文献综述-摇篮式五轴联动加工中心结构设计

2021届机械设计制造及其自动化毕业设计论文（文献综述）摘要制造业是一个国家的工业基石，五轴联动数控机床水平是一个国家制造业水平的象征，也是目前解决叶轮、叶片等复杂曲面零件加工的重要手段，因此掌握五轴联动数控机床的自主设计开发技术，对国家工业、国防、军工，乃至国家安全具有重要意义。本次毕业设计主要设计一款摇篮式五轴联动加工中心，进行了该机床的作业空间分析，给出了各直线轴的导轨、丝杠的运动行程，基于典型的铣削工况条件，进行了电主轴、直线滚动导轨、滚珠丝杠、联轴器、伺服电机、力矩电机等的选型计算，确定了各通用件和标准件的型号；采用solidworks绘制该机床结构的三维图和二维工程图；基于ANSYS建立了该机床的立柱床身结构有限元分析模型，分析了立柱床身筋板结构布局方案，为该机床的进一步开发奠定基础。关键词五轴联动数控机床，摇篮式机床结构，机床结构设计研究背景和意义机械制造业是一个国家的工业基石，不仅为新技术和新产品的开发提供了设备，也为当下机械制造提供了关键工艺与方法，是不可或缺的战略性产业。对于发展中的工业化国家来说，重视制造业是其必然选择。数控机床是一个国家制造业水平的象征，业内代表制造业水平最高的是五轴联动数控机床，从某种意义来讲，这也反映了一个国家制造状况与制造能力。随着我国国民经济飞快进步和国防强化的要求，对自主研发先进数控机床迫切需求越来越高。长久以来，以美国为首的发达国家，总是把五轴数控机床当成重要的战略物资，进行了出口许可证管理，尤其高级型的数控机床长期对我国实行禁运，严重影响了我国经济、国防、军工的发展，对国家安全构成威胁。因此研发国产化的高端数五轴联动控机床一直是我国机床行业的重点任务，对打破发达国家的技术封锁、实现中华民族的伟大复兴具有重要意义。本文对目前五轴联动加工中心的结构方案进行了充分调研分析，以摇篮式五轴联动数控机床结构作为设计方向，开展毕业设计。该结构机床采用床身立柱一体化结构，通过横梁、滑枕和摇篮的合理搭配，实现五轴联动加工，不仅机床整体刚度好，而且移动部件重量，采用高灵活性的摇篮结构，可实现箱体类零件和叶片类复杂零件的自由加工，对探索和开发国产化高端数控机床具有重要参考意义。国内外研究现状我国对于数控机床研究和应用起步较晚，与发达国家相比技术上存在较大差距;随着我国航空航天、汽车、军工、电力设备制造等重要行业的高速发展，目前急需进行制造设备的更新换代，以提高我国的综合制造能力。随着国内对加工中心的需求量的增加，机床企业在加工中心的设计中，引入先进的CAD/CAE软件和分析手段，提高机床的设计能力，目前加工中的整机结构设计与制造能力有了长足的进步，其部件质量和加工中心整机性能和加工精度提升有很大发展。如今，我国自主设计制造了各种类型的立式、卧式、龙门式和落地式等结构的加工中心，可以适应不同大小的复杂零件生产，加上五轴联动数控铣床和大型镗铣床以及车铣中心等的开发，基本满足了国内市场的需求。但在新型高端数控机床研发方面与国外还相当大的差距。目前五轴联动加工中心主要有三种构型：图1图1-1卧式五轴数控镗铣机床图1-1为日本牧野公司的卧式五轴联动加工中心，该加工中心具有摇篮结构的工作台，机床主轴侧具有主轴垂直移动和前后立柱移动两个运动自由度，工件侧具有一个直线运动和两个回转运动自由度，由于工件侧的运动自由较多，更适合于复杂小件的加工。（2）在工件侧和刀具侧各设置一个回转运动。图1图1-2立式五轴数控镗铣机床（3）在刀具侧设置两个回转运动，通常采用万能铣头实现刀具姿态调整。图1-3为某横梁移动五轴联动加工中心结构，该加工中心采用横梁移动与垂直滑枕配合，应用叉式万能铣头（图1-4）解决复杂曲面加工，工件侧没有运动自由度，因此可以加工各种大型两件零件，是航空航天中大型复杂零件加工的典型代表。图1图1-4叉式万能铣头图图1-3横梁移动五轴数控镗铣机床如图1-5为意大利PROMAC浦珞玛喀机床，采用单侧悬挂式万能铣头，在龙门式机床结构中应用较多。五轴加工中心是机床制造业重要基础装备，因此它的发展一直备受人们关注。近年来我国机床制造业既面临着制造装备发展的良机，也遭遇到市场竞争的压力。从技术层面上来讲，加速推进五轴加工中心将是解决机床制造业持续发展的一个关键。目前，世界先进图1图1-5意大利PROMAC浦珞玛喀机床当今五轴加工中心正在朝着以下几个方向发展：（1）可靠性最大化；由于五轴联动数控机床主要用于复杂表面的加工，一般对机床的无故障时间有较高的要求，所以要尽量提高驱动装置的可靠性。（2）数控编程自动化；提高数控编程的自动化是提高加工效率的重要手段。（3）智能化；随着互联网技术和智能化技术的发展，数控机床的控制系统也得到了大力的发展，自适应技术、故障诊断技术、远程控制等在机床设计中得到了充分应用。（4）控制系统小型化；使用小型化的控制系统将有利于提高加工精度。（5）多功能化；与以往单纯追求高速主轴和进给机构不同，当今市场对于个性化的要求日益强烈，交货日期也在不断缩短，因此五轴数控加工中心更趋向于小规模，甚至是单件生产。为了满足这一要求，就要开发出复合程度更高的复合机床。（6）高速度、高精度化；因为CAM水平的发展，机床的制造水平得到了很大的增加，保证机床的质量，是保证产品质量的重要手段，这也就是高精度的体现。本次毕业设计的主要内容结合目前五轴加工中心的发展，本次必要设计内容为设计一款摇篮式五轴数控加工中心机床结构，该加工采用立柱和床身一体化结构，通过横梁移动实现运动部件的轻量化，采用摇篮式工作台实现两个回转运动自由度，总体结构具有高刚性特点。本次设计主要内容有:（1）机床总体方案设计。包括对摇篮结构进行作业空间分析，确定出各移动轴的行程大小；确定机床结构布局方案及驱动方式，设计机床总体结构方案。（2）机床结构中的通用件和标准件选型计算。确定典型加工条件，计算典型切削力，并作为通用件和标准件选型计算的依据；按照样本资料的计算步骤，对导轨、滚珠丝杠、联轴器、伺服电机和主电机（电主轴）等进行选型计算，确定出各通用件和标准件的型号。（3）基于solidworks建立机床结构的三维数字化模型和二维工程图，确定机床支承部件的筋板布局和结构设计方案。（4）基于ANSYS软件建立该机床大件结构的有限元分析模型，仿真分析各大件内部筋板布局的合理性。总结与展望本文主要研究五轴加工中心整体刚度问题，因为机床整体刚度会影响被加工零件的精度。本次毕业设计将设计一款机床整体结构方案，设计以摇篮式五轴联动加工中心为参照，主要设计床身，横梁以及滑枕的结构，以及机床通用件的选型计算等。本毕业设计旨在培养学生的机床结构理解和机床进给系统的设计能力，主要内容包括：（1）确定机床整体方案；制定以摇篮式机床为参考的机床整体结构方案；内容包括摇篮选型和作业空间分析。（2）机床通用件的选型计算；运用所学专业知识并查阅相关资料，在选定的典型工况下对导轨、丝杠、进给电机、联轴器和主电机进行选型计算和校核。（3）设计具体结构；在各个方向的有效作业空间内，设计床身、横梁、滑板、滑枕的具体结构。内容主要包括床身内筋板的布置和横梁的结构设计，以及各级进给系统的设计。（4）基于ANSYS有限元分析以确定床身筋板和隔板的最优布局方案。本文针对摇篮式五轴机床整体结构进行了研究，由于本人的知识有限、加上时间紧迫，在研究的过程中未能做到面面俱到，没能把各方面都做到最好，仍存在许多问题尚未进行更进一步的分析与论证，在研究深度上还存在着一定的不足，目前存在的问题如下；本文中所有的设计都是在典型工况下进行的分析计算，不具有通用性。虽然选用的是受力最大情况下的加工过程，但是还是不够完善。对整机的有限元分析由于电脑配置及软件问题，没有进行完整的分析，只是对床身的简化模型进行了分析。这样的分析结果必定会有一定的误差，不是最准确的结果，而且也未能完成对整机的运动分析，后期还需要对这一部分进行更加完善的分析。参考文献[1]黄玉美，机械制造装备设计[M]高等教育出版社2008：73-173.[2]张广鹏.机械制造装备设计课程设计指导书(试用版)[M].2018:11-20.[3]濮良贵,陈国定,吴立言,机械设计第十版[M].高等教育出版社2019:285-381[4]杭州米格电机样本手册，2014:13-14[5]张磊，刘春时，李焱，尹刚，马子良.力矩电机在双摆头中的应用[J].机械工程师，2011.[6]杜玉湘，陆启建，刘明灯.五轴联动数控机床的结构和应用[J].机械制造与自动化，2008.[7]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社，2010.[8]唐家鹏.ANSYSFLUENT16.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2016.06[9]王开德,韩凯凯.基于ANSYSWorKbench的磨床立柱结构分析与优设计[J].制造业自动化,2018,40(10):6469.[10]王富强.精密机床床身的动态特性分析与优化[D].兰州理工学,2007.[11]耿聪.数控系统五轴联动轨迹平滑技术研究与应用[D].中国科学院研究生院，2014.[12]薛永刚，一种高精度卧式加工中心的研制[D].北京工业大学：2011.[13]T.L.Schmitz.Predictinghigh-speedmachiningdynamicsbysubstructureana1ysis[J].Anna1sofCIRP,2000,49(1):303-308.[14]J.D.Sub,D.J.1ee.Compositemachinetoo1178-183structuresforhighspeedmi11ingmachines[J].Anna1softheCIRP,2002,51(1):285-288.[15]蒋亚宝.摇篮式五坐标加工中心五轴精度稳定性差原因分析[M],金属加工：冷加工.2019[16]穆士博.摇篮式五轴加工中心切削稳定性研究[D].沈阳工业大学[17]沈山山，钟建琳，米洁五轴数控加工中心切削稳定性研究综述[M].机械制造与自动化；2014[18]E.BudakAnalyticalmodelsforhighperformancemilling.PartII:Processdynamicsandstability[M].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture;2006.[19]Gavin

Wright.Re-configurable

machine

and

practical

technology

research[D].Stanford

University，April

2003.[20