立式铣削五轴五联动加工中心设计

目录第一章概述--------------------------------1.1 课题研究内容----------------------1.2 国内外相关技术现状----------------1.3 课题分工及简介---------------------第二章技术支持及其发展趋势----------------2.1 虚拟制造的应用及发展-------------2.2 相关软件介绍---------------------第三章具体设计方案3.1 设计参数计算---------------------3.2 造型设计-------------------------第四章装配及其仿真4.1 零件的装配-----------------------4.2 装配仿真-------------------------第五章设计结论及参考文献-------------------第一章概述1.1 课题研究内容：本次设计的主要任务是立式铣削五轴五联动加工中心，它具有较强的数控功能，可以加工各种复杂轮廓表面的工件。

可作铣、镗、钻孔等加工，广泛应用于机械制造业。

它可以实现五轴控制、五轴联动。

主轴电机采用交流伺服驱动系统，可实现主轴的自动无级变速。

它采用了自动液压拉松刀结构，使刀具交换方便快捷。

这一部分主要是主轴头的设计，主轴头可沿X、Y、Z三个方向移动，并可绕A（B）、C轴作旋转运动，具有很大的灵活性，且加工性能好。

安装专用刀杆及附件，可以加工平面，斜面、螺旋面、沟槽、花键、弧形槽等等。

通过转动的主轴头，机床可实现铣削空间前半球任意角度的加工它采用精密同步带传递主传动，采用伺服电机实现摆动，该主轴头具有较高刚度，主轴转速变换范围宽。

主轴电机为28KW，采用高速钢或硬质合金刀具可进行高速度的强力切削，主轴头与滑枕作成分离式，便于用户安装拆卸。

主传动采用变六变频的无级调速，便于用户选用适合的切削转速和参数。

这次设计的数据参数来源于桂林机床厂，主要参数见下：主轴锥孔40 GB3838.1-83主轴转速级数无级主轴转速范围0~10000rpm主轴转数级数无级主电机功率28KW加工中心其它部分参数如下工作台面积1600×4000 mm工作台T型槽槽数9槽宽22 mm槽距160 mm工作台行程纵向X 4000 mm滑枕行程横向Y 2500 mm垂向Z 1000 mm滑枕进给量范围纵向X 4000 mm横向Y 4000 mm垂向Z 4000 mmA及C轴摆角 A 轴±100°C 轴±180°A及C轴转速0~5rpm进给电机扭矩纵向X 39 Nm横向Y 26 Nm垂向Z 26 Nm机床体积（长×宽×高）9400×4300×3900 mm机床净重 38000 Kg1.2 国内外相关技术现状：五轴联动数控加工中心是功能强，结构复杂，技术含量高的机床，它广泛应用于航天、航海、汽车等领域，在现代工业中有非常重要的应用价值。

在五轴联动数控加工中心的开发过程中，自动万能铣头是关键技术，目前国内只有很少数几个厂家正在开发和生产自动万能铣头，主要还处于搜集技术资料和研究阶段。

而国外一些发达国家中，自动万能铣头已经普遍应用于立式和龙门式数控铣床以及数控加工中心。

使铣床达到五轴联动，实现四面体和五面体加工，可以大大提高铣床的自动化水平和工艺范围以及工作效率。

研究开发五轴加工中心要求具有较高的性能技术指标，不仅要具有多坐标复杂曲面的加工功能，而且还要满足高速度、高刚度和高精度的要求。

而发达国家在进出口技术含量高的五轴联动加工中心方面，对我国进行限制，因此，五轴联动数控加工中心的研究开发是一个难度比较大的项目。

在我国现在比较先进的相关机床主要有：沈阳机床集团的HS-60卧式加工中心。

主轴最高转速达18 0O0r／min，快移速度高达60m／min，加速度达1g。

北京机床研究所的KT1300VB型立式加工中心，主轴最高转速达12000r／min,换刀时间为1.5s，快移速度为40m／min。

北京机电研究院的VMC750 II/VMC1000 II立式加工中心。

它具有以下特点：1）先进的设计，用CAD/CAM系统完成最优的结构设计。

2）高刚性结构，基础大件为铸件，主要零部件经有限元分析，确保高刚性。

3）主轴轴承采用进口的油气润滑装置进行油气润滑。

4）采用凸轮机械手换刀，换刀时间仅2s。

5）刀库容量24把。

6）采用A2100或FANUC数控系统，也可按用户需求选装。

北京机电研究院的VMC750F/VMC750F II五轴联动立式加工中心。

它具有以下特点：1）这种五轴联动立式加工中心是在立式加工中心上配置可倾回转工作台，可对各种空间立体型面进行五轴联动加工，特别适用于加工叶轮类零件，用于机械制造、航空航天、汽车、摩托车、模具等高技术行业。

2）加工范围大，工件安装空间可达Ø420xØ370x300。

转台台面在倾斜轴下40mm，工件安装偏离摆动中心距离小，加工误差小，加工时Y轴附加行程减小。

3）具有10个通道，50个伺服轴，8轴联动。

此外，北京第一机床,桂林机床厂、北京第三机床厂等的数控高速铣床，主轴转速均达10 000r／min以上。

常州机床总厂的五轴联动的数控龙门式加工中心采用电主轴最高转速10O00r ／min，功率18kW／15k。

汉江机床厂和华中数控公司的5轴联动的卧式加工中心。

北京机床研究所的世界先进水平的高精度高速数控车削中心，主轴回转精度小于0.2μm，主轴最高转速8 0O0r ／min。

本课题利用以设计为中心的虚拟制造技术开发研制五轴联动数控加工中心。

虚拟制造技术是刚提出的面向21世纪的先进制造技术，它是以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持，在高性能计算机及高速网络中，采用群组协同工作，通过虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，在虚拟环境下实现产品制造的全过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。

既在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案。

1.3 课题分工及简介：本课题的具体内容分两部分：1）五轴联动数控加工中心的设计方案进行虚拟建模，并在建模的过程中不断发现问题、解决问题，进一步优化设计方案。

本课题采用Pro/Engineer软件对设计方案进行虚拟建模，完成整个加工中心的虚拟装配，获得虚拟模型的可装配性、可制造性和干涉检验等特性。

2）加工中心虚拟模型进行运动学和动力学仿真，来模拟和评估加工中心的功能、性能等各方面可能存在的问题，包括动力学、运动学、有限元、精度、加工和装配性等虚拟仿真分析，得到接近实际加工中心的设计参数、方案评价和制造成本等分析结果。

本课题将采用MDI公司的ADAMS软件和SDRC公司的I-DEAS软件对虚拟建模的部分重要模块进行装配级产品的运动学及动力学仿真及有限元分析，并使用Pro/Engineer2001及InventorR2软件对整机的装配模型进行装配及运动学仿真。

考虑到每个人的具体情况及工作量，我们同组的六个人对整机工作进行了分工：我主要负责主轴系统及C轴进给既滑枕的设计造型极其装配仿真。

第二章技术支持及其发展趋势本课题利用以设计为中心的虚拟制造技术开发研制五坐标联动数控加工中心。

在设计中还主要用到的相关软件有Pro/Engineer2000i, Pro/Engineer2001及InventorR2等。

下面就相关技术支持给予介绍。

2.1 虚拟制造VM（Virtual Manufacturing）的应用及发展虚拟制造是一种新的制造技术，它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以作出前瞻性的决策与优化实施方案。

虚拟制造是一个集成的、综合的可运行制造的环境，用来改善各个层次的决策和控制。

这里的“综合”，指的是既有真实的，又有仿真的对象、活动和过程，是一种混合的状态。

“环境”，是指提供的各种分析工具、设备以及组织方法，并以协同工作的方式，支持用户构造特定用途的制造仿真。

“运行”，指的是利用上述环境进行构造和操作特定的制造仿真。

“改善”，指的是增加其精度和可靠性。

“层次”，指的是从产品概念设计到回收利用的各个阶段、从车间级到执行位置的各个等级、从物质的转换到信息的传递等各个方面。

“决策”和“控制”，指的是进行改变而掌握其影响，预测效果的真实性。

虚拟制造技术的应用将从根本上改变现行的制造模式，对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为：(1)运用软件对制造系统中的五大要素(人、组织管理、物流、信息流、能量流)进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。

(2)可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。

(3)在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确做出决策有不可估量的作用。

(4)虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。

VM可以分为以下几个类别：(1)以设计为中心的VM。

这类研究是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行数字化“制造”，仿真多种制造方案，检验其可制造性或可装配性，预测产品性能和报价、成本。

其主要目的是通过“制造仿真”来优化产品设计及工艺过程，尽早发现设计中的问题。

(2)以生产为中心的VM。

这类研究是将仿真能力加入到生产计划模型中，其目的是方便和快捷地评价多种生产计划，检验新工艺流程的可信度，产品的生产效率，资源的需求状况(包括购置新设备、征询盟友等)，从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。

(3)以控制为中心的VM。

这类研究是将仿真能力增加到控制模型中，提供对实际生产过程仿真的环境。

其目的是在考虑车间控制行为的基础上，评估新的或改进的产品设计与车间生产相关的活动，从而优化制造过程，改进制造系统。

VM的技术特征虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是在人类为改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性所进行的努力中产生的。

它是指综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境(称为虚拟环境——VirtualEnvironment)中提供沉浸感觉的技术。

这里的“沉浸”，是指用户感觉其视点或身体的某一部分处于计算机生成的空间之中。