品，对国家制造业水平产生了重大影响3。五轴CNC机床的高端产品不仅可以加工相对侧的不同角度和不同半径，而且加工的质量和精度也很高。具备这些优点的前提就是要要有一个数控多轴工作台。添加数控多轴工作台后，数控机床的应用加工能力大大提高。与传统的加工方法相比，具有以下优点：提高加工质量和效率。主轴轴线实时与加工面法线方向重合，可采用线接触加工，不光大大提升了加工速度,并且大大提升了加工品质,加工后的表面质量得到了改善。扩大加工范围。针对各种形状的零件来讲，怎样进行各个方向的加工十分重要。而且，某些零件在加工过程中可能

13、对位置精度有相互影响，并且在添加两个轴后的位置精度由母机的制造和组装精度来保证。可以适应于今后的多功能化发展趋势。近年来，机械工业的发展越来越快，这不再是对加工速度的简单追求，而是在确保加工速度的同时提高加工的准确性和通用性4。多功能的须求是可以进行连贯加工，方便避免多次装夹所导致的误差，然后以实现集中加工的方法。德国DMG公司的多功能加工机床代表着如今发展的新趋势，它把车削和铣削联合起来，使得车铣复合减少了工件装夹次数，不单缩短了加工时间,也使得加工位置精度得到保障,并且大大节省了传统加工所需空间。先进的制造技术是机械制造业不可或缺的组成部分之一。在国家经济发展以及国防军工建设中有着广泛的应

14、用前景5。1.2 国内外数控机床的研究动态1.2.1国内外数控机床发展现状目前，国产数控机床品牌从床子的种类、性能、精确度和生产数量等能力上都有着明显的提升,而且在某些关键技术方面也有了重大突破。据不完全统计，国内的数控机床行业上包括了1500种机床这几乎涵盖了金属切削机床的全部类型。这些数据显示着国内数控机床已进入到了快速发展的时期。如今我国已经能够提供网络化、集成化、柔性化的CNC机床。同时，中国也加入了世界高速数控机床和高精度数控机床生产国的行列6。随着电子信息技术的进一步发展。世界机床行业已进入了以数字制造技术为中心的机电一体化时代，这当中CNC机床是其中的代表产品之一。现在，美德日等

15、工业化国家已经相继完成了数控机床的产业化进程。自1980年代以来，国产数控机床一直处于低水平的过度发展状态，中级水平进展甚微，大多数高级设备依赖于尴尬的进口形势，尤其是国家重点要求的关键设备。项目主要取决于进口，而技术则取决于其他项目。同时，我国的利用性技术和集成电路能力仍然较低，有关技术规格以及标准的研讨和裁定相对落后，国产CNC机床还没有形成气候。同时，我国CNC机床行业依旧在系统的技术学习以及后勤保障流程上滞后，我们的营销能力以及治理能力还很低。更关键的原因是自主创新的能力还很不足7。几乎没有完全自行开发和拥有专利的CNC系统。这些方面限制了国有数控机床企业的发展。在国际上，美国，德国和

16、日本是世界上数控机床的科学研究、设计、生产和应用方面拥有最先进的技能和经验的国家。美国的特点是：无论政府还是国防部，都非常支持其发展,并且提供充足的项目经费用于技术的研发，并且搜罗一流人才，并器重科研。德国数控机床在传统机械设计制造技术和先进技术的基础上与时俱进，在加强科学研究的基础上不断利用先进的电子信息技术进行创新和发展。闻名的西门子系统是当之无愧的世界一流CNC系统。日本数控机床的兴起离不开政府的大力支持通过规划和拟定法规以及提供充足研发经费，提供政策鼓励举全国之力鼓励私人企业机构发展数控机床。在数控系统方面，日本学习德国，有了自主研发的发那科系统，在性能各方面与西门子几乎并驾齐驱，而且

17、其在中国的市场非常广阔8。国产数控机床在不断的发展之中。发展速度也非常快，与国际领先水平之间的差距必然是会缩小的。但是，国产CNC机床的发展依旧有着很多困难，比如在政策指导方面的缺乏，核心技术方面的疲软和杀手锏的缺少。这使得民族品牌与国际品牌之间有着很大的落差，难以望其项背。但我们应虚心求学，先做个好学生，师夷长技，只有学得好才能用的好。因此，中国应大力发展机床工业，全方位发展，力争尽快达到日本，德国等国家的水平。1.2.2数控机床工作台发展现状数控工作台作为数控机床的关键加工部件之一，它可以更方便实现机床的多方面加工，保证加工精度、扩大加工领域、提高工作效率。但是，目前国产的，具有生产CNC

18、工作台能力的企业并不多，而且产品种类短少、规格单一、质量稳定性差、功能可靠性低、精度又不足，这完全没有达到巨大的机床行业市场的需求9。因此国内许多的机床制造厂商通过国外或从台湾进口大批的CNC工作台。随着我国制造业的蓬勃发展，加工中心的需求也水涨船高，CNC工作台市场的发展趋向则有着以下这些特点:1、在开发小型数控工作台的同时开发大型数控工作台以顺应现在市场的须要;2、在类型上则研制双轴或多轴并联的数字控制工作台。在产品品质，性能，外观设计，结构创新，精度稳定性等方面，国产数控工作台和发达国家相比仍存在较大差距10。所以，我国数控工作台生产企业应加强产学研结合，走专业化生产之路，面向市场，参与

19、竞争，以生产出更高水平的数控工作台。1.3本章小结本章简单地介绍了研究课题的背景和意义、并比较国内外的发展现状找出我国自身不足及今后的研究趋势，还介绍了工作台的发展现状及其特点和对机械加工的意义。2 电机直驱式X-Y工作台设计2.1工作台的总体设计及要求参数本工作台，是以步进电机为动力源，以导轨做垂直方向的支撑，以丝杆螺母机构实现旋转到直线运动的转换，使得工作台可以进行x-y双方向的直线位移，而控制方面则由单片机进行总体电信号控制，既而控制步进电机的运行状况。设计要求参数如表2-1所示：表2.1设计要求参数最大铣刀直径mm最大铣削宽度ae最大铣削深度ap加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速

20、度20 mm10 mm5 mm碳钢X=250，Y=2003m/min精度要求0.01mm，脉冲当量要求0.01mm，主要工作服务对象：铣床，实现铣床上的平面轮廓加工。最终总体方案设计如图2.1所示：图2.1 总体三维图2.2刀具选用及切削力负载计算2.2.1选用刀具由于为轮廓切削，因此选用立铣刀。由于高速钢立铣刀在10000r/min以下，引起的切削力普遍较大，应根据危险载荷优先考虑到设计中的思路，而采用高速钢立铣刀。查高速钢立铣刀铣削碳钢材料的工件时，铣削力的计算公式为： (2-1)式中：CF-铣削力系数；ae-铣削宽度（mm）；d0-铣刀直径（mm）；Z-铣刀齿数；ap-最大切削深度。由公

21、式可知，刀具半径越小，切削力越大，齿数越大，切削力越大由于要注意临界条件，即本产品最大负载的情况，因此要考虑会引起最大切削力的立铣刀和粗加工时的状况。如图2.2所示：图2.2 常用标准铣刀规格及主要参数立铣刀在20以下的直径有14和16，且齿数均为3，立铣刀齿数有2、3、4、6齿，其中6齿细齿立铣刀为用于精加工刀具，不宜粗加工，所以不应选用6齿立铣刀进行切削力较大的粗加工，而4齿的应用广，通用性强，粗精加工皆可12。由于本设计要求的铣刀最大直径不超过20，因此本设计中选3齿立铣刀进行计算，铣刀参数如图2.2所示。而刀具直径假设选为14。2.2.2切削力计算而最大粗加工条件为=5mm，=10mm

22、，根据最危险条件，此两个参数为设计所应用。选为0.1，而又由参考文献资料可得到=669，通过公式进行计算可知：由参考文献资料可知各方向的力与Fc间关系可得不对称端逆铣时：进给力1288.516N，横向进给力1002N，垂直进给力787.426N。不对称端顺铣时：进给力429.505N，横向进给力1431.684N，垂直进给力787.426N。2.3工作台T型槽及导轨设计设计要求的行程为250mm200mm，因为需要让行程中的最大工件在行程中的每一个位置都可以进行加工，和考虑夹具安装的因素，因此工作台尺寸应该要留有安装夹具和工件的空间，使得工作台尺寸应该比设计要求的行程要大，经过综合考虑定为27

23、6mm256mm。尺寸图如图2.3所示：图2.3 T型槽尺寸上表为T形槽的国标要求GB/T158-1996，根据工件载荷要求和夹具装夹空间要求查表，选用T形槽的基本尺寸A613。根据行程要求和工作台尺寸初始选用x导轨长度为576mm，y导轨长度为500mm。2.4X、Y轴向导轨载荷分析2.4.1X轴向导轨载荷分析根据碳钢工件的密度=7.85g/cm3，工作台为HT250密度=7.2g/cm3,工件最大尺寸为250mm200mm200mm，通过将尺寸定下后，与solidworks绘图软件中绘制成型后，以计算机计算出的参数如图2.4所示,设工件、夹具和工作台总质量为m1夹具质量假定为12.5Kg。

24、m1=7.852520200.001+19.222+12.5=110.222kg，所以G=1102.222N。图2.4 工作台参数滑块布置尺寸为185mm160mm，该尺寸为滑块支撑中心形成的矩形的长宽，滑块数为4，双导轨支撑，每一个导轨上有两个滑块14。当最大工件安装时完全装偏于一角，则此时有一个滑块承受最多最大的载荷，考虑此危险条件，根据尺寸和受力分析，得出最大载荷的计算式子为：2.4.2Y轴向导轨载荷分析将相应材质输入到solidwork软件中，绘制实体后以软件进行分析计算，质量计算如图2.5所示：图2.5 Y轴载荷my0=81.134kg+12.5kg+7.852520200.001k

25、g,加上电机和电机架子的质量my1=35kg，总质量为my=207.134kg，Gy=2071.134N。y导轨滑块的支撑点分布矩形为244.5mm135mm则异常最大受力，288mm为本产品无限位恢复装置时会产生x总行程，正常工作时x总行程为250mm15。正常时最大受力：。2.5.丝杠选用2.5.1 y轴向丝杠载荷计算依照参考文献资料，有三角形导轨对应丝杠的最大工作承载公式为16： (2-2)式中：-进给方向载荷；-垂直载荷。其中根据导轨为滚动导轨，K=1.15，取0.005，G=2071.134N，。Fm=1.151288.516+0.005（787.426+2071.134）N=149

26、6.086N依照参考文献资料，有最大动载荷的计算方法为17：。假如工作台在进行粗加工时接受的最大切削力时的进给速度为v=400mm/min，初选丝杠导程，则此时丝杠转速取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，带入,取载荷系数，由硬度55HRC可知，,根据CaF的条件可知道，无丝杠可用，于是换选导程，。考虑到刚度要求，于是选用GD系列3206-4丝杠，根据机电一体化系统设计课程设计指导书得传动效率公式：。式中，丝杠螺旋升角,摩擦角取100.167，则有=0.953。由于该丝杠的最大转速为500r/min，转速过低，因此不会涉及超过第一临界转速的问题18。2.5.2y轴向丝杠刚度校核本工作台的丝杠皆

27、采用双推-双推的支撑结构，两边分别采用两个圆锥滚子轴承“背对背”，如图2.6所示：图2.6 丝杠左右支撑的中心距离大概是a=420mm，钢的弹性模量E=2.1105MPa，依照参考文献资料，有滚珠直径3.969mm，丝杠底径d2=27.2mm，丝杠的截面积S=/4=581.069mm19。忽略式3-25中的第二项，得出丝杠在工作载荷为Fm的情况下产生的拉、压形变量：在预紧力时，滚珠与滚道间的接触变形量,=0.007913mm0.008mm。刚度足够，由于y轴向和x轴向丝杠为同款丝杠，而y轴向承载较大，因此x轴向也应该满足条件。2.5.3 x、y轴向丝杠的稳定性校核本工作台的丝杠采用双推-双推结

28、构，稳定性强，经过预拉伸后可承受一定的温度应力，以抵抗压弯变形。可是为避免轴向失稳，此处进行稳定性校核。首先，查阅参考文献资料可知，失稳时的轴向临界载荷应满足： (2-3)式中：-临界载荷；-丝杠支承系数；I-截面惯性矩，I=26087.049；K-压杆稳定安全系数，K4。计算得到，远超Fm，因此y轴向丝杠合格同样的将x轴向丝杠的支撑长度a=496代入可得：依然远超Fm，两丝杠合格,最终选用GD3206-4丝杆20。2.6联轴器选用该工作台可安装在数控铣床上，用于铣削加工。初选GYS型有对中榫凸缘联轴器。它的优点：不具备径向，轴向和角度补偿功能，刚性好，传递扭矩大，结构简洁，工作可靠性高，维修

29、起来也简单，可用于两轴对中精度优良的一般轴系传动21。依照参考文献查取GYS2J1型凸缘联轴器GB/T 58432003。质量1.72kg，转动惯量。2.7电机的选用2.7.1电机等效载荷分析根据脉冲当量为0.01mm和传动比i=1，要求电动机步距角为0.6 初步试用110BYG3502步进电动机,转动惯量，工作台换算到y轴电机上的转动惯量:，等价转动惯量，一对的圆锥滚子轴承效能是0.98，丝杆效能是0.953，换算到电机轴上的等效负载转矩22：Teq=6=1.355Nm快速空载起动时，换算到电动机转轴上的最大加速转矩：。取0.65s移动部件运动时换算到电动机轴上的摩擦转矩：无负荷时的摩擦转矩

30、为：。最大切削深度时的摩擦转矩为：。预紧后换算到电动机转轴上的附带摩擦转矩：。无负荷时。最大工作负载时电动机转轴所接受的负载转矩，其中，F为最大进给方向工作载荷1288.516N，K取4，。2.7.2性能校核根据设计要求最快进给速度为400mm/min，则电机的对应运行频率为:。依照参考文献资料，查得110BYG3502电机在此频率下转矩在1515.7N，明显要比大，因此此处校验合格。空载最大移动速度频率，相应的电机转矩在1012N，明显比要大，因此此处校验合格23。启动频率估算式子为：因此控制系统应该根据这个转频，来控制起动脉冲频率。最终确定x与y轴电机为110BYG3502，本校核和分析皆

31、按照y轴电机分析，由于x与y轴的工作情况相比较，y轴向的工作环境的所有有关参数都要比x轴恶劣，所以，当y轴电机通过校核，x轴电机也必然通过校核。2.8轴承的选用轴承在工作台中所担任的功能即是在承受加工件的负荷之下要保证达到要求的精度，轴承的回转精度直接关系着轴承在径向的误差，支撑刚度关系着轴向误差，因此选用合适的轴承类型尤为关键。考虑到为托架选用轴承，正常工作时载荷较大，所以考虑到圆锥滚子轴承24。图2.7 圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承主要用于接收以径向载荷为主的径向轴向联合载荷，与深沟球轴承相比，承受能力大，极限转速低。并且能够单独承载一个方向的轴向载荷。能够限制轴或者外壳一个方向上的位移。根据

32、本次设计需求，X、Y轴向托架载荷较大，选用单列圆锥滚子轴承较为合适。2.9本章小结本章主要内容是对X、Y双轴工作台进行总体设计，包括其结构设计，并结合实际工作时的情况，对X、Y轴载荷和丝杠载荷及其刚度进行计算，也详细地对工作台槽体、导轨设计及选用，以及丝杠、联轴器、电机、轴承的选用等方面进行介绍。3 摇篮转台的总体结构设计3.1摇篮工作台的工作原理A/C轴摇篮工作台主要由A轴箱体、工作台、蜗轮蜗杆传动机构等组成。工作台固定在C轴上，跟C轴同时做360回转运动;C轴固定在A轴箱体内部，A轴箱体与床身前半部分直接固定。C轴箱体由A轴带动做+10-100的摆动运动。A/C轴都是以蜗轮蜗杆装置为传动装

33、置，A轴箱体内设置有夹紧装置，以方便加工的时候工作台的固定，这样切削时就可以保证定位精度满足需求。3.2摇篮工作台的结构设计A/C轴摇篮工作台通过A轴箱体装配在床身的前部，C轴固定在A轴箱体内部。左方是驱动端，C轴箱体通过伺服电机驱动蜗轮蜗杆机构传动做双向摆动运动。右方A轴尾部设定有角度编码器，方便实现A轴的闭环控制。左方A轴尾部放有超限位开关，以实现A轴在摆动过程中的超极限位置报警功能。C轴两侧用于连接A轴，伺服电机置于箱体内部，通过同步齿形带来带动蜗轮蜗杆机构，用以驱动工作台做回转运动。C轴尾端装有角度编码器，用于实现C轴的闭环控制。由于C轴所有的关键部件都集成安装在箱体内部，使C轴箱体外

34、观看起来类似摇篮，因此，这类转台也叫摇篮式转台，如图3.1所示：图3.1 摇篮工作台设计摇篮工作台的目的实际上就是为了实现真正的五轴加工，即X、Y、A、C加上机床主轴(可上下移动的Z轴)构成五轴工作台，整体三维模型如图3.2所示：图3.2 四轴工作台3.3传动机构设计方案的选定本课题所设计的工作台是基于DMG50P五轴数控机床。主要用于各种燃机、压气机叶轮和小型模具的加工，是目前用途最广的一类五轴联动机床。因此，要求转台必须能够承载满足旋转半径要求的各种工件，因此要求转台的承载能力更高25。与电机直接驱动以及凸轮传动机构相比，蜗轮蜗杆传动机构结构简洁、紧凑，冲击负载小，传动过程平稳，方便自锁，

35、并且易于实现较高的传动比，以获得较高的转矩。虽在转速方面与力矩电机有一定差距，但1030r/min的转速已经可以达到五轴加工的需求。蜗轮蜗杆传动机构通过除去间隙，使反向间隙变小;再与角度编码器的限位反馈配合以形成闭环控制，它的定位精度非常能够达到五轴加工机床的设计需求，同时，与凸轮传动机构相比，蜗轮蜗杆传动机构在成本上也更低26。综上所述，选择蜗轮蜗杆机构做为摇篮工作台的传动机构。3.4摇篮工作台驱动系统的选型计算驱动系统是摇篮工作台的重要部分，因此，电机的选用就很关键。首要任务就是选出达到工作载荷需求的电机，之后再从性能、转矩、转动惯量等技术指标和成本指标选择最适合的电机。为了使工作台的进给

36、执行部件具有较好的响应速度，需要选用响应速度快的电机，但又不能盲目的选用大惯量，因此必须使电机惯量和负载惯量在合理的范围内匹配27。3.4.1 C轴伺服电机及传动机构的选型计算由于C轴所有相关部件都安装在A轴箱体上，而在计算A轴的负载时，需将C轴部件包括在内。所以，应首先对C轴进行计算。C轴减速比拟采用i=120,转速n=50rpm，角加速度:=7rad/s2。根据设计要求可知:工件回转直径:d1= 520mm，工件质量:m1=50kg，则工件转动惯量：。工作台固定在C轴顶部，所以可以把工作台和C轴看为一个整体来创建三维模型，通过三维软件中的测量质量属性功能，能得到它们的质量以及转动惯量，由此

37、工作台与C轴的总质量:m2=26.76kg,工作台和C轴的总转动惯量:。因为蜗轮蜗杆、轴承和其它C轴驱动装置中的零部件质量较小，其转动惯量与工件及工作台相比较C轴的转动惯量甚至可以忽略不计28，所以C轴传动装置的总负载惯量是：，己知C轴回转的角加速度:=7rad/s2，则驱动C轴所需最大扭矩： 以上全部计算都是处于理想状态下进行的，考虑到现实中摩擦系数、负载不均匀等其他因素，得安全系数是2. 5。由此驱动C轴所要的扭矩为29：减速比i=120，转速。n=50rpm ,则所需电机的额定扭矩:所需电机的额定转速。 依照以上的计算结果，选用kollmorgen伺服电机，型号是AKM52L。它的额定扭

38、矩是,额定转速是6000rpm,额定功率是2. 06kw，其自身的转动量是。综合以上参数，当电机转动，然后C轴带动工件做旋转运动，并且当工作台上装卡的是最大重量工件时，载荷和电机之间的惯量比是： 满足设计的需要。3.4.2 A轴伺服电机及传动机构的选型计算对于A轴而言，忽略部分零件的惯量后，C轴箱体以及工作台、工件就是它的全部负载。根据上一节的参数及计算结果可知，C轴部件整体质量为mc=26.76kg，工件最大质量为ml=50kg，因此，A轴的总负载质量m =76.76kg。由于在机床实际应用过程中，被加工工件的质量、体积和形状都不确定，因此，针对A轴负载的惯量计算需简化惯量的模型。在此，将模

39、型简化为摆动轴A轴与负载的重心在同一直线上。同时，将负载的模型简化为机械设计手册中表1.4-11中的回转体模型，并根据此表，选择K=0. 630。且己知双摆转台装卡最大质量工件时，其总高度约为D=665mm。则A轴负载的转动惯量：，根据机床的设计要求，A轴转速，角加速度，A轴减速比拟定为iA=100，则 驱动A轴需要的最大扭矩:以上所有计算均是在理想状态下进行核算，考虑摩擦系数、负载不均匀性等因素，取安全系数为2. 5。则驱动A轴所需的扭矩为:，减速比iA=100，转速,则所需电机的额定扭矩,所需电机的额定转速。依照上述计算结果，选用kollmorgen伺服电机，型号为AKM63 L。它的额定

40、扭矩是,额定转速是3000rpm,额定功率是4. 05kw，伺服电机自己的转动惯量是。综合上述参数，当电机转动，然后A轴再带动C轴箱体摆动，同时工作台上装卡的是最大重量工件时，载荷跟伺服电机之间的的惯量比是:满足设计的需要。3.5本章小结本章对摇篮转台的总体结构进行了介绍，其中重点介绍了传动机构的选定，根据实际生产情况及设计需求对A、C中工作台的传动方式选用以及电机选型等方面进行详细介绍。4 基于solidworks的关键结构静力学分析4.1结构静力学分析概述静力学分析简单来说就是通过对零部件进行定义(包括材料、受力、固定类型等)，然后通过对结构进行网格划分，求解得到零件内部的应力分布，从图像

41、直观的看出受力大小的位置，进而可得到材料的最大应力值、最大形变量等。静力学分析用来分析结构在给定静力载荷作用下的情况。其计算方程为31： (4-1)式中：K-刚度矩阵常量；U- -位移矢量；F- -静力载荷。求出方程的解，并计算每个节点的应力： (4-2) (4-3)式中：-应力引起的形变量；-节点上的应变；-节点位移矢量；-热应变矢量；-应力矢量；-弹性矩阵。求解4-2、4-3得到各节点应力，能够得出结构静态分析结果。4.2Y轴托架静力学结构分析静力学结构分析对机械设计相当重要，它反映了在一定力的作用下结构的载荷、刚度、强度等情况，同时可以得到最大应力应变图，方便设计者了解在实际工作中结构的

42、真实情况。针对本设计来讲，Y轴托架不止支撑着整个工作台结构，还包括加工工件，是整个设计中载荷最大的地方。所以刚度和强度一定要达到要求，托架三维模型如图所示：1.导入模型在SolidWorks中创建模型，用simulation模块打开进行分析。如图4.1所示：图4.1 托架模型2. 对模型进行定义在进行仿真时，不同的结构类型，不同的材料以及不同形式的载荷都会有不同的分析结果，那么根据所遇到的不同情况对材料属性进行定义，是静力学分析的基础。根据实际情况我们选用灰铸铁HT250作为托架的材质，如图4.2所示：图4.2 定义材料选定材料后，我们需要创建一个静力学分析算例，根据实际情况，分别定义夹具为【

43、固定几何体】，固定面为托架底面，如图4.3所示，载荷类型为【压力】，压力值根据第二章的计算Y轴导轨正常情况下最大载荷为2071N，考虑到使用安全我们赋值为2100N，受力面选择上表面，如图4.4所示：图4.3 选择夹具图4.4 定义载荷3. 网格划分对模型定义完成后，进行网格划分也是至关重要的一步，即将模型由一个整体划分为由较小元素组成的有限元模型，这一步骤需要确定结构分成的单元的数量以及每个单元的大小。划分结果的优劣会对我们最终的校核结果产生直接的影响，综合各因素，在不影响结果的前提下采取网格质量适中偏向良好即可，如图4.5：图4.5 设置网格图4.6 加载网格4. 求解点击运行此算例求解，

44、结果如下图4.7所示：图4.7 求解5. 分析结果经过对这个零件的分析，在加载力的作用下，支架作用效果如图4.8所示，经过读图我们可以知道最大的变形量，最大应力2.186MPa， 轴承支架所用材料的屈服应力是250MPa，这个值与2.186MPa相差极大，由此可得轴承架在强度方面完全符合条件。图4.8 分析结果4.3轴承刚度分析在电机直驱工作台中，轴承的作用至关重要，在进行加工作业时，轴承承载着交替变化的合成力作用，如若因为作用力或扭矩而产生形变将会直接的影响到加工精度。所以，这里要对轴承进行静力学分析。三维模型如图4.9所示：图4.9 圆锥滚子轴承三维模型导入模型后，我们需要定义轴承材料，目

45、前生活中最常用于制做轴承的金属就是轴承钢，因为这种钢具有高且均匀的硬度以及耐磨性和很高的弹性极限，所以适用于轴承的工作环境，由于软件默认没有轴承钢这种材料，从网上查取轴承钢各参数后自定义添加了轴承钢，如图4.10所示：图4.10 轴承钢材料和深沟球轴承不同的是，圆锥滚子轴承内外圈可分离，这就面临着固定方式的选择问题，一般为固定内套和外套。安装内套的时候一定要注意套筒要压着内套内侧一定不要压到保持架，否则在滚动的时候会导致保持架膨胀变形，那么根据托架结构我们选择首先安装外套。如图4.11所示选择轴承夹具外套上表面。图4.11 定义轴承夹具由于在使用过程中既有轴向的挤压，也有径向的载荷，所以定义载

46、荷的时候选取外套上表面以及内套侧面，根据第二章计算的载荷定义力的大小为2000N如图4.12所示：图4.12 定义载荷定义载荷后生成网格就可以求解案例结果如图4.13所示：图4.13 结果分析经过读图我们可以知道最大的变形量，最大应力0.805MPa，轴承支架所用材料的屈服应力是240MPa，这个值与0.805MPa相差极大，由此可得轴承在强度方面完全符合条件。4.4本章小结本章引入静力学分析模块，对整个工作台载荷最大的Y轴托架和托架轴承进行静力学分析，获得了应力应变图解结果，为实际研究提供了一定的数据支持。结 论主要完成的工作:本文主要对数控直驱X-Y轴工作台及摇篮转台进行设计和研究， 完成

47、了结构设计，并利用SolidWorks-simulation模块对关键零部件进行静力学分析，确保工作台结构符合实际工作要求。主要内容如下：(1) 根据数控机床加工需求及各部件参数，确定工作台的结构，通过SolidWorks对数控电机直驱式工作台进行设计。(2) 工作台X、Y方向上的导轨载荷计算、丝杠的校核及选用、电机、轴承的计算及选用。(3) 摇篮式回转工作台的结构设计，传动方式的选定，A、C轴电机及传动机构计算。(4) 关键零部件：Y轴托架、圆锥滚子轴承的静力学分析。不足：整体结构虽能满足加工条件，但摇篮工作台与双轴电机直驱工作台的结构组合不够简洁；转台的传动方式相对简单，针对更高精度、高效率的生产要求不能满足，目前尚才疏学浅，日后丞待解决。参考文献1 张兴敢.五轴加工机床设计及仿真J.专题综述,2015,6(6):46-50.2 孙全喜,于宏阁,刘泽林.数控技术在现代机械制造中的应用及前景J.内蒙古科技与经济, 2015,5 (24) :73-73.3 兰刚.机械设计制造自动化的发展与趋势J.城市建设理论研究,2015(10):45-50.4刘从军.数控技术在机械制造中的应用探讨J.科技展望,2015 ,7(7) :52-55.5 张曙.五轴加工机床现状和趋势J.专题综述,2015,3(7):72-75.6 秦宏伟.我国数控机床发展现状及