五軸聯(lián)動機床機構(gòu)設(shè)計(含全套CAD圖紙)

1、摘要 五軸聯(lián)動加工中心有高效率、高精度的特點。若配以五軸聯(lián)動的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對復(fù)雜的空間曲面進行高精度加工，更能夠適應(yīng)像汽車零部件、飛機結(jié)構(gòu)件等現(xiàn)代模具的加工。 本文設(shè)計了一臺五軸聯(lián)動機床主軸模型，在 XY 工作臺的基礎(chǔ)上疊加兩層托板，步進電動機帶動軸使其做旋轉(zhuǎn)運動，構(gòu)成類似陀螺儀的結(jié)構(gòu)。分別實現(xiàn)工作臺繞 XY 軸的轉(zhuǎn)動和移動，再沿 Z 軸裝配一根絲杠完成工作臺沿 Z 軸的上下運動最終實現(xiàn)刀具向各個面進行加工。 主要完成了：模型整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，各個軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算、滾珠絲杠、軸承和直線滾動導(dǎo)軌的選擇及其強度分析；步進電機的選擇及分析。關(guān)鍵詞 五軸聯(lián)動 絲杠傳動 陀螺儀 Abstract

2、Five-axis machining center with high efficiency and precisioncharacteristics. If accompanied by high-end CNC five-axis system canalso carry out complex curved surface precision machining more able toadapt as automotive components aircraft structural parts and othermodern mold processing. This paper

3、designed a five-axis machine tool spindle model based onthe XY table overlay two pallets stepper motor drive shaft rotation todo so constitutes a similar gyro structure. Were achieved around the XYaxis rotating table and move along the Z axis and then complete the tableassembly of a screw up and dow

4、n movement along the Z axis to the ultimaterealization of the various surface processing tool. Main completed: overall structural design model each shaft structuredesign and calculation ball screws bearings and linear motion guide thechoice and strength analysis stepper motor selection and analysis.

5、 Keywords five-axis gyro screw drive 目錄摘要 1Abstract 2第一章 緒論 5第二章 總體方案的設(shè)計 6 2.1 設(shè)計任務(wù) 6 2.2 設(shè)計方案的論證 6 2.2.1 傳動方式的確定6 2.2.2 陀螺儀機構(gòu)的設(shè)計 6 2.3 總體方案的設(shè)計及結(jié)構(gòu)組成 6第三章 XY 工作臺及繞 XY 旋轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計 8 3.1 XY 工作臺的設(shè)計 8 3.1.1 主要設(shè)計參數(shù)及依據(jù) 8 3.1.2 XY 工作臺部件進給系統(tǒng)受力分析 8 3.1.3 初步確定 XY 工作臺尺寸及估算重 8 3.2 繞 XY 旋轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計 9 3.2.1 主要設(shè)計參數(shù)及依據(jù) 9

6、3.2.2 繞 XY 旋轉(zhuǎn)工作臺受力分析9 3.2.3 初步選定繞 XY 旋轉(zhuǎn)工作臺的尺寸及重量估計 9 3.3 沿 Z 向移動工作部分設(shè)計 10第四章 滾珠絲杠副的選型與計算 10 4.1 滾珠絲杠的選型 10 4.2 滾珠絲杠副導(dǎo)程的確定 14 4.3 滾珠絲杠副的傳動效率 15第五章 直線滾動導(dǎo)軌的選型 16 5.1 定位精度高 16 5.2 降低機床造價并大幅度節(jié)約電力 16 5.3 可提高機床的運動速度 16 5.4 可長期維持機床的高精度 16 5.5 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型 17 5.5.1 滑塊承受工作載荷 F max 的計算及導(dǎo)軌型號的選取 17 5.5.2 距離額定壽命

7、 L 的計算 17第六章 步進電機的參數(shù)與選型 18 6.1 步進電動機的特點 18 6.2 步進電動機的分類 18 6.2.1 反應(yīng)式步進電動機 18 6.2.2 永磁式步進電動機 18 6.2.3 混合式步進電動機 18 6.3 步進電動機的參數(shù)及其選擇 19 6.3.1 步距角的選擇 19 6.4 電動機的轉(zhuǎn)速與功率 20 6.5 各參素的確定 20 6.6 初選步進電動機型號 21 6.6.1 脈沖當(dāng)量的選擇 21 6.6.2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 21 6.6.3 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 21 6.6.4 步進電動機型號選擇的計算 22第七章 軸、軸承及聯(lián)軸器的選用 27 7.1 軸的材料

8、27 7.1.1 軸的分類 27 7.1.2 軸的材料及選擇 27 7.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 28 7.2.1 軸頭、軸頸和軸身 28 7.2.2 軸上零件的軸向固定和定位 28 7.2.3 軸的周向固定： 28 7.2.4 減少應(yīng)力集中的措施 29 7.3 軸承的選用 29 7.4 聯(lián)軸器的選用 30第八章 連接部分 32 8.1 螺紋緊固件的聯(lián)接畫法 32致謝 34參考文獻 35 第一章 緒論 五軸聯(lián)動數(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)。它集計算機控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工。五軸聯(lián)動數(shù)控機床是發(fā)電、船舶、航天航空、模具、高精密儀器

9、等民用工業(yè)和軍工部門迫切需要的關(guān)鍵加工設(shè)備。國際上把五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)作為一個國家工業(yè)化水平的標(biāo)志。 國外五軸聯(lián)動數(shù)控機床是為適應(yīng)多面體和曲零件加工而出現(xiàn)的。 隨著機床復(fù)合化技術(shù)的新發(fā)展， 在數(shù)控車床的基礎(chǔ)上，又很快生產(chǎn)出了能進行銑削加工的車銑中心。五軸聯(lián)動數(shù)控機床的應(yīng)用，其加工效率相當(dāng)于兩臺三軸機床，甚至可以完全省去某些大型自動化生產(chǎn)線的投資， 大大節(jié)約了占地空間和工作在不同制造單元之間的周轉(zhuǎn)運輸時間及費用。 市場的需求推動了我國五軸聯(lián)動數(shù)控機床的發(fā)展，CIMT99 展會上，國產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控機床登上機床市場的舞臺。自江蘇多棱數(shù)控機床股份有限公司展出第一臺五軸聯(lián)動龍門加工中心以后，北京機電研究院

10、、北京第一機床廠、 桂林機床股份有限公司、濟南二機床集團有限公司等企業(yè)，相繼開發(fā)了五軸聯(lián)動數(shù)控機床。 當(dāng)前，國產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控機床在品種上，已經(jīng)擁有立式、臥式、龍門式和落地式的加工中心， 適應(yīng)大小不同尺寸的復(fù)雜零件加工，還有五軸聯(lián)動銑床和大型鏜銑床以及車銑中心等，基本涵蓋了國內(nèi)市場的需求。精度上，北京機床研究所的高精度加工中心、 寧江機械集團股份有限公司的 NJ-5HMC40 臥式加工中心和交大昆機科技股份有限公司的 TH61160 臥式鏜銑加工中心都具有較高的精度， 可與發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品相媲美。在產(chǎn)品市場銷售上，江蘇多棱、濟南二機床、北京機電研究院、寧江機床、桂林機床、北京一機床等企業(yè)的產(chǎn)品，已

11、獲得國內(nèi)市場的認(rèn)同。 五軸聯(lián)動機床通常價格很高，在學(xué)校利用畢業(yè)設(shè)計的機會制作一個五軸聯(lián)動機構(gòu)的模型不但對我們所學(xué)知識起到很好的鞏固作用，同時如果將其完善可以做成實物作為教學(xué)之用，具有很好的現(xiàn)實意義。 第二章 總體方案的設(shè)計 2.1 設(shè)計任務(wù) 本次設(shè)計任務(wù)是設(shè)計一臺用于實驗室教學(xué)用的五軸聯(lián)動機床主軸模型，機構(gòu)組要部件為步進電動機、滾珠絲杠副、滾珠直線導(dǎo)軌副、滾動軸承、工作臺等。要求能夠用所設(shè)計的模型清晰的反映出五軸聯(lián)動機床一次完成加工各個工作面的工作過程，能夠模擬出其控制刀架實現(xiàn)工件各個面加工的過程，設(shè)計時應(yīng)兼顧各層次的安裝尺寸和裝配工藝。 2.2 設(shè)計方案的論證 以學(xué)校數(shù)控實驗室 XY 工作臺

12、為原型，在 XY 工作臺上安裝一支撐架用步進電機帶動一平板使其繞 X 軸旋轉(zhuǎn)， 用同樣的方法在繞 X 軸的平板上安裝一支撐軸用電機帶動另一平臺使其繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)，做成一個類似陀螺儀的機構(gòu)。最后，在繞 Y軸旋轉(zhuǎn)的平臺上安裝一支撐架用電機帶動滾珠絲杠副使其完成沿 Z 軸移動的過程，與自動換刀系統(tǒng)共同使用可以模擬出五軸聯(lián)動機床的工作過程，不過在我的設(shè)計中不要求畫出工作臺沿 Z 軸移動的部分。2.2.1 傳動方式的確定 在整個系統(tǒng)中，第一部分 XY 工作臺采用電機帶動滾珠絲杠副控制工作臺沿XY 方向的移動，第二部分采用電機帶動軸用平鍵與托板的連接控制托板 3、4 分別做繞 XY 軸的旋轉(zhuǎn)運動。2.2.

13、2 陀螺儀機構(gòu)的設(shè)計 由于設(shè)計要求工作繞 XY 軸的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)達(dá)到 30°60°，所以在設(shè)計第三、四塊托板高度的時候應(yīng)注意要能讓電機帶動托板使其達(dá)到合理的旋轉(zhuǎn)范圍而不至于讓其碰到底板；同時不至于將支撐板的結(jié)構(gòu)設(shè)計的過高，造成布局不合理的情況。并在支撐板的合理位置安裝傳感器用于檢測和控制托板使其在合理的工作范圍內(nèi)運動。 2.3 總體方案的設(shè)計及結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)設(shè)計要求，最終用如下圖 2-3-1 五軸聯(lián)動機床主軸設(shè)計示意圖的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)圖 2-3-1 五軸聯(lián)動機床主軸設(shè)計示意圖 第三章 XY 工作臺及繞 XY 旋轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計 3.1 XY 工作臺的設(shè)計3.1.1 主要設(shè)計參數(shù)及依

14、據(jù) 本設(shè)計的 XY 工作臺的參數(shù)定為： 1）工作臺行程：橫向 800mm，縱向 400mm 2）工作臺最大尺寸（長×寬×高）：1050×650×430mm 3）工作臺最大承載重量： 20Kg 4）脈沖當(dāng)量：0.001mm/pluse 5）進給速度：60 平方毫米/min 6）表面粗糙度：0.81.6 7）設(shè)計壽命：10 年3.1.2 XY 工作臺部件進給系統(tǒng)受力分析 在 XY 工作臺中，異步電動機 1 所受的作用力最大，應(yīng)根據(jù)托板 2、3、4 的重量選用正確的電機型號。 XY 工作臺部件由工作臺、中間滑臺、底座等零部件組成各自之間均以滾動直線導(dǎo)軌副相聯(lián)以

15、保證相對運動精度。 設(shè)下底座的傳動系統(tǒng)為橫向傳動系統(tǒng)，即 X 向，上導(dǎo)軌為縱向傳動系統(tǒng)，即Y 向。 一般來說機床的滾動直線導(dǎo)軌的摩擦力可忽略不計但滾珠絲杠副以及齒輪之間的滑動摩擦不能忽略這些摩擦力矩會影響電機的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、預(yù)緊措施其產(chǎn)生的負(fù)載波動應(yīng)控制在很小的范圍。3.1.3 初步確定 XY 工作臺尺寸及估算重 初定工作臺 1 尺寸長×寬×高度為: 900×240×60mm，材料為 HT200，查資料得到 HT200 的密度為：7.9 千克/立方分米 所以，估算工作臺 1 的重量 W1125N 工作臺 2 的尺寸長×寬

16、×高度為：450×240×60mm，材料為 HT200。 所以估算的工作臺 2 的重量 W280N 3.2 繞 XY 旋轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計3.2.1 主要設(shè)計參數(shù)及依據(jù) 本設(shè)計的繞 XY 軸旋轉(zhuǎn)工作臺的參數(shù)定為： 工作臺繞 X 軸的旋轉(zhuǎn)角度 0 （30°60°） 繞 Y 軸的旋轉(zhuǎn)角度 0 （30°60°） 初定： 繞 Y 旋轉(zhuǎn)工作臺的托板最大尺寸 ： （長×寬×高） 310×240×150mm 繞 X 旋轉(zhuǎn)工作臺的托板最大尺寸 ： （長×寬×高） 270×20

17、0×135mm 繞 X 軸旋轉(zhuǎn)工作臺的尺寸 160×160×10mm 工作臺最大承載重量： 10Kg 脈沖當(dāng)量：0.001mm/pluse 表面粗糙度：0.81.6 設(shè)計壽命：10 年3.2.2 繞 XY 旋轉(zhuǎn)工作臺受力分析 軸 異步電機帶動軸 3 旋轉(zhuǎn)， 3 與繞 X 軸旋轉(zhuǎn)的托板通過平鍵的連接傳遞動力，電機 3 需要承受的力包括使托板 4、5 轉(zhuǎn)動所需的力以及板 4 中電機的重力，要求能通過電機的控制使其在合理的范圍內(nèi)正常的運轉(zhuǎn)。3.2.3 初步選定繞 XY 旋轉(zhuǎn)工作臺的尺寸及重量估計 設(shè)繞 Y 旋轉(zhuǎn)工作臺的托板最大尺寸（長×寬×高） ：3

18、10×240×150mm 材料為 HT200，查資料的 HT200 的密度為 7.9 千克/立方分米 所以，估算工作臺 3 的重量 W358N 繞 X 旋轉(zhuǎn)工作臺的托板最大尺寸（長×寬×高）：270×200×135mm 材料為 HT200，查資料的 HT200 的密度為 7.9 千克/立方分米 所以，估算工作臺 4 的重量 W445N 繞 X 軸旋轉(zhuǎn)工作臺的尺寸 160×160×10mm 材料為 HT200，查資料的 HT200 的密度為 7.9 千克/立方分米 所以，估算工作臺 5 的重量 W5120N 另外估計

19、其它零件的重量約為 G80N 則下托座導(dǎo)軌副所承受的最大負(fù)載 W 為: WW1W2W3W4W5G12580584535120463N 3.3 沿 Z 向移動工作部分設(shè)計 在我設(shè)計的五軸聯(lián)動主軸的基礎(chǔ)上， 再次利用滾珠絲杠能夠?qū)㈦姍C的 2 旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，在繞 X 軸旋轉(zhuǎn)的工作臺上用肋板支撐電機，滾珠絲杠將電機的動力轉(zhuǎn)化成直線運動，使絲杠頂端的工作臺沿 Z 軸做直線運動。因我的設(shè)計中不要求畫出其結(jié)構(gòu)，所以僅在此寫出其設(shè)計思路。 第四章 滾珠絲杠副的選型與計算 4.1 滾珠絲杠的選型 滾珠絲杠副是在絲杠和螺母的滾道之間放入適當(dāng)?shù)臐L珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。其作用是將螺旋運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或

20、將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪\動。絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置，滾珠通過此裝置自動返回其入口，形成循環(huán)回路。 滾珠絲杠副具有傳動效率高，運動平穩(wěn)，使用壽命長的特性，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備，精密儀器和數(shù)控機床等。滾珠絲杠副由專門工廠制造，當(dāng)型號計算選定后，可以外購或定制。 滾珠絲杠副按照滾珠的循環(huán)方式可分為內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠和外循環(huán)滾珠絲杠，下面通過比較其各自的特點對系統(tǒng)中需要使用的滾珠絲杠進行選擇。 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副如圖 4-1 所示，滾珠在循環(huán)回路中始終和螺桿接觸，螺母上開有側(cè)孔，孔內(nèi)有反向器將相鄰兩螺紋滾道聯(lián)通，滾珠越過螺紋頂部進入相鄰滾道，行成一個循

21、環(huán)回路。內(nèi)循環(huán)的每一封閉循環(huán)滾道只有一圈滾珠，滾珠的數(shù)量較少，因此流動性好、摩擦損失小、徑向尺寸小。但反向器及螺母上的定位孔的加工要求較高。 圖 4-1 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠 外循環(huán)滾珠絲杠的特點，如下圖所示為螺旋槽式外循環(huán)滾珠絲杠。它是在螺母的外表面上銑出一個供滾珠返回的螺旋槽，其兩端鉆有圓孔，與螺母上的內(nèi)滾道相聯(lián)通。在螺母的滾道上裝有擋珠器，引導(dǎo)滾珠從螺母外表面上的螺旋槽返回滾道，循環(huán)到工作滾道的另一端。這種結(jié)構(gòu)的加工工藝比內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠好，故應(yīng)用較方便，但缺點是擋珠器的形狀復(fù)雜且容易磨損。 圖 4-2 螺旋槽式外循環(huán)滾動螺旋傳動 根據(jù)兩種螺旋傳動的特點我選用螺旋槽式外循環(huán)螺旋傳動作為作為系統(tǒng)

22、XY工作臺的傳動機構(gòu)。 滾珠絲桿副的支撐形式 采用雙推減支的支撐形式 其特點是：1.臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性較高 2. 絲杠有熱膨脹的余地 3.以用于較長的臥式安裝的絲杠 在五軸聯(lián)動系統(tǒng)中，其第一層和第二層的工作臺都是在步進電動機的控制下，運用滾珠絲杠副將步進電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，在滾珠絲杠帶動下是工作臺沿 XY 方向做直線運動。 設(shè)計要求： 工作臺沿 X 向的有效行程 800mm 工作臺沿 Y 向的有效行程 400mm滾珠絲杠副的傳動關(guān)系如下圖 4-3 所示： 圖 4-3 滾珠絲杠副的傳動關(guān)系圖 根據(jù)機床的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸， 其安裝尺寸啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的 FL、LL 系列

23、滾珠絲杠副，其中 FL 為浮動反向器內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副。兩種絲杠副均為雙螺母結(jié)構(gòu)，采用螺紋調(diào)整預(yù)緊，安裝連接尺寸完全相同，具體型號如下： X 向： FL 3206 900×800 Y 向： FL2506 450×400 其尺寸參數(shù)如下： X 向：規(guī)格L×e 3206900×800 Dw 3.9688 d 1 38.8 L1 35 d 3 25 D 60 D3 80 B 10 L2 122 L3 82 平鍵尺寸 GB/T10962003 6×6×55 小圓螺母 GB/T8121988 M45×2 額定載荷 動載荷 Ca 13.

24、2 靜載荷 Coa 37.4 Y 向：規(guī)格L×e 2506 450 ×400 Dw 3.5 d 1 24 L1 25 d 3 17 D 45 D3 62 B 8 L2 95 L3 66 平鍵尺寸 GB/T10962003 6×6×50 小圓螺母 GB/T8121988 M45×1.5 額定載荷 動載荷 Ca 10.4 靜載荷 Coa 22.2 圖 4-4 滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)示意圖 因 Y 向的滾珠絲桿比 X 向的滾珠絲桿所受的負(fù)載大，現(xiàn)只計算 Y 向絲桿的相關(guān)數(shù)據(jù)，X 向根據(jù) Y 向的結(jié)果相同選用即可滿足要求。具體計算如下： 4.2 ?鮒樗扛芨鋇汲

25、痰娜范?軸向負(fù)荷計算公式： Fa FUW（3-1）式中 F 切削力，F(xiàn)0 W工件重量加工作臺重量 W455N U滾動導(dǎo)軌上的滾動動摩擦系數(shù) 約為 U0.005則根據(jù)式（3.1） ： Fa 0.005×4632.315N XY 工作臺滾珠絲杠是在低速條件下工作的。 ， 故本處的 Go（0.2-0.3） Fa 2.315N。對照樣本參數(shù)這里的 Go 非常小， 選定導(dǎo)程為 6 的滾珠絲杠副。 4.3 滾珠絲杠副的傳動效率 滾珠絲杠副的傳動效率為: tg / tg （3-2） 式中滾珠絲杠的螺紋升角 當(dāng)量摩擦角 根據(jù)當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角關(guān)系（見表 3-1），前面已經(jīng)定 v1m/s，材 料

26、選擇灰鑄鐵 HRC45。 所以：4°00，tg0.0025 ； 因為arctg（Ph/d） （3-3） 則根據(jù)式（3-2）得：0.953。 表 4-1 當(dāng)量摩擦系數(shù) f和當(dāng)量摩擦角 齒圈材料 錫 青 銅 無錫青銅 灰鑄鐵 齒面硬度 HRC45 其它 HRC45 HRC45 其它相對速度 s f f f f f m/s 0.01 0.110 6°17 0.120 6°51 0.180 10°12 0.180 10°2 0.190 10°45 0.05 0.090 5°09 0.100 5°43 0.140 7°58 0.140 7°58 0.160 9°05 0.10 0.080 4°34 0.90 5°09 0.130 7°24 0.130 7°24 0.140 7°58 0.25 0.065 3°43 0.075 4°17 0.100 5°43 0.100 5°43 0.120 6°51 0.50 0.055 3°09 0.065 3°43 0.090 5°09 0.090