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XK7132 数控 铣床 主轴 设计 CAD 图纸 源文件

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常州工学院 开题报告书 题 目XK7132型数控铣床主轴箱的设计姓 名 学 号 专 业数控技术指导教师 职 称 科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等） 数控机床是机、电、液、气、光，高度一体的产品。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数。例如，进给速度，主轴转速，主轴正反转，换刀，冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工文件存放在信息载体上，然后由机床上数控系统读入，通过对其译码，从而使机床动作和加工零件。在机械加工工业中大批量零件的生产宜采用专用机床或自动化生产线。对于小批量产品的生产过程中产品品种的变换频繁批量小，加工方法的区别大，宜采用数控机床。随零件复杂程序和零件批量的变化，通用机床，普通机床和数控机床的动用情况。当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床；当生产批量大时宜采用专用机床；而当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床。这是由数控机床的特点决定的。数控机床加工零件的适应性，灵活性好，能完成很多普通机床难以胜任，或者根本不可能加工出来的复杂型面的零件，这是由于数控机床具有多坐标轴联动功能，并可按零件加工的要求变换加工程序。因此，数控机床在航空航天等领域获得广泛的应用。、 数控机床可以获得较高的加工精度，加工质量稳定。数控机床的传动件，特别是滚珠丝杠精度很高。机床导轨采用滚动导轨或粘接有摩擦系数很小的合成塑料，因而减少了摩擦阻力，消除了低速爬行。闭环、半闭环伺复系统，装有精度很高的位置检测元件，并随时把位置误差反馈给控制系统，使之能够及时进行误差校正。数控机床的一切操作都是由程序装配的，没有人为干扰，因而加工质量稳定。、 具有较高的生产率，切削速度高，空行程的速度达mm以上，再因辅助时间很短。目前，现代数控机床正发展迅速，正朝以下几个趋势发展：1、具有先进的自检能力使之长期可靠的工作。在现在机床上装有多种监控、检测装置，从而提高了机床的综合性能。2、向高速，高精度发展。新型的数控系统及伺服系统，有很高的分辨率和进给速度。具有更高的生产率和利用率3、单元模块化。数控机床的部件有专门生产厂家供货。不仅可提高产品质量，也大大的缩短了机床的生产周期。数控技术的发展，对我国国民经济的发展起着巨大的作用，特别是对我国要机械制造工业的现代化起到至关重要的作用。课题来源互联网。研究内容 1主传动系统设计 2数控铣床主传动系统的配置方式 3主轴电动机的选取 4同步带传动设计与计算 5主轴组件的设计 6主轴轴承的选择 7联接键的选择和碟形弹簧的选择与计算 8螺钉联接的设计 9液压缸的设计 10润滑与密封件设计拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析按照设计任务，根据调查研究所提供的权据和有关技术资料，进行以下工作：进行数据计算、绘制有关图纸（“三图一卡”、部件总图、装配图等），编写技术文件等。其基本内容如下： 1）绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图。 2）部件装配图设计。 3）按规定格式编制设计计算说明书。研究计划及预期成果设计一台简易的数控试验铣床的主轴箱，包括主轴调速和换刀装置的结构，通过CAD软件画出所有零件工程图以及零件图，并编写毕业论文。需要完成的工作：1、铣床主轴箱装配图一张（A0）； 2、换刀装置液压原理图一张（A2）； 3、零件图五张（A2）； 4、外文翻译一份（3000字，与设计内容相关）5、毕业设计说明书一份（1500020000字）特色或创新之处 数控机床的主轴部件、变速箱立柱、工作台、刀架等都可以模块化生产，有专门生产厂家供货。不仅可提高产品质量，也大大的缩短了机床的生产周期。结构简单，维护方便。 已具备的条件和尚需解决的问题通过带传动的主传动主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，同步带是一种综合了带传动，链传动优点的新型传动。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主动，从动带轮可做无相对滑动的同步传动。与一般带传动相比，同步带传动具有以下优点：滑动，传动比准确；传动效率高，可达98%以上；传动平稳可靠，噪声小；使用范围广，速度要达到50m/s，速比可达10左右，传动功率由几瓦到数千瓦；修保养方便，不需要润等。已经逐渐取代了传统的齿轮传动。 但是同步带也有不足之处，其安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。指导教师意见 指导教师签名：年 月 日教研室（学科组、研究所）意见 教研室主任签名： 年 月 日院系意见 主管领导签名： 年 月 日XK7132型数控铣床主轴箱的设计目录绪论.1第1章 主传动系统设计概述.3第2章 数控铣床主传动系统的配置方式.4第3章 主轴电动机的选取.5第4章 同步带传动设计与计算.64.1、同步材料选择.64.2、同步带参数的计算.64.2.1、模数的选取.64.2.2、小带轮齿数.64.2.3、同步带节距.64.2.4、节圆直径.74.2.5、大带轮齿数.74.2.6、大带轮直径.74.2.7、带的速度.74.2.8、定中心距.74.2.9、带的节线长度.74.2.10、计算中心距.74.2.11、带轮与带的啮合齿数.84.2.12、带宽.84.2.13、作用在轴上的力.84.2.14、小带轮的最小包角.84.2.15、带轮宽度.8第5章 主轴组件的设计.95.1、主轴组件的设计要求.95.1.1、回转精度.95.1.2、主轴刚度.95.1.3、主轴的抗振性.105.1.4、主轴温升.105.1.5、主轴耐磨性.105.1.6、提高主轴组件抗振性的措施.105.2、减少主轴组件热变形的措施.105.3、主轴材料的选择及尺寸、参数的计算.115.4、主轴转动装置箱体的作用.135.5、主轴箱体的截面形状和壁厚的计算.15第6章 主轴轴承的选择.156.1、轴承的选择和轴承的精度.156.2、轴承预紧力的要求.156.3、主轴轴承的润滑与密封.166.4、选取轴承求.166.5、轴承寿命校核.186.6、轴承座孔的设计要求.19第7章 联接键的选择碟形弹簧的选择与计算.207.1、碟形弹簧的特点.207.2、碟形弹簧材料及热处理厚度和脱碳.217.3、碟形弹簧的强压处理.217.4、表面强化处理和防腐处理.21第8章 螺钉联接的设计.238.1、根据设计要求计算.238.2、螺钉的强度计算与校核.23第9章 液压缸的设计.249.1.液压压缸安装应注意的问题.249.2.压缸各部分的结构及主要尺寸的确定.249.3.强度校核.25第10章 润滑与密封件设计2610.1、封件的作用及其意义.2610.2、密封的分类及密封件的材料要求.2610.3、防尘圈的设计要求.27结论.28致谢. .29参考文献. .30绪论数控技术，简称数控（Numerical Control）。它是利用数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床（NC）。数控技术包括：数控装置，可编程控制器，主轴驱动及进给装置等部分。数控机床是机、电、液、气、光，高度一体的产品。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数。例如，进给速度，主轴转速，主轴正反转，换刀，冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工文件存放在信息载体上，然后由机床上数控系统读入，通过对其译码，从而使机床动作和加工零件。在机械加工工业中大批量零件的生产宜采用专用机床或自动化生产线。当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床；当生产批量大时宜采用专用机床；而当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床。这是由数控机床的特点决定的。数控机床能完成很多普通机床难以胜任，或者根本不可能加工出来的复杂型面的零件，这是由于数控机床具有多坐标轴联动功能，并可按零件加工的要求变换加工程序。因此，数控机床在航空航天等领域获得广泛的应用。控机床可以获得较高的加工精度，加工质量稳定。数控机床的传动件，特别是滚珠丝杠精度很高。机床导轨采用滚动导轨或粘接有摩擦系数很小的合成塑料，因而减少了摩擦阻力，消除了低速爬行。闭环、半闭环伺复系统，装有精度很高的位置检测元件，并随时把位置误差反馈给控制系统，使之能够及时进行误差校正。数控机床的一切操作都是由程序装配的，没有人为干扰，因而加工质量稳定。有较高的生产率，切削速度高，空行程的速度可达 mm以上，再因辅助时间很短。目前，现代数控机床正发展迅速，正朝以下几个趋势发展：1、具有先进的自检能力使之长期可靠的工作。在现在机床上装有多种监控、检测装置，从而提高了机床的综合性能。2、向高速，高精度发展。新型的数控系统及伺服系统，有很高的分辨率和进给速度，达到了.m（m/min ），m（m/min），甚至达.m（mm/min）。更高的生产率和利用率3、单元模块化。数控机床的主轴部件、变速箱立柱、工作台、刀架等都可以模块化生产，有专门生产厂家供货。不仅可提高产品质量，也大大的缩短了机床的生产周期。数控技术的发展，对我国国民经济的发展起着巨大的作用，特别是对我国要机械制造工业的现代化起到至关重要的作用。为此，我们要加大数控机床的研究和探讨，把三坐标铣床主轴设计作为我的毕业设计，也是对我大专期间学习成果的一次全方位的检验。绪论数控技术，简称数控（Numerical Control）。它是利用数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床（NC）。数控技术包括：数控装置，可编程控制器，主轴驱动及进给装置等部分。数控机床是机、电、液、气、光，高度一体的产品。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数。例如，进给速度，主轴转速，主轴正反转，换刀，冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工文件存放在信息载体上，然后由机床上数控系统读入，通过对其译码，从而使机床动作和加工零件。在机械加工工业中大批量零件的生产宜采用专用机床或自动化生产线。当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床；当生产批量大时宜采用专用机床；而当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床。这是由数控机床的特点决定的。数控机床能完成很多普通机床难以胜任，或者根本不可能加工出来的复杂型面的零件，这是由于数控机床具有多坐标轴联动功能，并可按零件加工的要求变换加工程序。因此，数控机床在航空航天等领域获得广泛的应用。控机床可以获得较高的加工精度，加工质量稳定。数控机床的传动件，特别是滚珠丝杠精度很高。机床导轨采用滚动导轨或粘接有摩擦系数很小的合成塑料，因而减少了摩擦阻力，消除了低速爬行。闭环、半闭环伺复系统，装有精度很高的位置检测元件，并随时把位置误差反馈给控制系统，使之能够及时进行误差校正。数控机床的一切操作都是由程序装配的，没有人为干扰，因而加工质量稳定。有较高的生产率，切削速度高，空行程的速度可达 mm以上，再因辅助时间很短。目前，现代数控机床正发展迅速，正朝以下几个趋势发展：1、具有先进的自检能力使之长期可靠的工作。在现在机床上装有多种监控、检测装置，从而提高了机床的综合性能。2、向高速，高精度发展。新型的数控系统及伺服系统，有很高的分辨率和进给速度，达到了.m（m/min ），m（m/min），甚至达.m（mm/min）。更高的生产率和利用率3、单元模块化。数控机床的主轴部件、变速箱立柱、工作台、刀架等都可以模块化生产，有专门生产厂家供货。不仅可提高产品质量，也大大的缩短了机床的生产周期。数控技术的发展，对我国国民经济的发展起着巨大的作用，特别是对我国要机械制造工业的现代化起到至关重要的作用。为此，我们要加大数控机床的研究和探讨，把三坐标铣床主轴设计作为我的毕业设计，也是对我大专期间学习成果的一次全方位的检验。第1章 主传动系统设计概述数控机床的主传动系统包括主轴电动机，传动系统和主轴组件。与普通机床的主传动系统相比数控机床在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担。省去了繁杂的齿轮变速机构，还有一些数控机床设计中还存在二级或三级齿轮变速机构用以扩大主轴电动机无级变速的范围。对主传动系统的要求:范围： 各种不同的机床对调速范围的要求不同，多用途，通用性比较大的机床，要求主轴的调速范围大，不但有低速大转距的功能，而且还要有比较高的速度。热变形：电动机、主轴及传动件都有热源。降低温升，减少热变形是对主传动系统要求的重要指标。旋转精度和运动精度：主轴的旋转精度:是指装配后，在无载荷，低速转动条件下，测量主轴前端和300mm处的径向和轴向跳动值。主轴在以工作速度旋转时，测量上述两项精度称为运动精度。数控机床要求有较高的旋转精度和运动精度。主轴的静刚度和抗振性；由于数控机床的加工精度比较高，主轴的转速又很高。因此，主轴组件的质量分布是否均匀以及主轴组件的阻尼等，对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。主轴组件的耐磨性； 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持要求的准确精度。凡是有机械摩擦的部位，轴承，锥孔等都要有足够的硬度，轴承还应具有良好的润滑。第2章 数控铣床主传动系统的配置方式数控铣床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证进行加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此机构必须适应自动操作的要求。大多数的数控铣床是用无级变速系统控制的。数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式：带有变速齿轮的主传动这种配置方式在大中型数控机床中采用比较普遍。它通过少数几对齿轮进行降速，使之能够分段变速，确保低速时拥有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性。但也有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。通过带传动的主传动主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。同步带有多楔带，齿形带，圆弧带等，是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主动和从动带轮可做无相对滑动的同步传动。与一般带传动相比，同步带传动具有以下优点：1.无滑动，传动比准确。2.传动效率高，可达98%以上。3.传动平稳可靠，噪声小。4.使用范围广，速度要达到50m/s，速比可达10左右，传动功率由几瓦到数千瓦。5.修保养方便，不需要润滑。但是同步带也有不足之处，其安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。由调速电动机直接驱动的主传动：这种主传动方式大大简化了主轴箱与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电动机转动时发出的热量对主轴的精度影响比较大。在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。使用这种电动机可实现电气定向。我们把机床主轴驱动与一般工业的驱动相比较，便可知机床要求其驱动系统有较高的速度精度和动态刚度，而且要求具有能连续输出的高转距能力和非常宽的恒功率运动范围。随着功率电子，计算机技术，控制理论，新材料和电动机设计的进一步发展和完善，矢量控制交流主轴电动机驱动系统的性能已经达到甚至超过了直流电动机驱动系统，交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。第3章 主轴电动机的选取正确选择电动机的类型、型号及容量是机床设计的重要问题之一，它直接影响着机床的结构和寿命，选择时要根据机床的功能要求，所设计的结构，工作状况等全面考虑，然后选择适宜的结构型式及容量。 图3-1主轴电动机电动机功率的选择：工作机所需的有效功率为：Pw=Fv/1000=17.5kw,为了计算电动机所需的功率，先要确定从电动机到工作部件的总效率，设1、2、分别为同步带轮和同步带的传动效率，查表所得1和2都等于0.97。则传动的总效率为=12=0.94， 所以电动机所需的功率为Pd=Pw/=18.5KW电动机传速的选择:此次设计要求电动机必须有额定转速1500r/min,最高转速必须达到4000r/min.电动机型号的选取：根据设计要求，本次设计中选取兰州电机厂生产的1PH5167-4CF4型号交流主轴电动机。其主要参数如下表：额定转速（r/min）最高转速(r/min)额定转矩惯性矩(N.M)电机功率(KW)恒功率范围15006000117.70.04618.51:90表3-1第第4章 同步带传动设计与计算同步带传动，综合了带、链和齿轮传动的优点，带的工作面呈齿形,与带轮的的齿槽作啮合传动，使主、从带轮间作无滑差的同步运动，其特点是传动比准确，对轴作用力小，结构 紧凑，耐油耐磨损，抗老化性能好，传动效率可达99.5%，传动功率从几瓦到数百千瓦，传动比可达10，线速度可达40m/s以上。此次设计选用梯形同步带，它靠齿啮合传动，速比准确，传动效率高，初张紧力最小，轴承承受压力最小，瞬时速度均匀，单位质量传递的功率最大，与链和齿轮传动相比，噪声小，不需要润滑，传动比、线速度范围大，传递功率大，而冲击振动较好，维修简单，经济。广泛用于各种机械传动中。4.1、材料选择：根据设计要求，选用聚氨酯同步带，由带背、带齿、抗拉层三部分组成。带背和带齿材料为聚氨酯，抗拉层采用钢丝绳，适用于中小功率的高速运转部分。4.2、参数计算：设计计算的内容主要是：齿形带的模数、齿数、和宽度的结构和尺寸，传动中心距，作用在轴上载荷以及结构设计。4.2.1、模数的选取：模数主要根据齿形带所传递的计算功率Pd和小带轮转速n1确定的，通过查现代数控机床表4-33查得Pd=KA*P, 式中P传动功率表4-1载荷性质一天运转时间/h10101616以上载荷平稳1.01.11.2载荷变化小1.21.41.6载荷变化大1.41.72.0选取KA=1.7，所以PC=5.51.7=9.35KW由齿形带模数选用图可选m=44.2.2、小带轮齿数Z1:由机械传动装置设计手册表8-38 得Zmin=22,所以取Z1=244.2.3、同步带节距Pb:由PD=9.35KW n1=1500r/min, 查表选取节距Pb=12.566mm, 齿形角2=40。齿根厚S=5.75mm。齿顶厚St=4mm, 齿高hg=ht+e=2.4+2.7=5.1mm, 齿根圆半径Rr=齿顶圆半径Ra=0.40mm, 带高hs=4.4mm, 节顶距=1.000mm, 带bs=3540mm.4.2.4、节圆直径d1:d1=96 4.2.5、大带轮齿数z2与直径：z2=iz1=364.2.6、大带轮直径d2=id1=1.596=1444.2.7、带的速度V:V=7.536， (式4-1)由表查得Vmax=3540 VVmax 所以合格。4.2.8、定中心距a0: 5(d1+d2) a02(d1+d2)所以：0.7（96+144）a02(96+144)则有168a0480 初选a0=3004.2.9、带的节线长度Lp以及齿数Zb：Lp0=2a0+(d1+d2)+=2300+240+=978.72 （式4-2）查表选取Lp=1005 Zb=804.2.10、计算中心距a（采用中心距可调）aa0+=300+ （式4-3） 选取a=314 4.2.11、带轮与带的啮合齿数Zm：Zm=11.82 取Zm=12 （式4-4）因为当m2时，Zm应不小于6 ，所以计算的Zm满足条件。4.2.12、带宽bs: bs 查表取Kz=1.20, Fa=20N/mm （式4-5）Fc=mbV2=4.810-3 7.5362=0.273所以 bs选取bs=404.2.13、作用与轴上的力Fr：Fr= （式4-6）4.2.14、小带轮最小包角：180-60（d2-d1）/a=180。-60。（144-96）/314=170.8。5.2.15、带轮宽度bf, bf1, bf2 bf=bs+(1.53)=41.543bf1=bs+(67)=4647bf2=bs+(35)=4345第5章 主轴组件的设计主轴组件主要包括：主轴、主轴支撑和安装在主轴上的传动件、密封件等，因为主轴带动工件或刀具直接参加工件表面形成运动，所以它的工作性能对加工质量和生产率产生直接影响，是机床最重要的部件之一。5.1.主轴组件的设计要求：主要体现在如下方面：5.1.1回转精度： 主轴组件的回转精度,是指主轴的回转精度。当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的得回转中心线。回转中心线的空间位置，每一瞬间都是变化的，这些瞬间回转中心线的平均空单位转移不为理想回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间位置的距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。纯径转误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。当径向误差和角度误差同时存在构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是在所有的情况下都表示为被加工工件所得的加工形状。主轴回转精度的测量，一般分为三种静态测量、动态测量和间接测量。目前我国在生产中沿着传统的静态测量法，用一个精密的检测棒插入主轴锥孔中千分表触头触及检测棒圆柱表面，以低速转动主轴进行测量。千分表最大和最小的读数差既认为是主轴的径向回转误差。端面误差一般以包括主轴所在平面内的直角坐标系的垂直度，数据综合表示。动态测量是用一标准球装在主轴中心线上，与主轴中心线上，与主轴同时旋转；在主轴同时旋转；在工作台上安装两个互成90度角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。间接测量是用小的切削量用小的切削量回工有色金属试件，然后在圆度仪上测量试件的圆度来评价。出厂时，普通级加工中心的回转精度用静态测量法测量，当L=300mm时允许误差应小于0.02。造成主轴回转误差的原因主要是由于主轴的结构及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等，而主轴及其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的回转误差。因此加工中心的主轴不平衡量要控制在0.4/s以下。5.1.2、主轴刚度：主轴组件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。通常抵以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。主轴组件的刚度越大，主轴受力的变形就越小。主轴组件的刚度不足，在切削力及其他力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支撑跨距、所选轴承类型及配置形势、砂间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。5.1.3、主轴抗振性：主轴组件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳的运转而不发生振动的能力。主轴组件抗振性及在必要时安装阻尼（消振）器。另外，使主轴固有频率远远大于激振力的频率。5.1.4、主轴温升：主轴组件在运转中，温升过高会起两方面的不良结果：一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会有变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生：“抱轴”。数控机床在解决温升问题时，一般采用恒温主轴箱。5.1.5、主轴的耐磨性：主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提高硬度增加耐磨性。主轴轴承也需要有良好的润滑，提高其耐磨性。以上这些要求，有的还是矛盾的，例如高刚度和高速，高速和高精度等，这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件的主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度数控机床时，主轴应满足高刚度、低温升的要求。同时，主轴结构要保证个部件定位可靠，工艺性能好等要求。5.1.6、提高主轴组件抗振性的措施：尽量缩短主轴前轴承结构的长度， 适当增大跨矩；尽量提高前轴承的刚度和阻尼；提高前轴承的精度，把推力轴承放在前支撑初可提高抗振性；对高速旋转的零件作静、动平衡，提高齿轮、主轴的制造精度都可适当减少强迫振动源；对于非连续切削过程的铣削，滚削等加装飞轮可减少振动；应用阻尼器消耗振动能量是有效的措施；考虑系统的固有频率，避免共振。5.2、减少主轴组件热变形的措施：把热源移至机床以外。改善主传动的润滑条件。如进行箱外循环润滑，用低粘度的润滑油、油雾润滑等，特别注意前轴承的润滑情况。采用冷却散热装置。例如用热管冷却减少机床各部位的温差,进行热补偿。如可以在结构设计采用一些自动补偿的装置设法使热变形朝不影响加工精度的方向发展。还可以在工艺上减少热变形的影响。如先空运转一段时间再加工。把粗、精加工分开等。5.3、主轴材料的选择及尺寸、参数的计算：图5-1主轴主轴是主轴组件的重要组成部分，它的结构尺寸和形状、制造精度、材料、及其热处理，对主轴组件的工作性能都有很大的影响。主轴结构随系统设计要求的不同而有各种形式。主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据使主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适应范围。主轴直径 主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。同时极限转数下降。主轴后端支撑轴颈的直径可视为0.70.8的前支承轴颈值，实际尺寸要在主轴组件结构设计时确定。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。主轴内孔直径 主轴的内孔用来安放棒料、刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液动卡盘等。主轴孔径越大，可通过的棒料直径也越大，机床的适用范围就越广，同时主轴部件的相对重量也越轻。主轴孔径的大小主要受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴的直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；等于0.35时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%；大于0.7时空心主轴的刚度急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。根据设计要求，此设计选用的主轴材料是45#钢。其热处理及参数如下表表5-1材料热处理硬度（HBS）抗拉强度极限屈服强度极限s弯曲疲劳极限-1剪切疲劳极限-1许用弯曲应力-1 45调质、渗氮21725564035530015560因为选用的主轴电机功率为P=18.5KW，额定转速nc=1500r/min所以主轴功率 p=pc/123=9.67 kw (式5-1)因为主轴是空心转轴，所以 d1=21.68 . （式5-2）查表得=1.23 所以d1=21.681.2321.23=56.6 又因为此处轴上有一个键槽，所以d1=d(1+5%)=59.45 取d1=60;d2=d1+2a,a为轴肩高度，用于轴上零件的定位和固定，故a值应该稍微大于毂孔的圆角半径或倒角深，通常取a（0.070.1）d1；d2应符合密封件的孔径要求。所以 d2=63mmd3=d2+58mm=72mm。 d4=d3+15mm=74mm。d5=d4+15mm=78mm。d6=d5+2a。a(0.070.1)d1 所以d6=80mm。根据选用的轴承确定d7=98mm主轴的疲劳强度安全系数校核，危险截面安全系数s的校核计算： s=s （式5-3）_只考虑弯距作用的安全系数；s_只考虑扭距作用是的安全系数；s _许用安全系数；在此查表所得s=1.31.5；s= 查表得出-1=270Mpa -1=155Mpa k=1.71 k=1.44 =1.6 =0.78 =0.74，=0.3，=0.21，=， m= M= Wp= 所以：s=1.08T 因为轴承使用寿命远大于轴承预期的寿命所以轴承合格的。6.6、轴承座孔的设计要求：箱体壁上有安装轴承的轴承座孔，通常轴承座孔宽度均大于壁厚，而且，孔的两端面往往需要机械加工，壁厚则不需要加工，故在箱壁单侧或者双侧制造出凸台，凸台可以增强主轴箱体的局部刚度，但D/d小于或等于2时，增强效果较为明显。由于结构的原因，h/t2的情况下，为改善凸台的局部刚度，应该设有加强肋。 第7章 联接键的选择和碟形弹簧的选择与计算联接键的选择键的类型可根据联接的结构特点，使用要求和工作条件选择，键截面尺寸通常根据轴的直径，从标准中选取，对于某些特殊情况（如阶梯轴）在保证传递所需的转矩的条件下，允许选用较标准规定小一挡的截面尺寸，有时候由于工艺和强度原因，也可以选用较标准规定尺寸大一挡的键，键的长度按轮毂长度而定，即键的长度等于略短于轮毂的长度，而导向平键就的按轮毂的长度及滑动距离而定，键的长度应该符合标准规定的长度系列。根据设计尺寸和GB/T1096-1979选普通平键联接，键的公称尺寸是bhL=108(2836)，材料选取45号钢。7.1碟形弹簧的选择与计算碟形弹簧它是一种用钢板冲压的截面锥形压缩弹簧，其特点是： 图7-1碟形弹簧7.1.1、刚度大，用于负荷大，轴向空间要求小的地方。7.1.2、具有变刚度特性，适应范围广，根据其极限变形量h0和弹簧板厚度t不同，可有各种不同的特性曲线和承载能力。7.1.3、在工作过程中，碟片之间有摩擦损失，加载和卸载时的特性曲线不重合，吸振能力强，制造维修方便。根据设计要求，选用A系列碟形弹簧。采用对合组合方式安装。7.2、碟形弹簧材料及热处理、厚度和脱碳。碟形弹簧材料为60Si2MnA，碟簧成型后，进行淬火，回火后的硬度必须在HRC4245范围内单面脱碳层深度，对于厚度小于1.25mm的第一类碟形弹簧，不得超过其厚度的5%，对于厚度不小于1.25mm的碟形弹簧，不超过其厚度的3%（其最小值允许为0.06）。7.3、碟形弹簧的强压处理：碟形弹簧应全部进行强压处理，处理方法为：一次压平，持续时间不少于12h，或者进行短时压平，压平次数不小于5次，压平力不小于二倍的Pf=0.75h0,强化处理后自由高度应稳定。7.4、表面强化处理和防腐处理：对于受变负荷的碟形弹簧，内锥面推荐表面作强化处理，例如喷丸处理等，根据需要，碟形弹簧表面进行防腐处理（如磷化、氧化、镀锌等），经电镀后的碟形弹簧，必须进行去氢处理，不过对受变负载的碟形弹簧应该避免采用电镀方法处理。其主要设计参数如下：D=50 d=25.4 t=3 h0=1.1 H0=4.1 P=12000N f=0.83 H0-f=3.27 M=-1250N/2 =1430 N/2 Q=34.30kg/1000件D/t18 h0=0.4 E=206000N/2 =0.3 K4=1 C=2 压平弹簧的负载：PC= （式7-1） K1=0.69， （式7-2）P/Pc=5000/8410=0.59 因为h0/t=0.4 (查表所得) 所以 f=0.57h0=0.51 所以对合组合的片数为I= 取12片.未受负载的高度是HZ=i.H0=223.15=69.3受负载时的高度H1=HZ-if=69.3-220.51=58.08压平弹簧时(f=h0)M点的应力 M= （式7-3）此数据与60Si2MnA的屈服极限1400接近碟形弹簧的刚度P=9015.53N （式7-4）第8章 螺钉联接的设计设计要求：1.螺钉的布置一般对称形式，并应该根据结构和力流方向使螺钉受力合理，加工与安装方便。2.形心与结合面的形心应该重合。3.用铰制孔螺钉（受剪切螺钉）承受横向载荷时，沿力流方向的螺钉应不多于6个。4.一组螺钉的直径和长度应该尽量相同。5.一组螺钉中每个螺钉的预紧力应该相同。6.钉中心线间的最小距离t=（1.52.0）s，s为六角螺母的对边宽度，最大距离与联接用途有关。7.该满足拧螺钉时需要的最小扳手空间。8.校核计算时只计算受力最大的螺钉。六角头头部带槽螺钉： 图8-1六角头头部带槽螺钉8.1、根据设计要求计算：选用M6和M8两种螺钉，其中M6型号螺钉主要尺寸参数为：b=24, dk=9.7810, K=3.9, t=2, B=4.15, l=1060,精度等级为8.8级。M8型号螺钉主要尺寸参数为：b=28, dk=12.7313, K=5, t=2.6, B=5, l=1280， 精度等级为8.8级。8.2、螺钉的强度计算与校核： 承受横向载荷和轴向载荷的普通螺钉的校核M6螺钉校核公式：41.3F0/(d1)2, 96.32=106.2所以合格。设计公式：d141.3F0/1/2 =5.96 式中 (d1是螺钉的螺纹小径，是螺钉的许用拉应力)第9章 液压缸的设计设计液压缸时，要在对液压系统工作情况分析的基础上，根据液压缸在机构中所要完成的任务来选择液压缸的结构形式，然后按负载、运动要求、运动要求、最大行程等确定主要尺寸，进行强度、稳定性和缓冲验算，最后进行具体的结构设计。此次设计选用的是双杆活塞式液压缸，这种液压缸是缸筒固定的双杆活塞缸，活塞的两侧的活塞杆直径相等，它的进油口和出油口位于缸筒的两端，当工作压力和输入流量向同时，两个方向上的推力和速度是相等的。图9-1液压缸9.1.液压缸安装时应注意的问题：9.1.1液压缸的基座必须有足够的刚度，如果按装基座不够坚固，加压时，缸筒将会呈弓形和向上翘起，致使活塞杆弯曲或折损，还有得就是尽量使活塞杆在受拉力状态下能够承受最大负载，或在受压状态下活塞杆具有良好的纵向稳定性。9.1.2液压缸轴向两端不要固定死， 因为液压缸热膨胀等因素，会在轴向伸缩，假若两端固定死，将会使液压缸的整体向上弯曲，而导致个部分变形，当活塞移动时，会产生阻滞现象，活塞和活塞杆的导向套等表面产生不均匀的磨损等不良现象，所以必须避免这种安装方法。9.1.3安装前，先要检查加工零件上有无毛刺或锐角；装入密封件时，要用高熔点润滑油；正确安装，搞清安装方向；注意密封件的挤出和拧扭； 密封圈要顺利的通过螺纹或孔口。9.2.液压缸各部分的结构及主要尺寸的确定：尽可能按推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽量做到结构简单、紧凑、加工、装配和维修方便。正确确定液压缸的安装和固定方式。考虑液压缸的热变形，它只能一端固定。缸筒内径D： 根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输入流量计算，再参考GB2348-80标准选取缸筒内径D=78.5mm活塞杆直径d： 按工作时受力情况，参考GB3458-80标准确定d=27mm钢筒长度L: 根据最大工作行程确定L=126mm9.3.强度校核对于液压缸的缸筒壁厚活塞杆直径d缸盖处固定螺钉的直径，在高压系统中，必须进行强度校核。筒壁厚，在中、低压液压系统中，缸筒壁厚往往由结构工艺要求决定，一般不要校核。在高压系统中，须按下列情况进行校核。当D/10时为薄壁，可按下式校核， = 23mm 式中 D-缸筒的内径py-试验压力，当缸的额定压力pn16Mpa时，取 py=1.5pn；pn16Mpa时，取py=1.25 -缸筒材料的许用应力, =b/n, b为材料抗拉强度,n为安全系数,一般取n=5。活塞杆直径d的校核 =26.66mm （式9-1）式中F-活塞杆上的作用力。-活塞杆上的许用应力，= b/1.4第10章 密封件设计10.1、密封件的作用及其意义： 在液压与气压系统及其元件中，安置密封装置和密封的作用，在于防止工作介质的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。设置于密封装置中、起密封作用的元件称为密封件。液压与气压传动工作介质，在系统及元件的容腔内流动或暂存时，由于压力、间隙、黏度等因素的变化，而导致少量工作介质越过容腔边界，由高压腔或外界流出，这种“越界流出”现象就叫做泄漏。泄漏分为内泄漏和外泄漏两类。内泄漏指在系统或元件内部工作介质由高压腔向低压腔的泄漏；外泄漏则是由系统或元件内部向外界的泄漏。单位时间内泄漏的工作介质的体积称为泄漏量。对于液压传动系统，内泄漏会引起系统容积效率的急剧下降，达不到所需的工作压力，使设备无法正常运转；外泄漏则造成工作介质的浪费和环境的污染，甚至引发设备操作失灵和人身事故。因此，正确和合理的使用密封件事液压系统正常运转的重要保证。10.2、密封的分类及密封件的材料要求：密封的作用是阻止泄漏。造成泄漏的原因主要有两方面：一是密封面上有间隙；二是密封部位两侧存在较大压力差。消去或减少任一因素都可以阻止或减少泄漏。因此，密封的方法通常有：封住结合面的间隙；切断泄漏通道；增加泄漏通道中的阻力；设置做功元件，对泄漏介质造成的压力，以抵消或平衡泄漏通道的压力差。所以，密封的分类存在多种方法。用于制造密封件的材料主要有橡胶（如丁晴橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶等）、塑料（如四氟乙烯、聚酰胺、聚甲醛等），以及皮革、金属等。密封件的材料应满足密封功能的要求。由于被密封工作介质以及设备工作条件的不同，密封件材料具有不同的适应性。密封材料应具用的一般要求：1.材料密实，不易泄漏工作介质；2.对工作介质有良好的适应性和稳定性；有适当的机械强度和硬度，受工作介质的影响小；3.压缩性和复原性好，永久变形小；4.温度适应性好，高温下不软化、不分解，低温下不硬化，不脆裂；5.摩擦系数小，耐磨性好；6.抗腐蚀性能好，能在工作介质中长期工作，其体积和硬度变化小；7.与密封面贴合的柔软性和弹性好；8.耐臭氧性和耐老化性好，使用寿命长；9.加工性能好，价格低廉；显然，能同时满足上述所有要求的密封材料是不易求得的，但密封性能优越的材料应能够满足上述大部分的要求。10.3、防尘圈设计要求：在液压缸中，防尘圈被设置于或活塞杆或柱塞运动期间，外界尘埃、沙粒等异物侵入液压缸，从而引起密封圈、导向环和支撑环等损伤和早期磨损，并污染工作介质，导致液压元件损坏。结 论此次毕业设计所设计的题目是“数控铣床主轴箱结构设计”通过这次设计，我对数控技术的发展现状有了一个全面地了解，了解了数控技术在现在以及以后机械工业中所起的作用，明白了数控技术的在以后工业的发展中所扮演的角色。为自己今后更好的学习数控技术指明了方向。通过这次毕业设计，使我对大学期间所学的知识，进行了融会贯通，有了一个全新的认识，对以前许多不太清楚的地方，通过问老师和查资料的方法，已经明白了很多，知道了自己以前学习的不足，所以以后应该更加努力。此次设计，我认为最重要的就是使我明白了，无论做什么事情，要想做好，必须态度端正；要善于学习，时刻学习；做事要严谨、认真，细致、不怕吃苦，还要有创新精神。致 谢时间总是过的很快，转眼间大专生活即将在这次艰辛又充满乐趣的毕业设计中结束。在整个设计过程中，我充分领略到了“书上得来终觉浅，要知此事要躬行”这句话的深刻哲理。这次毕业设计能够顺利完成，是由于指导老师如同黑夜的指明灯一样给我指明了方向，在这里我深深地感谢姚明老师的悉心指导，同时非常感谢范丰老师在我设计过程中的帮助和指导。正是由于有罗老师和张老师的指导，我的毕业设计才能顺利进行下去，他们的工作精神和对学生的严格要求与细心指导，让我非常感动。在此我对两位老师对我的帮助，表示最深的感谢。同时，对所有帮助我完成毕业设计的老师和同学表示感谢。这次设计，不仅使我学到了数控技术方面的知识，更让我认识到“书到用时方恨少”的道理，端正了我的学习态度，对我以后工作起到了至关重要的作用。通过这次设计，我对大专所学的知识进行了一次全面的总结和应用。初步了解了整个机械设计的过程，学会了怎样利用有关资料和手册去获得所需的数据，更重要的是，在这次设计中，我明白了，无论做什么事情都必须严谨，认真，不能有丝毫马虎，要有吃苦耐劳的精神。大专生活即将结束，我马上就要步入社会，我将更加努力，把自己培养成对社会有用的人才参考文献：(1)、机械设计手册第三版第二卷 成大先主编 化学工业出版社(2)、机械设计手册第三版第五卷 成大先主编 化学工业出版社(3)、机械设计与制造简明手册 唐保宁主编 同济大学出版社(4)、实用机床设计手册 李洪主编 辽宁科学技术出版社(5)、数控机床维修技术手册 孙汗卿主编 机械工业出版社(6)、现代金属切削机床概论 贾亚州主编 机械工业出版社(7)、机械传动装置设计手册 卜炎主编 机械工业出版社(8)、机修手册 王林玉主编机械工业出版社(9)、机械设计手册第四版第二卷 成大先主编 化学工业出版社(10)、机械设计手册新版化学工业出版社(11)、机械零件设计手册 吴宗泽主编 机械工业出版社(12)、机械设机师手册 吴宗泽主编 机械工业出版社(13)、实用机械传动设计手册 姚振浦主编 科学技术出版社(14)、机械工程师手册 赵明生主编 机械工业出版社(15)、现代数控机床 王爱玲主编 国防工业出版社(16)、数控机床加工工艺编程技术与维护维修实用手册 席子杰主编 吉林电子出版社(17)、数控原理与系统 李宏胜主编 机械工业出版社(18)、液压与气压传动 王积伟主编 机械工业出版社(19)、公差与配合技术手册 唐锡杰主编 机械工业出版社(20)、互换性与测量技术基础 陈隆德主编 大连理工大学出版社五轴铣床运动链的设计与分析作者：E.L.J. Bohez摘要：现如今五轴数控加工中心已经非常普及。大部分机床的运动学分析都基于笛卡尔直角坐标系。本文罗列了现有的概念设计与实际应用，这些从理论上都基于自由度的综合。一些有用的参数都有所规定，比如工件使用系数，机床空间效率，方向空间搜索以及方向角等。每一种概念，它的优缺点都有所分析。选择的标准及机器参数设置的标准都给出来了。据于Stewart平台的新概念最近行业内已有介绍并作简短讨论。关键词：五轴；机床；运动链；工作区；CNC；旋转轴1.绪论设计一台数控机床主要遵循以下规则：1、刀具和工件在空间方向上要有足够的灵活性。2、方向和位置的改变要尽可能的快。3、方向和位置的改变要尽可能的准确。4、刀具和工件快速变、换。5、环保6、切削材料速度快一台数控机床的轴的数目通常取决于其自由度数目或者独立控制运动的导轨数目。国际标准委员会推荐通过右手笛卡儿坐标系来命名坐标轴，刀具相应的为Z轴。一台三轴铣床上有三条导轨，X,Y,Z向，它们可用来在长度范围内在任意位置上移动。加工过程中刀具轴的位置始终不变。这就限制了刀具相对于工件在方向上变化的灵活性，并且导致多次工装的出现。为了尽可能的提高刀具相对于工件的灵活性，无需再次装夹工件，必须要加入多个自由度。对于传统三轴机床来说这可以通过提供旋转滑台来实现。图1给出了一个五轴铣床的例子。图1 五轴数控机床2.运动链图表通过制作机器的运动链图表对于机器的分析来说十分有用。通过运动简图得知两组轴可以迅速的区分开：工件装夹轴和刀具轴。图2给出了图1五轴机床的运动链简图。由图上可以看出工件由四根轴承载，刀具仅在一根轴上。这个五轴机床与两工位操作机器人很相似，一个机器人夹住工件，另一个夹住刀具。为了获得刀具工件方向上的最大自由，五个自由度已是最低要求，这就意味着工件和刀具可以在任意角度位置相对定位。最低需求的轴数也可以通过刚体运动学的方法来分析。两个刚体在空间确定相对位置，每个刚体需要6个到12个自由度。然而由于任意的移动或转动并不改变相对位置就允许将自由度减少到6。两个刚体之间的距离通过刀具轨迹来描述，并且允许去掉一个额外的自由度，结果也就是5个自由度。图2 运动链图3.参考文献最早（1970年）到目前并且仍就有参考价值的对五轴数控铣床的介绍之一是由 Baughman1提出的并清楚的阐述了它的应用。APT语言随后成为唯一的五轴轮廓加工的编程语言之一。后处理阶段的问题也在数控发展的早期由Sim2清楚的表述出来，并且大部分问题到现在仍然有效。Boyd 3也是最早引进数控机床的先驱之一。Beziers4的书也是非常有用的介绍。Held5在他的小型铣削加工的书里对多轴机床也有非常简短但启发性的定义。目前一篇适用于解决五轴数控机床工作空间计算的文章，通过使用Denawit-Hartenberg发表并由 Abdel-Malek and Othman6改进的算法应用于多弧段切削。许多对机床的类型和概念设计，可以被应用于五轴机床7但不是专门为五轴机床。对部分机床设置的数量和最优取向上进行了探讨8。关于对刀具路径生成的技巧和新需求由B.K. Choi et al9给出。工件与刀具的图像模拟也是研究的热点并且是一个好的入门读物10。4.五轴机床运动结构的分类从R轴（旋转轴）和T轴（移动轴）划分大致可以分为四大部分：（i）3个移动轴和2个转动轴；（ii）2个T轴和3个R轴；（iii）1个移动轴和4个转动轴以及（iv）5个转动轴；几乎所有五轴机床都是第一组。也有一些焊接机器人，弯折机器以及激光机器也属于这一类。只有限距五轴机床属于第二组，用以制造船舶螺旋桨用。第三组和第四组用于制造机器人，常常另加三个自由度。在不同的制品中，五根轴可以在工件或刀具之间分配。第一分类可以由工件和刀具所承载的轴数以及每根轴在运动链中的功能来划分。另一种分法是据于旋转轴的位置，在工件一边还是在刀具一边。五自由度基于笛卡尔坐标系的机床是：3个移动轴X,Y,Z(通常表述为TTT)和2个旋转运动AB,AC,BC（通常称作RR）。拥有3个旋转轴和2个移动轴的制品并不多见。如果一个轴装夹工件，习惯上不另加东西在这根轴上。由图1五轴机床可记为 X Y A B Z. XYAB轴装夹工件，Z轴装刀具。图3展示的是XYZAB型机床，3个移动轴装夹刀具，2个旋转轴装工件。图3 XYZA B 型机床4.1基于工件和工具承载轴顺序的分类理论上，如果工具和工件承载轴的两个运动链的顺序算作一个不同的配置，可能配置的数目是相当大的。也只有两个线性轴和三个旋转轴的组合包括在内。一个工具承载轴和四个工件承载轴可以在一个五轴机床组合如下：对每一个可能的工具承载轴X，Y，Z，A，B，C其他四个工件承载轴可以从现存的五个轴中选。所以四轴组合的数量与另一个配置是考虑不同排列54！=120为每个可能的工具轴选择（1出6或6的可能性）。所以理论上有6120=720可能五轴机床使用一个工具承载轴。同样的分析可以用于所有其他组合。t数量的工具承载轴和w数量的工件承载轴（w+t=5）的组合的总数量如下。 (1) (2)该方程的值总是等于6！或720 W + T =5时。这些720的组合将只包含两个线性轴。如果只有五轴机床被认为带有三个线性轴，那么只有35！=360组合是可能的。5.五轴机床工作空间在定义五轴机床工作空间之前，有必要说明一下刀具工作空间和工件工作空间。刀具工作空间就是通过刀具参考点沿着刀具轨迹生成轴来获得。工件空间也是同样定义的（工作台中心可以被选择为工件参考原点）。这些工作空间可以通过计算切削量来定义。基于上述定义一些参数量可以定下来，这些参数对比较，选择以及设计不同类型机床都是十分有用的。 图11 G2/G3组中的 R R机床6.选择五轴机床的标准完全学习好如何为专用机床选择或设计一个五轴机床是不现实的。只有使用主要标准，来核实五轴机床并加以讨论。6.1 五轴机床的应用应用程序可以分为位置和轮廓。图12和图13展示了五轴位置机床和五轴轮廓机床。6.1.1图12展示了一个多孔以及不同角度有平台的工件。要用一个三轴磨床加工这个工件，一步也无法完成。如果用五轴机床则可以加工。轮廓更多的参数等信息可以在参考文献13中去查看。五轴机床用于加工轮廓的有：（i）叶片类产品，例如空气压缩机的叶片和涡轮机的叶片；（ii）燃料泵的喷嘴；（iii）轮胎的轮廓；（iv）医学假肢，例如人工心脏瓣膜；（v）复杂表面的模具。图12 五轴加工多孔复杂方位角零件 图13 五轴加工复杂轮廓零件6.1.2五轴轮廓图13显示了一个五轴轮廓的例子，机器的表面形状复杂，我们需要控制工具相对部分切割过程中的方向。该工具工件每一步方向的改变。CNC控制器需要同时控制在材料去除过程中所有的五轴。轮廓上更多详情可参考文献13。五轴机床用于加工轮廓的有：（i）叶片类产品，例如空气压缩机的叶片和涡轮机的叶片；（ii）燃料泵的喷嘴；（iii）轮胎的轮廓；（iv）医学假肢，例如人工心脏瓣膜；（v）复杂表面的模具。6.2轴配置选择轴配置选择的大小和重量是非常重要的一部分作为第一标准来设计或选择一个配置。非常沉重的工件需要短的工件运动链。也有一个工件偏爱横机表内，使之更方便修复和处理。把非常沉重的工件放在一个旋转轴运动链上将增加方向的灵活性。提供一个单一的横向旋转轴的工件，会使机器更加灵活。在大多数情况下，工具携带的运动链将尽可能保持简短，因为刀具主轴驱动器必须同时进行。6.3例1轴加工的首饰图14中一个典型的工件可以作为花形图的一部分。此应用程序是清楚轮廓。将部分组装成相对比较小的工具。小直径工具也需要一个高速主轴。水平旋转表将作为经营者一个很好的选择将有一个良好的视图部分（360 范围）。所有工件承载轴将是一个很好的选择，因为刀具主轴可以固定，并且非常严格。有20种方法，可以使轴合并起来，组合成工件运动链。这里只有两个运动链将被考虑。案例一是图15 TTTRR运动链图。案例二是图16 RRTTT运动链图。对于机器模型I X= 300mm，Y = 250mm和Z = 200mm，C = N的360 ，A= 360 ，以及100mm直径机床表将被考虑。为此运动工作区的工具链是一个单点。参考点的设置也可以选择小。如果两轴中心线的相交点在旋转参考，移动工件的工作空间将得到大小XYZ或300 250 200立方毫米。如果两个旋转轴的中心线的不相交的工件，工件参考点，有较大的工作空间。这将是一个圆边棱柱形。这个圆角半径边缘的偏心距，工件相对于每一个参考中心线。模型II图15中RRTTT旋转轴运动链开始时的运动。这里还有两种不同值的旋转偏心距将被考虑。第5条中定义的参数计算为每个模型的偏心率总结于表1。可以看出，随着旋转轴的运动链的结束（模型I），机床工作空间要小得多。有两个主要原因。工具和工件的波及体积要小得多，第二个原因是由于很大一部分机床的工作空间无法使用的情况，因为线性干扰轴。然而工作区利用系数较大的模型没有偏心距，因为工具的工作区与工件的工作区相比还是相对较小的模型I并且e = 50mm。空间索引的定位是相同的这两种情况，如果该表直径保持不变。模型II可以处理更大的工件在相同范围的线性转动轴运动链开始时，形成一个更大的机床工作空间，也少了很多干扰机床工作空间的幻灯片。其他18个可能的选择将在索引值之间。图14 珠宝的应用程序 模型 I - 偏心距 = 50 mm 模型 I - 偏心距 = 0 mm图15 TTTRR型五轴机床 模型 II - 偏心距 = 150 mm 模型 II - 偏心距 = 0 mm图16 RRTTT型五轴机床TTTRR模型 IRRTTT模型 II偏心距e=0 mme=50 mme=0 mme=150 mmWSmt25.13 dm325.13 dm348.0 dm332.4 dm3WSmt 剪除14.57 dm314.57 dm348.0 dm332.4 dm3WSTOOlU WSWORK15 dm330.85 dm3107.7 dm339.8 dm3WR0.970.470.440.814最大范围中 100 mm中 100 mm中300 mm中250 mmOS：0.0360.0360.290.25OA：2222空间32 dm345 dm3100.53 dm356.55 dm3MTs0.470.570.480.57表一 比较两种机床的工作区6.4 例二转盘选择两台机器使用相同的运动图并且在相同的范围将会比较（图17）。有两个可供选择的旋转轴：两轴垂直表（模型一），两轴水平表（模型二）。表2和表3提供的功能比较重要。可以看出，减少轴旋转范围则增加了机床的工作空间。所以模型I适合大范围较小工件定位，通常需要轮廓申请。模型II将适合大工件的定位与变化较少的工具或将需要两个设置。这种额外的安装要求可能没有那么重要那么大的规模。水平表可以使用托盘的内部体制转换的外部设置。在B轴较大的角度范围-105到+105。模型I和模型II相比-45到+20，模型I更适合复杂的雕刻表面，还因为高的角速度范围。选择最高的主轴转速，应该选择并且允许使用较小直径的切削刀具导致更少的削弱和较小的切削力。高主轴转速会更容易降低开模电火花加工机床的铜电极。垂直表也更好的去除芯片。但是，大范围的角定位降低了工件的最大尺寸为300毫米和100公斤。模型II与模型I具有相同的线性轴范围，但在旋转范围要小的多，可以很容易地处理工件双倍的大小和重量。模型II将有利于定位的应用。模型我I不能提供自动交换工件，它不适合大规模生产。模型II的自动工件交换适用于大规模生产的应用程序。不过模型I可以选择定位零件如液压阀外壳，小型的并且需要大角度范围。 模型I 模型II图17模型I和模型II型 TTRRT型机床表二 图17中五轴机床的规格机型模型 I模型 IIB轴的范围-105 to +105- 45 to +20A轴的范围nx360nx360角速度 /s8500/14,0003000/3000表的种类垂直水平直径表320 mm520 mm最大负载表100 kg200 kgX Y Z 范围600x450x500 mm600x450x500 mm刀尖ISO 40ISO 40重量4500 kg5500kg交换板NoYes表三 图17中五轴机床工作区的比较模型 I模型 IIWSMT212.0dm3145.6 dm3WSMT 剪除84.0dm3145.6 dm3WSTOOlUWSwORK334.5 dm3180.5 dm3Wr0.250.81最大范围中300 mm中930 mmOSI0.170.05OAI1.170.36空间9000 dm39000 dm3MTs0.0370.077.基于Stewart 平台的新型加工概念传统机床结构是基于笛卡尔坐标系的。很多表面轮廓的应用只有通过五轴数控机床加工，才是最合适的。这种五轴机床结构还需要另外两个旋转轴。为了加工精确，达到加工硬度，能够装夹大型工件，又大又重的机械装置是必要的。从经典五轴机床的运动链图表可以看出，在运动链中设计第一个轴来承载后续的轴。因此传输动力将受到链接处惯性的限制。如果有这么样一个机构，它能够在移动工件的时候不带动其它轴，是理想的。一种新的设计理念就是“HEXAPOD”的使用。Stewart 16在1965年描述了hexapod的理论。它最早是由Gough和 Whitehall 20 于1954年建成并担任轮胎测试仪。很多可能的使用都被提出来了，但它仅被使用在轻型模拟装置上。原因就在于控制六个执行机构十分复杂。 最近由于在计算速度上惊人的加快，计算费用的降低，Stewart 平台技术被美国的两家公司使用，第一台机床是来自美国的Giddings and Lewis公司。第二台机床是来自美国Ingersoll 公司的叫做HEXAPOD。Hexapods系统的设计以及其他类似系统有所讨论 17。虚拟轴机床的工件的定义以及定位问题也有所讨论 18。从机构设计可以看出一旦装刀平台由点到矢量的唯一确定之后，装刀平台仍就可以绕刀具轴旋转。这就极大可能的扩展伸缩致动器对同种编程语言的结合。8.总结从理论上来讲，有很多方法可以用来制造五轴机床。几乎所有传统的五轴机床都属于3根移动轴，2根转动轴或者3根转动轴2根移动轴的类型。这一类还可以再细分成为6个小群体，720个例子。只有当考虑三轴实体时，每组仍然有360个实体。不同例子根据装夹在运动链上的刀具和工件所在轴的顺序来划分。一旦在工件与刀具的运动链上的转动轴的位置被认为是区分3根移动轴和2根转动轴的五轴机床时，3个组可以明显的区分开来。在第一组中2根转动轴被应用于工件运动链中。在第二组中2根转动轴应用于刀具链中。在第三组中，每个运动链有一个转动轴。每组有20个可能的形式。确定选择哪中形式应用到具体领域还是一个复杂的问题。为了解决这个问题，就定义了一些比较检索，例如机床工作空间，工作空间使用面，工作方向索引，工作角索引以及机床空间效率。一个方程来计算机床工作空间，最大球形直径，当机床选择好后它就可以用来加工此球形。这些索引的使用有两个例子进行了讨论。第一个就是五轴机床加工珠宝。第二个就是当相同移动轴数范围确定时，旋转轴的选择。应用最广泛的五轴机床在运动链的工件端有两个旋转轴。这种结构为机床制造商提供了模块化设计。这种模块化设计，并不总是从应用的最佳角度看。因为大量理论上可能的配置，很显然，特定的五轴机床最适合一组特殊的工件。模块化设计应根据所有的五轴的模块化组合。当前的模块化设计是基于三个线性轴机器。五轴铣削提供减少装置。这有助于提高精度和减少批量大小。然而，有一些缺点：（一）五轴机床价格高；（二）附加旋转轴造成额外的位置误差；（三）为了相同的供给在机床轴上更高的切削速度购买五轴机床之前必须深刻研究被加工产品的范围。这部分应分类为五轴定位或五轴轮廓这两种。用转台机为例很好可以产生旋转的工件，如压缩机。在工具上侧的一个旋转轴和在工件上侧的一个旋转轴将提供一个较大的工作空间利用率因素。最近推出的虚拟轴机器有一个主要优势，高动态响应和高刚性的可能性。然而工作空间利用率与经典五轴机床相比要低得多。这些机器的高刚性的设计使它们非常适合于高速主轴19需要高速铣削的设计。参考1. J.A. Baughman, Multi-axis machining with APT, in: W.H.P. Leslie (Ed.), Numerical Control User5s Handbook, McGraw-Hill, New York, 1970, pp. 271-298.2. R.M. Sim, Postprocessors, in: W.H.P. Leslie (Ed.), Numerical Control User?s Handbook McGraw-Hill, New York, 1970, pp. 299