五軸高速數(shù)控雕銑機(jī)解讀

1、五軸高速數(shù)控雕銃機(jī) 銃頭設(shè)計(jì)摘 要隨著制造業(yè)的發(fā)展，高速度、高效率、高精度和高 剛度已經(jīng)成為當(dāng)今數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要方向。為了滿足 當(dāng)前數(shù)控機(jī)床市場的需要，五軸聯(lián)動(dòng)銑頭已經(jīng)成為了當(dāng) 今一個(gè)重要的發(fā)展趨勢。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是五 軸高速數(shù)控雕銑機(jī)的銑頭設(shè)計(jì)。五軸頭是五軸聯(lián)動(dòng)加工 中心上所聯(lián)接的一種裝置。該機(jī)床具有很強(qiáng)的數(shù)控功能， 可以高效率高精度加工空間曲面類零件，如各類模具、 水輪機(jī)和汽輪機(jī)葉片、三元流離心壓氣機(jī)、船用螺旋槳 和推進(jìn)器及螺旋錐齒輪的關(guān)鍵設(shè)備?？梢淮窝b夾工件在 多種空間角度進(jìn)行銑、鏜、鉆等工序加工，加工各種具 有復(fù)雜輪廓表面、型腔的工件，可作銑、鏜、鉆孔等加 工。廣泛適用于各種

2、機(jī)械制造業(yè)，特別是模具制造業(yè)。 它可以實(shí)現(xiàn)五軸控制、五軸聯(lián)動(dòng)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)。在掌握PRO/E 軟件的基本功能后，對機(jī)床的各部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建 模，然后，進(jìn)行裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。關(guān)鍵詞五軸控制五軸聯(lián)動(dòng)虛擬制造技術(shù)虛擬裝配ABSTRACTAlong with the development of the manufacturing industry, high speed,high efficiency,high precision and high rigidityhave been the main developingtrend of numeric-controlmach ine

3、 tools. To meet the n eed of nu meric-co ntrol mach ine tools development, five-axis head have becomean important developme nt trend now. The main task of the desig n is the desig n of 5-axis head.5-axis head is a kind of equipme nt in 5-axis With strong numerical function, the machine tool is the k

4、ey equipment in the efficientand high-accuratemachi ning of curly-faced . work-piece, n amely. Variati on molds, vane of water turb ine and steam turb ine, ship-used propeller, promoter and gears. It can clip a work-piece going through milling, boring and drilling, it can also process.A variety of w

5、ork-pieces with complex outlook and cavities.It is capable of drilling and milling. It can be applied to all kinds of mecha nic manu factures;especially moldsmanufacture. It can control five axis, simultaneous operate five axis. At a high speed the spindle electrical machinery uses A.C driv ing syst

6、em, which en ables the spin dle to vary speeds infin itely.With a commandof the baric functions of the Pro/E software, differentparts of the machine tool are designed,assembled , thus achieving the desired requirement.Keywordscon trolfive axissimulta neousoperatefive axisvirtual madevirtual assembly

7、目錄第一章 概述61.1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀 61.2 課題研究涉及內(nèi)容 9第二章五軸銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)112.1整體方案設(shè)計(jì)研究112.2 銑頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)及計(jì)算132.2.1 A 軸傳動(dòng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算132.2.2 C 軸傳動(dòng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算21第三章PRO/E虛擬建模造型及裝配273.1 虛擬制造技術(shù)及其軟件介紹273.2 五軸銑頭中零件的造型及裝配30第四章技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析36設(shè)計(jì)結(jié)論及致謝參考文獻(xiàn)第一章概述第一節(jié)國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀五軸數(shù)控技術(shù)在數(shù)控加工領(lǐng)域里一枝獨(dú)秀，它是連續(xù)平滑、復(fù) 雜曲面加工的代名詞，但該技術(shù)在全球范圍內(nèi)一直沒有得到普及 五軸數(shù)控加工技術(shù)是加工連續(xù)、平滑、復(fù)雜曲面的主要手段

8、 .早在 20世紀(jì)60年代，國外航空工業(yè)生產(chǎn)中就開始采用五軸數(shù)控銑床。目前五軸數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用仍然局限于航空、 航天及其相關(guān)工業(yè)。五 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控是數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)，它集計(jì) 算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工技術(shù)于一體， 應(yīng)用于復(fù)雜曲 面的高效、精密、自動(dòng)化加工。國際上把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為一 個(gè)國家生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)水平的標(biāo)志。 由于其特殊的地位，特別 是對于航空、航天、軍事工業(yè)的重要影響，以及技術(shù)上的復(fù)雜性， 西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家一直把五軸數(shù)控系統(tǒng)作為戰(zhàn)略物資實(shí)行出口許 可證制度，對我國實(shí)行禁運(yùn)，限制我國國防、軍事工業(yè)發(fā)展。因而， 研究五軸數(shù)控加工技術(shù)對國家科技力量和綜合國力

9、的提高有重要 意義。與三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控加工相比，從工藝和編程的角度來看，對復(fù) 雜曲面采用五軸數(shù)控加工有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 提高加工質(zhì)量和效率五軸數(shù)控加工中刀具有更靈活的位姿，可采用平頭刀。平頭 刀加工是以面帶成形，可以保證高速切削，因而加工后的表面更連 續(xù)光滑。五軸加工可以采用更大的行距和步距，因而效率更高。2. 擴(kuò)大工藝范圍有些形狀復(fù)雜的零部件，如導(dǎo)風(fēng)輪、發(fā)動(dòng)機(jī)上的整體葉輪， 由于葉片本身扭曲和各曲面間相互位置限制，加工時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)刀具 軸線，否則很難甚至無法加工。在模具加工中的某些場合，只有采 用五軸數(shù)控才能避免刀具與工件的干涉。3. 適應(yīng)目前數(shù)控機(jī)床發(fā)展的新方向復(fù)合化近幾年國際、國內(nèi)機(jī)床展表明，

10、數(shù)控機(jī)床正朝著高速度、高 精度、復(fù)合化的方向發(fā)展。復(fù)合化的目標(biāo)是在一臺(tái)機(jī)床上利用一次 裝夾完成大部分或全部切削加工，以保證工件的位置精度，提高加 工效率。國外數(shù)控鏜銑床、加工中心為適應(yīng)多面體和曲面零件加工， 均采 用多軸加工技術(shù)，包括五軸聯(lián)動(dòng)功能。在加工中心上擴(kuò)展五軸聯(lián)動(dòng) 功能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系統(tǒng)的進(jìn)一步集成化。五軸數(shù)控技術(shù)具有許多優(yōu)越性，但到目前為止，五軸數(shù)控技術(shù) 的應(yīng)用仍然局限于少數(shù)資金雄厚的部門，并且仍然存在尚未解決的 難題。五軸數(shù)控技術(shù)久久未能得以廣泛普及主要因?yàn)槲遢S數(shù)控加工 由于干涉和刀具在加工空間的位姿控制、數(shù)控編程、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī) 床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比三軸機(jī)床復(fù)雜得多。目

11、前，五軸數(shù)控技術(shù)在全球范內(nèi)普 遍存在以下問題。1. 五軸數(shù)控編程抽象、操作困難五軸機(jī)床的數(shù)控編程除了直線運(yùn)動(dòng)之外，還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相 關(guān)計(jì)算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗(yàn)、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì) 算等，處理的信息量很大，數(shù)控編程極其抽象。五軸數(shù)控加工的操作和編程技能密切相關(guān)，經(jīng)驗(yàn)豐富的編程、 操作人員的缺乏，是五軸數(shù)控技術(shù)普及的一大阻力。2. 對NC插補(bǔ)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求十分嚴(yán)格五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)是五個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的合成。因此要求控制器有 更高的運(yùn)算精度。五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性要求伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有很好的 動(dòng)態(tài)特性和較大的調(diào)速范圍。3. 刀具半徑補(bǔ)償在五軸聯(lián)動(dòng)NC程序中，刀具長度補(bǔ)償功能仍然有效，而刀

12、具半 徑補(bǔ)償卻失效了。以圓柱銑刀進(jìn)行接觸成形銑削時(shí)，需要對不同直 徑的刀具編制不同的程序。4. 后置處理器五軸機(jī)床和三軸機(jī)床不同之處在于它還有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)五軸 數(shù)控機(jī)床的后置處理器還有待進(jìn)一步開發(fā)。從1999年開始，在CIMT CCM等國際、國內(nèi)機(jī)床展覽會(huì)上， 首先是國內(nèi)的五軸數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品紛紛亮相，國內(nèi)五軸數(shù)控機(jī)床的市 場逐漸打開，隨后國際機(jī)床巨頭紛至沓來，五軸數(shù)控機(jī)床的品種和 數(shù)量逐年上升：CIM199、CCMT200分別推出3臺(tái)國產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī) 床；CIMT2001t4J國際機(jī)床展覽會(huì)上，北京第一機(jī)床廠和桂林機(jī)床 股份有限公司分別展出了主軸轉(zhuǎn)速10000r/min的五軸高速龍門加工中心，北京

13、市機(jī)電院的主軸轉(zhuǎn)速15000r/min的五軸高速立式 加工中心；清華大學(xué)與昆明機(jī)床股份有限公司聯(lián)合研制的XNZ63采用標(biāo)準(zhǔn)Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)六自由度聯(lián)動(dòng)；大連機(jī)床廠自 行研制的串并聯(lián)機(jī)床DCB- 510,其數(shù)控系統(tǒng)由清華大學(xué)開發(fā)，該 機(jī)床通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)x、I ,、z軸直線運(yùn)動(dòng)，由串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) A、 c軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，其直線快速進(jìn)給速度可達(dá)80m/ min。這些機(jī)床均已達(dá)到國際先進(jìn)水平，體現(xiàn)出我國機(jī)床工業(yè)為 國防尖端工業(yè)發(fā)展提供裝備的實(shí)力又有突破性提高。中國機(jī)床工業(yè) 的發(fā)展，利用自己研制的高、精、尖產(chǎn)品參與國際競爭，打破了國 際技術(shù)壟斷，國際機(jī)床巨頭們不愿失去中國這個(gè)

14、大有潛力可挖的市 場，于是蜂擁而來，把他們的產(chǎn)品“送上門來”：國外展團(tuán)共展出 五軸加工中心8臺(tái)、五軸車銑加工中心一臺(tái)、五軸數(shù)控刀具磨床 5 臺(tái)。我國數(shù)控技術(shù)及其設(shè)備在各工業(yè)部門中的應(yīng)用整體水平仍然 偏低，與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比差距很大。為了實(shí)現(xiàn)“十五”規(guī)劃的發(fā) 展目標(biāo)，各部門迫切需要進(jìn)一步大力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，急需配置大量的各類工藝設(shè)備，尤其是數(shù)控機(jī)床設(shè)備。對于數(shù)控機(jī)床設(shè)備的 主要技術(shù)要求是多軸、高速、剛性好、功率大；對坐標(biāo)數(shù)的需求， 以35軸聯(lián)動(dòng)為主。對于關(guān)鍵零件形狀復(fù)雜的行業(yè)，如航空、電 力、船舶、模具制造業(yè)等，其生產(chǎn)部門對多軸機(jī)床要求比例較大， 新增五軸數(shù)控機(jī)床大約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的70 %8

15、0%。我國機(jī)床制造業(yè)具備相當(dāng)?shù)膶?shí)力，機(jī)械精度和可靠性方面在國 際市場上都名列前茅。然而配套的五軸數(shù)控系統(tǒng)要么從國外進(jìn)口， 要么采用國內(nèi)還不成熟的數(shù)控系統(tǒng)。總之五軸數(shù)控技術(shù)仍舊是一個(gè) 薄弱環(huán)節(jié)。高校擁有雄厚的科研開發(fā)力量，是高科技的前沿陣地， 若與機(jī)床制造企業(yè)優(yōu)勢互補(bǔ)，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，勢必加快五軸數(shù)控技術(shù)的 發(fā)展和產(chǎn)品化的進(jìn)程。第二節(jié) 課題研究涉及內(nèi)容在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心的開發(fā)過程中，自動(dòng)萬能銑頭是關(guān)鍵 技術(shù)，目前國內(nèi)只有很少數(shù)幾個(gè)廠家正在開發(fā)和生產(chǎn)自動(dòng)萬能銑 頭，主要還處于搜集技術(shù)資料和研究階段。而國外一些發(fā)達(dá)國家中， 自動(dòng)萬能銑頭已經(jīng)普遍應(yīng)用于立式和龍門式數(shù)控銑床以及數(shù)控加 工中心。使銑床達(dá)到五

16、軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四面體和五面體加工，可以大 大提高銑床的自動(dòng)化水平和工藝范圍以及工作效率。 研究開發(fā)五軸 加工中心要求具有較高的性能技術(shù)指標(biāo)，不僅要具有多坐標(biāo)復(fù)雜曲 面的加工功能，而且還要滿足高速度、高剛度和高精度的要求。而 發(fā)達(dá)國家在進(jìn)出口技術(shù)含量高的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心方面，對我國進(jìn)行限制，因此，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心的研究開發(fā)是一個(gè)難度比較 大的項(xiàng)目。本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)高速雕銑機(jī)的五軸聯(lián)動(dòng)銑頭，它的 基本原理是在傳統(tǒng)加工中心的三個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)軸的基礎(chǔ)上增加兩個(gè) 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，使這種加工中心具有X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的數(shù)控坐 標(biāo)軸和A B(C)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)數(shù)控坐標(biāo)軸，并且各坐標(biāo)軸既可單獨(dú)運(yùn)動(dòng) 又可聯(lián)動(dòng)。本

17、課題的設(shè)計(jì)方案首先是了解五軸銑頭的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)方面 的基本原理，其次是提出五軸聯(lián)動(dòng)銑頭的整體設(shè)計(jì)方案， 再對方案 進(jìn)行可行性分析后，逐步細(xì)化設(shè)計(jì)方案，并對所選的零件進(jìn)行計(jì)算 校核，用CAD軟件畫出工程圖后，按圖紙要求對所設(shè)計(jì)的零件用 PRO/E軟件造型、裝配，并在建模和裝配過程中檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)零件的 合理性，還有裝配是否有干涉問題，使所設(shè)計(jì)的方案能盡可能的符 合客觀的實(shí)際需要。根據(jù)主軸的方向，傳統(tǒng)的CNC加工中心通常被分為立式和臥式兩類，本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是立式銑削五軸聯(lián)動(dòng)銑頭，它具有較強(qiáng)的數(shù)控功能，可以加工各種復(fù)雜輪廓表面的工件?？勺縻?、鏜、鉆孔等加工，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。它可以實(shí)現(xiàn)五軸控制、

18、五軸聯(lián) 動(dòng)。主軸系統(tǒng)單元采用電主軸，實(shí)現(xiàn)高速切削對五軸銑頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，使五軸銑頭不但具有 X、Y、Z三個(gè)直線 運(yùn)動(dòng)的數(shù)控坐標(biāo)軸而且還具有 A B（C）兩個(gè)旋轉(zhuǎn)數(shù)控坐標(biāo)軸，并且 各坐標(biāo)軸既可單獨(dú)運(yùn)動(dòng)又可聯(lián)動(dòng)， 具有很大的靈活性，且加工性能 好。安裝專用刀桿及附件，可以加工平面，斜面、螺旋面、溝槽、 花鍵、弧形槽等等。通過轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸頭，機(jī)床可實(shí)現(xiàn)銑削空間前半 球任意角度的加工它采用精密同步帶傳遞主傳動(dòng)，采用伺服電機(jī)實(shí) 現(xiàn)擺動(dòng)，該主軸頭具有較高剛度，主軸轉(zhuǎn)速變換范圍寬。本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)及來源:基本數(shù)據(jù)：工作臺(tái)面積（寬X長）570 x 400mm行程（X/Y/Z ）500*500*230mm主軸轉(zhuǎn)速100

19、0-20000 r/min主軸功率最大可夾持刀具直徑2.0kw?10 mm伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)口數(shù)字式交流伺服750w*3第二章五軸銃頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二節(jié)整體方案設(shè)計(jì)研究本次設(shè)計(jì)的五軸銑頭將安裝在高速數(shù)控雕銑機(jī)上，受所設(shè)計(jì)的 雕銑機(jī)的基本參數(shù)的限制，該五軸銑頭必須滿足尺寸小，質(zhì)量輕， 結(jié)構(gòu)緊湊的要求。五軸銑頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要完成沿 X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的A軸擺動(dòng)的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)和沿著丫軸轉(zhuǎn)動(dòng)的C軸擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，A軸擺動(dòng)的角度范 圍在-110度到+110度之內(nèi)，而C軸的結(jié)構(gòu)則可以沿著C軸方向旋 轉(zhuǎn)一周。主軸系統(tǒng)采用電主軸結(jié)構(gòu)，電主軸又稱內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元， 具有結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械效率高，躁聲低，運(yùn)行平穩(wěn)，精度高的優(yōu)點(diǎn)。 采

20、用電主軸不僅有易于實(shí)現(xiàn)高速切削加工， 而且可以使整個(gè)五軸銑 頭結(jié)構(gòu)緊湊。在A軸的設(shè)計(jì)中采用錐齒輪傳動(dòng)，將A軸的伺服電機(jī)放入銑 頭內(nèi)，如上圖，而C軸的電機(jī)放入滑枕中，驅(qū)動(dòng)整個(gè)銑頭沿著 C 軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)方式采用齒輪傳動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)基本可以滿足A、C軸方向的擺動(dòng)，但將 A軸的電機(jī)放在銑頭中使整個(gè)銑頭的尺寸 增大，為了克服這一缺點(diǎn)，并使整個(gè)銑頭的尺寸變小，結(jié)構(gòu)更加緊 湊，對此方案進(jìn)行修改，提出了以下方案：在方案二中，將銑頭設(shè)計(jì)成上圖所示，這樣 A軸電機(jī)就可以 放在滑枕中，從而減小了銑頭的體積，傳動(dòng)方式改用蝸輪蝸桿傳動(dòng) 和同步帶傳動(dòng)，同樣使銑頭的結(jié)構(gòu)緊湊。整個(gè)銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中還需考慮電主軸和伺服電

21、機(jī)的電 線和冷卻裝置的安置。銑頭和滑枕相對于整臺(tái)機(jī)床設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立 的主軸箱，主軸箱上帶有Z軸的絲杠和電機(jī)，然后再總體裝配在機(jī) 床上。由于所設(shè)計(jì)的雕銑機(jī)必須滿足高速切削的要求，所以Z軸的 絲杠采用滾珠絲杠。第二節(jié) 銑頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)及計(jì)算221A軸傳動(dòng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算在A軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，包括以下幾個(gè)部分：1. 電主軸和銑頭的連接和電主軸中供電和冷卻所涉及的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)2. 蝸輪、蝸桿的設(shè)計(jì)，蝸輪蝸桿在銑頭內(nèi)的支承3. 同步帶及帶輪的設(shè)計(jì)4. 電機(jī)和聯(lián)軸器的選用1. 電主軸與銑頭的連接主軸系統(tǒng)單元采用電主軸，其結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)精 度和靜態(tài)精度好，易于實(shí)現(xiàn)高速化，從而提高生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的 質(zhì)

22、量。目前國內(nèi)已有專門生產(chǎn)電主軸的廠家， 本次設(shè)計(jì)中采用安陽 萊必泰機(jī)械有限公司的產(chǎn)品，如下圖。初步擬訂電主軸的主軸轉(zhuǎn)速 為1000-20000RPM主軸的功率為 2.0kw。為解決電主軸和銑頭的連接問題，本次設(shè)計(jì)中專門設(shè)計(jì)了一個(gè) 電主軸套，不僅解決了電主軸的供電和冷卻的問題， 還方便了電主 軸在銑頭上的安裝。電主軸套的結(jié)構(gòu)如下圖所示選用的安陽萊必泰有限公司的電主軸的電線和冷卻管從電主 軸的后部伸出，在電主軸套上鉆孔，將電線和冷卻管插入，直至電 主軸套兩側(cè)的凸臺(tái)中，凸臺(tái)和兩個(gè)法蘭盤用螺釘連接，中間有直徑 為80毫米的內(nèi)孔，內(nèi)孔中放置耦合器，然后再從耦合器中接出電 線和冷卻管到銑頭內(nèi)，這個(gè)設(shè)計(jì)是本

23、次設(shè)計(jì)的一個(gè)特色，它解決了 以往銑頭設(shè)計(jì)中由于電線和冷卻管而產(chǎn)生的電主軸運(yùn)動(dòng)的干涉問 題，并使整個(gè)銑頭的結(jié)構(gòu)更加緊湊。2. 蝸輪、蝸桿的設(shè)計(jì)，蝸輪蝸桿在銑頭內(nèi)的支承A軸傳動(dòng)方式采用蝸桿傳動(dòng)主要由于蝸桿傳動(dòng)方式可以使五 軸銑頭的結(jié)構(gòu)緊湊，此外蝸桿傳動(dòng)方式還有傳動(dòng)比大，工作平穩(wěn), 躁聲低，可以自鎖等優(yōu)點(diǎn)。具體設(shè)計(jì)計(jì)算輸入功率P=750W蝸桿轉(zhuǎn)速為n仁1500轉(zhuǎn)/分，傳動(dòng)比在5080范 圍之內(nèi)。工作載荷較穩(wěn)定。1. 選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù)GB/T100851988的推薦，采用阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）.2. 選擇材料蝸桿傳動(dòng)傳遞的功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45鋼;因希望 效率高些，耐磨性好些，故蝸

24、桿螺旋齒面要求淬火，蝸輪用鑄錫磷 青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造.3. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再 較核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度傳動(dòng)中心距1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距 T 2按Z1 =1,估取效率為=0.8，估取i=65畢業(yè)設(shè)計(jì)論文T2二 9.55106 P29.55aP H i6 * P i 12n210n 19.55*106 *9 *0.8* 65=255.32Nm14502)確定載荷系數(shù)K因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù) K = 1,選取使用系 數(shù) 心=1.15,由于轉(zhuǎn)速不咼,沖擊不大,可取動(dòng)載荷系數(shù)Kv =1.05K = K a

25、 * K : * K 1.15*1*1.05 二 1.213）確定彈性影響系數(shù)Ze.因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故ZE二160MP 1/24）確定接觸系數(shù)Z ?先假設(shè)蝸桿分度圓直徑a和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a=0.35,可查得Z ,?=2.9.5）確定許用接觸應(yīng)力Ih 1因蝸輪材料選用的是鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1,金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度為4555HRC可查得蝸輪基本許用應(yīng)力為叭 1 =268MP .K hn6）計(jì)算中心距a _1.21*255320* 160 * 29 I 200=133mm取中心距a=125mm,i=69,查表選取模數(shù)m=3.15，蝸桿分度圓直徑d1

26、= 35.5mm,這時(shí) da =0.284,查得接觸系數(shù)Z、= 2.884.蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與尺寸1）蝸桿蝸桿頭數(shù)z11模數(shù)m3.15 (mm)蝸桿分度圓直徑d135.50 (mm)蝸桿導(dǎo)程角丫5.071蝸桿齒高h(yuǎn)16.93 (mm)蝸桿齒頂圓直徑da141.80 (mm)蝸桿齒根圓直徑df127.94 (mm)2 ）蝸輪217.35 (mm)220.80 (mm)206.94 (mm)6.93 (mm)227.10 (mm)125 (mm)蝸輪分度圓直徑d2 蝸輪喉圓直徑da2蝸輪齒根圓直徑df2 蝸輪齒高h(yuǎn)2 蝸輪外圓直徑de2 中心距a5. 校核齒根彎曲強(qiáng)度2丫 :2mm3:同一傳動(dòng)

27、組的各對齒輪副的中心距應(yīng)當(dāng)相等。若模數(shù)相同 時(shí)，則齒數(shù)和也相等。但由于傳動(dòng)比的要求，尤其是在傳動(dòng)中使用 了公用齒輪后，常常滿足不了上述要求。機(jī)床上可用修正齒輪，在 一定范圍內(nèi)調(diào)整中心距使其相等。 但修正量不能太大，一般齒數(shù)差 不能超過34個(gè)齒。4:防止各種碰撞和干涉。齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算1:選定齒輪類型、精度等級、材料以及齒數(shù)1) ：選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，2) :整個(gè)機(jī)構(gòu)主要通過齒輪來傳動(dòng)，因此對齒輪的要求比較高， 因此選用6級精度的齒輪。3) :材料的選擇。由表10-1選擇兩個(gè)齒輪的材料都為40Cr(調(diào) 質(zhì)處理)，硬度為280HBS。4) :按表選取齒數(shù)，暫時(shí)選小齒輪的齒數(shù)為20，第二個(gè)齒輪 的齒

28、數(shù)為76。2:按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)計(jì)算公式(10-9a)進(jìn)行試算，即KTd1t -2323d1 U 1 ZE 2U fcfH 1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值(1) 試選載荷系數(shù)Kt=1.3(2) 計(jì)算和送料輥?zhàn)舆B接的齒輪的轉(zhuǎn)矩55T仁95.510 P1/n仁95.5 104.1/960N mm=4.1104 N mm(3) 由表10-7選齒寬系數(shù)d =0.4（4）由表10-6查的材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa1/2（5）由圖10-21d按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極 限為二h血=600MPa；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限也 為匚 h im 2=600MPa;（6）由式10-19計(jì)算應(yīng)

29、力循環(huán)次數(shù)N仁60 nj 1=609601（ 2830010）=2.76 109N2=2.76 109/3.2=0.863 109（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)Khn1 =0.90; Khn2=0.90（8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得K QlH 1= HN1”HLIM1 =0.88 600Mpa=528MpaSlm=76 2mm=152mm2）計(jì)算中心距a= d1 d2 /2= 40 152 /2mm=96mm2）計(jì)算齒輪寬度b= dd1 =0.4 152mm=40mm。故兩個(gè)齒輪的寬度都為 B =B2=40mm5驗(yàn)算N=2050N=2

30、T1 = 2 漢 4.1 漢 104= _d?=40KF 1 25 疋 2050U=N/mm=64.06N/mm 100N/mm，故滿b40足設(shè)計(jì)要求。第三章PRO/E虛擬建模造型及裝配本課題另一主要任務(wù)是對所設(shè)計(jì)的五軸聯(lián)動(dòng)銑頭進(jìn)行虛擬建 模造型和裝配，它是建立在虛擬建模的基礎(chǔ)上的， 需要先把所要設(shè) 計(jì)的東西從二維圖形轉(zhuǎn)換到三維立體的模型后，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn) 行裝配，所以說虛擬制造技術(shù)是本課題的基礎(chǔ)， 那么首先要介紹一 下什么是虛擬制造技術(shù)及其應(yīng)用軟件PRO/E第一節(jié)虛擬制造技術(shù)及應(yīng)用軟件介紹虛擬制造技術(shù)作為面向21世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)，是一種新型 的生產(chǎn)模式。它是以信息技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)

31、技術(shù)為支持， 在高性能計(jì)算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)中，采用群組協(xié)同工作，通過虛擬模型 來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能和可加工性等各方面可能存在的問 題，模擬產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工 制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)，并進(jìn)行過程管理與控制。虛擬制造技 術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，為高性能數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的研究開發(fā)提供了技術(shù)支 持。概括地講它主要是利用高性能計(jì)算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)等支撐技術(shù)， 并輔以各類專用設(shè)備或儀器，在計(jì)算機(jī)中對產(chǎn)品進(jìn)行全面建模和仿 真，通過使用計(jì)算機(jī)虛擬模型和計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)，來輔助產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造，即在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段實(shí)時(shí)地、并行地模擬出產(chǎn)品未 來制造全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響， 預(yù)測產(chǎn)品的性能，

32、優(yōu)化制造 過程，從而更加有效的、經(jīng)濟(jì)的、柔性的組織生產(chǎn)，增強(qiáng)決策控制 水平，有力地降低由于前期設(shè)計(jì)給后期制造帶來的回溯更改，達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本最低、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量最優(yōu)、生產(chǎn)效率最高。本次設(shè)計(jì)中的實(shí)體造型和裝配是通過工程軟件 Pro/ENGINEER 實(shí)現(xiàn)的。Pro/ENGINEER 在今日以成為世界 3D CAD/CAM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軟件，廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè) 設(shè)計(jì)、汽機(jī)車、自行車、航天、家電、玩具等各行業(yè)。Pro/ENGINEER 可謂是個(gè)全方位的3D產(chǎn)品開發(fā)軟件，集合了零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品組合、 模具開發(fā)、NC加工、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向 工程、自動(dòng)測量、機(jī)構(gòu)仿真、應(yīng)

33、力分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理等功能于 一體，其模塊眾多，且學(xué)習(xí)殊為不易。Pro/ENGINEER的核心技術(shù)是“尺寸驅(qū)動(dòng)參數(shù)化的基于特征 的實(shí)體建模技術(shù)”，這是建立在一個(gè)統(tǒng)一的能在系統(tǒng)內(nèi)部引起變化 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上的，因此開發(fā)過程中某一處所發(fā)生的變化能夠 很快傳遍整個(gè)設(shè)計(jì)制造過程，以確保所有的零件和各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)保 持一致性和協(xié)調(diào)性它具有下列的特點(diǎn)：a、3-D造型與以往的平面設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比，Pro/Engineer是一個(gè)三維造型系 統(tǒng)。b、參數(shù)化模型建構(gòu)(Parametric)Pro/Engineer是采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的、基于特征的實(shí)體模型化系 統(tǒng)，它的參數(shù)化體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1 )、特征之間存在相依關(guān)

34、系，改變某個(gè)特征會(huì)引起其他特征的改變。2 )、特征的驅(qū)動(dòng)尺寸可以隨時(shí)改變。3 )、可以通過關(guān)系式建立特征之間的關(guān)系(Relation )。c、基于特征的(Feature_based)Pro/En gi neer以特征作為幾何建構(gòu)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，特征的 名稱一般是機(jī)械設(shè)計(jì)上常用的名稱，女口：切削、圓角、拔模等。 設(shè)計(jì)者依據(jù)加工過程，逐個(gè)產(chǎn)生特征。特征是設(shè)計(jì)的基本單元， 而產(chǎn)生特征的順序則根據(jù)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖而決定。d、相關(guān)聯(lián)性(Associative )Pro/Engineer通過建立諸如零件模型、裝配模型、模具模型、 工程圖模型、加工模型等進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些模型之間存在相互聯(lián) 系，如果在某個(gè)模型

35、中實(shí)施改變，那么這種改變會(huì)自動(dòng)反映到其它模型中。e、單一的數(shù)據(jù)庫Pro/Engineer是建立在同一基層的數(shù)據(jù)庫上的，即模型工 程中的所有數(shù)據(jù)和資料都存儲(chǔ)到同一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，也統(tǒng)一從同 一個(gè)數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，因此保證了它們之間的相關(guān)聯(lián)性。f、廣泛的功能Pro/Engineer的功能包括特征造型、曲面設(shè)計(jì)、裝配組合、 工程圖設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、NC加工、鈑金設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)仿真、有限 元分析等等。第二節(jié)五軸銑頭中零件的造型及裝配對五軸銑頭 造型裝配首先需 要對所設(shè)計(jì)的銑 頭中的所有零件 按其結(jié)構(gòu)和尺寸 特征進(jìn)行造型，然 后在按一定順序 和零部件的約束 關(guān)系進(jìn)行裝配，在 造型和裝配的過 程中又可以反過 來檢查

36、所設(shè)計(jì)的 零件的尺寸和結(jié) 構(gòu)是否有問題，裝 配是否有約束。在對本次設(shè) 計(jì)中所有零件按照軟件所要求的步驟如拉伸旋轉(zhuǎn)掃描等特征操作 造型。（具體過程略）右圖為銑頭的頭套零件的裝配過程中可以先把零件裝成幾個(gè)主要部件，如下幾 個(gè)部分：先將電主軸、 電主軸套、右法蘭 用螺釘連接裝配在 一起，然后裝在頭 套內(nèi)，用圓錐滾子 軸承支撐，左法蘭 （右圖為蘭色）與 蝸輪連接好也通過 軸承裝入頭套內(nèi)下圖為裝配好 的蝸桿軸，蝸桿軸 的上方裝有大帶輪，帶輪的設(shè)計(jì)為雙邊擋圈結(jié)構(gòu)， 防止同步帶的偏移。蝸桿軸的兩側(cè)裝有軸 承，然后裝在頭套上，軸承 通過端蓋及墊片來調(diào)整間 隙。此時(shí)可以將驅(qū)動(dòng) A軸 的電機(jī)、聯(lián)軸器、保持架、 軸

37、、軸承、鍵、小帶輪等零 件按圖紙要求裝成一個(gè)部 件，如下圖所示圖中紅色的零件為一個(gè)法蘭盤，這個(gè)法蘭盤通過螺釘固定在 頭套上，這樣 使保持架和電 機(jī)一塊固定在 頭套上，底部 的軸承也固定 在頭套上，用 端蓋和墊片分 別定位和調(diào)整 間隙左圖為C 軸的電機(jī)、聯(lián)軸 器、小齒輪、軸、 軸承、鍵、保持架 的裝配體。左土圖 中黃色的零件為 保持架，用螺釘將 整個(gè)部件裝在滑 枕上?；淼膬?nèi) 部需要先裝入軸 承、套筒等零件，在將銑頭套入軸承內(nèi)部，所有銑頭和滑枕的零部件裝完后，將頭蓋上圖為Z軸的絲杠的裝配體，絲杠通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連， 絲杠上的螺母副裝在雕銑機(jī)的凸臺(tái)上，這樣整個(gè)主軸箱就可以安裝 在機(jī)床上了，再在主

38、軸箱上裝上導(dǎo)軌，主軸箱就可以沿著導(dǎo)軌在Z 周方向上移動(dòng)了，整個(gè)裝配完后如下圖所示：本次設(shè)計(jì)的銑頭的外觀如上圖所示，對其進(jìn)行切割，貝冋以 看到整個(gè)裝配體的內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)：第四章技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析機(jī)械工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析任務(wù)，就是通過機(jī)械工業(yè)發(fā)展過程中 各種技術(shù)政策、技術(shù)方案、技術(shù)措施的可行性分析和論證，正確的 認(rèn)識(shí)和處理技術(shù)與經(jīng)濟(jì)之間的辯證關(guān)系，尋找技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客 觀規(guī)律，謀求技術(shù)和經(jīng)濟(jì)之間的最佳關(guān)系，實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì) 合理性的統(tǒng)一。工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析能夠幫助我們在一個(gè)投資項(xiàng)目尚 未實(shí)施之前，估算出它的經(jīng)濟(jì)效果，并通過不同方案的比較，選出 最有效利用現(xiàn)有資源的方案，從而使投資決策建立在科學(xué)分析的基 礎(chǔ)

39、之上。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析還能幫助我們在日常的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，選擇合理的技術(shù)方案，改進(jìn)各種具體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝，用最低 的成本生產(chǎn)出符合要求的產(chǎn)品，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效 益0五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，是電力、船舶、航空航天、高精密儀器 等民用工業(yè)和軍事工業(yè)等部門迫切需要的關(guān)鍵加工設(shè)備。以前我國 數(shù)控技術(shù)及其設(shè)備在各工業(yè)部門中的應(yīng)用整體水平仍較低與工業(yè) 發(fā)達(dá)國家相比差距很大，西方一直將這項(xiàng)技術(shù)對我國進(jìn)行封鎖， 所 以五軸數(shù)控機(jī)床和五軸銑頭的價(jià)格很高，但從1999年開始，在CIMT CCMT等國際、國內(nèi)機(jī)床展覽會(huì)上，首先是國內(nèi)的五軸數(shù)控 機(jī)床產(chǎn)品紛紛亮相，國內(nèi)五軸數(shù)控機(jī)床的市場逐漸打開，以前五軸 機(jī)

40、床和三軸機(jī)床之間的價(jià)格懸殊很大。現(xiàn)在，三軸機(jī)床附加一個(gè)旋 轉(zhuǎn)軸基本上就是普通三軸機(jī)床的價(jià)格，這種機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)多軸機(jī)床 的功能。同時(shí)，五軸機(jī)床的價(jià)格也僅僅比三軸機(jī)床的價(jià)格高出 30%50%。為了實(shí)現(xiàn)“十五”規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)，各部門迫切需要 進(jìn)一步大力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，急需配置大量的各類工藝設(shè)備，尤 其是數(shù)控機(jī)床設(shè)備。對于數(shù)控機(jī)床設(shè)備的主要技術(shù)要求是多軸、高 速、剛性好、功率大；對坐標(biāo)數(shù)的需求，以 35軸聯(lián)動(dòng)為主。對 于關(guān)鍵零件形狀復(fù)雜的行業(yè)，如航空、電力、船舶、模具制造業(yè)等， 其生產(chǎn)部門對多軸機(jī)床要求比例較大，新增五軸數(shù)控機(jī)床大約占數(shù) 控機(jī)床總數(shù)的70%80%。本設(shè)計(jì)不僅適應(yīng)市場的需求，而且還采用

41、了新式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 與同類機(jī)床相比其穩(wěn)定性、定位精度都較高，使用壽命較長。實(shí)現(xiàn) 了曲面加工，及五面體加工，與國外其它同類型產(chǎn)品相比其性價(jià)比 非常高。進(jìn)入市場后，能很快占有優(yōu)勢，將有很好的開發(fā)和投資前 景。第五章設(shè)計(jì)結(jié)論及致謝在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我深深的體會(huì)到畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)習(xí)深化和升 華的重要過程，是我們學(xué)習(xí)、研究和實(shí)踐成果的全面總結(jié)。是綜合 素質(zhì)和工程實(shí)際實(shí)踐能力鍛煉的最好方法。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)我 們綜合運(yùn)用多學(xué)科的理論、知識(shí)與技能的能力，使我們能夠獨(dú)立的 解決具有一定復(fù)雜程度的工程實(shí)際問題。 同時(shí)，它也是我們能夠樹 立正確的設(shè)計(jì)思想和掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，并培養(yǎng)了我們嚴(yán)肅認(rèn)真的 科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的

42、工作作風(fēng)；培養(yǎng)我們勇于實(shí)踐、勇于探索和 開拓創(chuàng)新的精神。在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，有益于 我們科學(xué)的智能結(jié)構(gòu)的形成及綜合素質(zhì)的全面培養(yǎng)。 在這次畢業(yè)設(shè) 計(jì)中我受益非淺，鞏固并擴(kuò)大本專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，提高了綜合運(yùn) 用知識(shí)的能力。在設(shè)計(jì)過程中，再次對以前所學(xué)知識(shí)及其外延進(jìn)行 了融會(huì)和貫通，提高了綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。在零件的設(shè)計(jì)過程中， 由于考慮不周，有的零件的尺寸不夠或過大，產(chǎn)生了余隙和干涉現(xiàn) 象，我們都作了反復(fù)的修改，使其符合設(shè)計(jì)要求。在用PRO/E進(jìn)行 造型裝配的過程中，我們發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計(jì)的不合理，有的零件裝不上 去，有的零件裝上了卻拆不下來，我們也作了及時(shí)的修改，調(diào)整了 裝配順序，使所有的零件都能按要求裝上去，裝配好。在設(shè)計(jì)過程 中所遇到的這些問題，平時(shí)根本就發(fā)現(xiàn)不了，在計(jì)算機(jī)的幫助下， 我們發(fā)現(xiàn)了這些難以發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤，減少了生產(chǎn)過程中的廢品出現(xiàn) 率，對生產(chǎn)起到了促進(jìn)作用，同時(shí)也說明了在實(shí)際生產(chǎn)中引入虛擬 制造和虛擬裝配的必要性。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)還培養(yǎng)了自己的創(chuàng)造性思 維能力，從最初的感性認(rèn)識(shí)到最后的設(shè)計(jì)成型， 也是一步步的增強(qiáng) 認(rèn)識(shí)、加深理解，再用于設(shè)計(jì)當(dāng)中，同時(shí)，