畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目五軸聯(lián)動(dòng)精密銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)學(xué)生指導(dǎo)教師答辯日期哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評語姓名學(xué)號(hào)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目五軸聯(lián)動(dòng)精密銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作起止日期指導(dǎo)教師對畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)行情況，完成質(zhì)量及評分意見_指導(dǎo)教師簽字指導(dǎo)教師職稱評閱人評閱意見_評閱教師簽字_評閱教師職稱_答辯委員會(huì)評語_根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的材料和學(xué)生的答辯情況，答辯委員會(huì)作出如下評定學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯成績評定為對畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的特殊評語_答辯委員會(huì)主任（簽字）職稱_答辯委員會(huì)副主任（簽字）答辯委員會(huì)委員（簽字）_年月日哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書姓名院（系）專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班號(hào)任務(wù)起至日期2014年03月03日至2014年06月20日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目五軸聯(lián)動(dòng)精密銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化立題的目的和意義通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，分析和解決工程實(shí)際問題，鍛煉創(chuàng)造能力的目的，使學(xué)生在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、CAE分析、整機(jī)安全操控設(shè)計(jì)等方面得到進(jìn)一步鍛煉和提高，掌握符合潮流的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。技術(shù)要求與主要內(nèi)容技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，進(jìn)而能加工比較復(fù)雜的曲面和實(shí)體模型，且能實(shí)現(xiàn)A軸擺動(dòng)角度為100，C軸回轉(zhuǎn)角度為360。五軸聯(lián)動(dòng)銑床的定位精度為0015MM/500MM,全行程控制在0020MM，重復(fù)定位精度為0010MM。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局的方案設(shè)計(jì)、機(jī)床的的動(dòng)力方案設(shè)計(jì)、主軸設(shè)計(jì)方案的選取以及對電機(jī)、減速器和聯(lián)軸器的選取，并對行校核與有限元的分析，對必要零部件進(jìn)行振動(dòng)分析。進(jìn)度安排（從設(shè)計(jì)開始算起）第12周搜集資料，熟悉課題，撰寫開題報(bào)告，開題；第38周提出幾種滿足設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)方案，確定最終的整體設(shè)計(jì)方案并完成裝配圖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及相關(guān)的計(jì)算；撰寫中期報(bào)告，中期檢查；第914周完成整機(jī)工作過程的動(dòng)畫仿真設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)中可能存在的不足，提出整改意見。第15周撰寫說明書；準(zhǔn)備答辯，答辯。指導(dǎo)教師簽字_年月日教研室主任意見教研室主任簽字_年月日各位如果需要此設(shè)計(jì)的全套內(nèi)容（包括二維圖紙、中英文翻譯、完整版論文、程序、答辯PPT）可加QQ695939903，如果需要代做也請加上述QQ,代做免費(fèi)講解。五軸聯(lián)動(dòng)精密銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化摘要數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的母機(jī)，是保證我國實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略裝備。隨著新科技的日新月異，高精度、高速度、高柔性和低損耗已成為當(dāng)今數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要方向。因此，研究高速多軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)及其理論，更好地發(fā)揮高速多軸機(jī)床的性能和提高機(jī)床的效率就成了普遍關(guān)注的問題。本設(shè)計(jì)在參考大量國內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，通過對比分析最終確定了此次設(shè)計(jì)采用五軸聯(lián)動(dòng)龍門式銑床。主要運(yùn)用SOLIDWORKS三維軟件對機(jī)床主要零部件進(jìn)行了三維建模及總體組裝，并利用SOLIDWORKS中的COSMOSMOTION和ANIMATOR插件對五軸聯(lián)動(dòng)銑頭進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析和對整機(jī)的三維動(dòng)畫演示，以便修改機(jī)床結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)及運(yùn)動(dòng)干涉的檢查，驅(qū)動(dòng)實(shí)體模型的更新，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。最后，利用其中的COSMOSWORKS軟件完成機(jī)床結(jié)構(gòu)的有限元分析及振動(dòng)分析，對機(jī)床主要零部件進(jìn)行靜態(tài)分析，以確定各零部件的靜態(tài)變形和靜剛度并對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到各零部件的模態(tài)固有頻率及振型，以此來評價(jià)整機(jī)及各零部件的動(dòng)態(tài)特性。本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行自主研制五軸聯(lián)動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)，并針對機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)滾珠絲杠的選取及雙導(dǎo)程蝸桿的設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與校核計(jì)算。本課題的創(chuàng)新之處在于設(shè)計(jì)出了實(shí)用有效的五軸聯(lián)動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用了雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)方式，解決了普通蝸桿傳動(dòng)因蝸桿嚙合磨損造成的軸向間隙問題，有效的提高了機(jī)床加工精度。故本設(shè)計(jì)的研究對于數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)與分析有重要的理論與實(shí)際價(jià)值。關(guān)鍵詞數(shù)控機(jī)床；五軸聯(lián)動(dòng)；有限元分析；模態(tài)分析；SOLIDWORKS各位如果需要此設(shè)計(jì)的全套內(nèi)容（包括二維圖紙、中英文翻譯、完整版論文、程序、答辯PPT）可加QQ695939903，如果需要代做也請加上述QQ,代做免費(fèi)講解。THEDESIGNANDOPTIMIZATIONOFFIVEAXISLINGKAGEPRECISIONMILLINGMACHINESTRUCTUREABSTRACTMACHINETOOLCNCMACHINEISTHEEQUIPMENTMANUFACTURINGINDUSTRY,ISTOENSURETHEREALIZATIONOFTHESTRATEGICEQUIPMENTSPANNINGDEVELOPMENTINCHINAWITHTHEDEVELOPMENTOFNEWTECHNOLOGYCHANGERAPIDLY,HIGHPRECISION,HIGHSPEED,HIGHFLEXIBILITYANDLOWLOSSHASBECOMETHEMAINDIRECTIONOFTHEDEVELOPMENTOFCNCMACHINETOOLSTHEREFORE,THESTRUCTUREANDTHEORYOFHIGHSPEEDMULTIAXISMACHINETOOLS,BETTERPLAYTHEPERFORMANCEOFHIGHSPEEDMULTIAXISMACHINETOOLANDIMPROVEMACHINEEFFICIENCYHASBECOMETHEISSUEOFCOMMONCONCERNTHEDESIGNISBASEDONTHEREFERENCETOLARGEAMOUNTSOFDATAATHOMEANDABROAD,THROUGHTHECOMPARISONANDANALYSISOFEVENTUALLYDETERMINETHEDESIGNUSINGFIVEAXESLINKAGELONGMENTYPEMILLINGMACHINETHEMAINAPPLICATIONOF3DMODELINGANDTHEGENERALASSEMBLYONTHEMAINCOMPONENTSOFTHEMACHINETOOLFOR3DSOLIDWORKSSOFTWARE,ANDTHEFIVEAXISMILLINGHEADOFTHEMOTIONSIMULATIONANALYSISANDTHEANIMATIONDEMONSTRATIONOFTHEUSEOFSOLIDWORKSINCOSMOSMOTIONANDANIMATORPLUGINS,TOMODIFYTHESTRUCTUREMODELOFMACHINETOOLPARAMETERSANDMOVINGINTERFERENCEINSPECTION,DRIVINGENTITYMODELUPDATING,TOACHIEVETHEGOALOFOPTIMALDESIGNOFSTRUCTURESFINALLY,COMPLETETHEFINITEELEMENTMACHINESTRUCTUREANALYSISANDVIBRATIONANALYSISUSINGTHECOSMOSWORKSSOFTWARE,STATICANALYSISOFTHEMAINCOMPONENTSOFTHEMACHINETOOL,TODETERMINETHESTATICPARTSOFTHEDEFORMATIONANDSTIFFNESSOFTHEMACHINETOOLANDTHESTRUCTUREOFTHEMODALANALYSIS,GETTHEMODALNATURALFREQUENCIESANDMODESHAPESOFTHEPARTS,INORDERTOEVALUATETHEDYNAMICCHARACTERISTICSANDTHEPARTSOFTHETHISDESIGNMAINLYINDEPENDENTLYDEVELOPEDFIVEAXISMILLINGHEADSTRUCTURE,AIMINGATTHEKEYTECHNICALTOOLSELECTIONOFBALLSCREWANDDOUBLELEADWORMDESIGNISANALYZED,THEDESIGNANDCHECKINGSYSTEMTHEINNOVATIONOFTHISRESEARCHISTODESIGNAPRACTICALANDEFFECTIVEFIVEAXISMILLINGHEADSTRUCTURE,THESTRUCTUREADOPTSDOUBLEPILOTCHENGWOGANDRIVINGMODE,SOLVETHEORDINARYWORMGEARWORMAXIALCLEARANCEBECAUSEOFPROBLEMSCAUSEDBYWEARENGAGEMENT,EFFECTIVELYIMPROVETHEMACHININGACCURACYOFMACHINETOOLSOTHISDESIGNSTUDYFORTHEDESIGNOFNCMACHINETOOLSHASIMPORTANTTHEORETICALANDPRACTICALVALUEANDANALYSISKEYWORDSCNCMACHINETOOLFIVEAXISLINKAGETHEFINITEELEMENTANALYSISMODALANALYSISSOLIDWORKS目錄摘要IABSTRACTII第1章緒論111課題背景及研究的目的和意義112國內(nèi)外研究現(xiàn)狀113主要研究內(nèi)容及本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)4131主要研究內(nèi)容4132設(shè)計(jì)的重點(diǎn)4第2章機(jī)床主要結(jié)構(gòu)方案選型及設(shè)計(jì)521引言522機(jī)床的的設(shè)計(jì)參數(shù)以及設(shè)計(jì)方案523五軸銑頭結(jié)構(gòu)方案分析與比較5231銑頭結(jié)構(gòu)分類5232銑頭結(jié)構(gòu)選型624五軸聯(lián)動(dòng)銑床整體結(jié)構(gòu)方案分析與比較1025本章小結(jié)14第3章伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)1531引言1532伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求1533滾珠絲杠螺母副的原理及支撐方式16331滾珠絲杠螺母副的原理及特點(diǎn)16332滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊1734滾珠絲杠的選型與計(jì)算1835伺服電機(jī)的選型與計(jì)算2136位移傳感器的選取2537本章小結(jié)26第4章五軸聯(lián)動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2741引言2742五軸聯(lián)動(dòng)銑頭設(shè)計(jì)參數(shù)2743五軸聯(lián)動(dòng)銑頭的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)2744蝸桿蝸輪副的設(shè)計(jì)與計(jì)算29441蝸桿蝸輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)29442蝸桿蝸輪傳動(dòng)的幾何計(jì)算步驟2945本章小結(jié)32第5章機(jī)床的運(yùn)動(dòng)仿真及其有限元分析3351引言3352機(jī)床的三維實(shí)體建模及仿真33521SOLIDWORKS軟件簡介33522機(jī)床的三維模型的建立33523五軸聯(lián)動(dòng)銑頭的運(yùn)動(dòng)仿真3553重要零部件的有限元分析靜態(tài)分析36531有限元分析軟件簡介36532COSMOS與ANSYSWORKBENCH分析結(jié)果比較37533主要部件的有限元分析395331工作臺(tái)的靜態(tài)分析395332龍門立柱的靜態(tài)分析4354機(jī)床的有限元分析模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化45541模態(tài)分析基本理論45542機(jī)床立柱的模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化4655本章總結(jié)50結(jié)論51致謝52第1章緒論11課題背景及研究的目的和意義上個(gè)世紀(jì)以來隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展、可靠性的提高和價(jià)格的下降，多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的技術(shù)、品種和功能價(jià)格比有很大的提高。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是加工葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等不可或缺的手段，尤其是軍工裝備制造業(yè)更是亟需先進(jìn)的機(jī)床設(shè)備。我國國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和國防建設(shè)對高檔多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床提出了急迫的大量需求。多年來，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的研制成為我國裝備制造業(yè)亟待解決的問題。但是以美國為首的一些西方國家在這方面嚴(yán)格限制對我國的出口，嚴(yán)重制約了我國的機(jī)床技術(shù)的發(fā)展。在當(dāng)前的國際形勢下，中國機(jī)床行業(yè)鼓勵(lì)企業(yè)開發(fā)研制五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床具有非凡的意義。數(shù)控機(jī)床是當(dāng)代制造業(yè)的主流裝備。我國數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷30多年來的發(fā)展，現(xiàn)已頗具規(guī)模，機(jī)床已涉及超重型機(jī)床、高精度機(jī)床、特種加工機(jī)床、鍛壓設(shè)備、前沿高技術(shù)機(jī)床等領(lǐng)域【1】。但與機(jī)床產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達(dá)的國家相比，我國機(jī)床的總體制作水平還是存在著一定的差距，尤其是在我國，對于四軸聯(lián)動(dòng)以上的機(jī)床，大部分來自國外，再加上西方國家對我國在這方面的技術(shù)封鎖，在一定程度上影響了我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。不可否認(rèn)的是對于高精密工件的加工，國產(chǎn)機(jī)床還有待提升。因此，對多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行研發(fā)十分必要，很多高校和企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了這方面的探索，本課題將提出一個(gè)五軸聯(lián)動(dòng)精密銑床的設(shè)計(jì)方案。本課題的研究成果，可以為數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整機(jī)動(dòng)態(tài)特性研究提出有建設(shè)性的方案參考。本課題的研究工作，必將有助于縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提高新產(chǎn)品性能、降低設(shè)計(jì)成本，為推動(dòng)機(jī)床工業(yè)的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用和積極的意義。12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是上世紀(jì)80年代由西方發(fā)達(dá)國家研制并首先投入到工業(yè)生產(chǎn)中的，主要用于航空航天、精密模具、船舶用渦輪與葉片、電廠轉(zhuǎn)子等大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件的高速加工。雖然發(fā)展至今不足30年，但國外多家公司已經(jīng)有較為成熟的產(chǎn)品系列。國際上五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的主要生產(chǎn)廠家有德國的DMG、XIMMERMANN，日本的SNK（圖11）、OKUMA，意大利的FIDIA、JOBS，法國的FORESTLINE等。圖11SNKSUT6CNC切削機(jī)床國內(nèi)對五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的研制起步較晚，直到1999年的CIMT（中國國際機(jī)床展覽會(huì)）上，江蘇多棱數(shù)控機(jī)床有限公司才展示了國內(nèi)第一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床【2】，揭開了國內(nèi)機(jī)床廠對五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床研制的序幕。自此之后，國內(nèi)多家機(jī)床廠先后研制出立式、臥式、龍門式和落地式等五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，如北京機(jī)床研究所開發(fā)的高精度加工中心、交大昆機(jī)科技股份有限公司研制的TH61160、寧江機(jī)械集團(tuán)股份有限公司的NJ25HMC40、沈陽機(jī)床集團(tuán)股份有限公司的GMB3080WM等。雖有一些產(chǎn)品問世，但國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)對五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的開發(fā)尚處于研制階段，未形成規(guī)模效應(yīng)，同時(shí)機(jī)床精度與國外還存在明顯的差距，主要表現(xiàn)在關(guān)鍵功能件與數(shù)控系統(tǒng)依賴進(jìn)口，機(jī)床精度及保持性差，平均無障礙時(shí)間短等。以平均無障礙時(shí)間來看，國際水平是5000H，臺(tái)灣水平是3000H，而我國沈陽機(jī)床廠平均無障礙時(shí)間低于800H，差距明顯國內(nèi)對五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)動(dòng)特性研究目前還比較少，主要集中在機(jī)床生產(chǎn)廠與部分高校。北京信息科技大學(xué)的曹文平等基于對某型號(hào)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得出該機(jī)床的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，從而找出了機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，為機(jī)床的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院的李明、楊慶東利用有限元對SKY12160五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的整機(jī)與主要部件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析，找出機(jī)床薄弱環(huán)節(jié)，并提出了結(jié)構(gòu)修改方案。東南大學(xué)與江蘇多棱數(shù)控機(jī)床廠進(jìn)行合作，研究通過機(jī)床主振型的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行抑振調(diào)諧阻尼器的設(shè)計(jì)，使機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)一步提高。以上所述為國內(nèi)外傳統(tǒng)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r，現(xiàn)在國外正在進(jìn)行微型機(jī)床的輔助加工設(shè)計(jì)如美國的愛思唯爾科技有限公司的研究領(lǐng)域便是激光輔助微銑削工藝，主要用來加工硬質(zhì)合金材料【3】。目前比較可行的輔助加工技術(shù)包括微雷射加工MICROLASERMACHINING、電子束加工ELECTROBEAMMACHINING,簡稱EBM和電射加工（LASERMACHINING）等技術(shù)【4】。美國WTECWORDTEEHNOLOGYEVALUATIONCENTER,INE和NSFNATIONALSEIENEEFOUNDATION等機(jī)構(gòu)于2002年共同出資,針對國際上NON一MEMS微型加工技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢組成考察團(tuán)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研,并于2005年形成分析報(bào)告,調(diào)查分析報(bào)告指出,NON一MEMS微制造技術(shù)將成為21世紀(jì)重要的新技術(shù),它是連接微觀與宏觀制造領(lǐng)域的橋梁技術(shù),是改變傳統(tǒng)加工理念加工時(shí)間、地點(diǎn)、方式的技術(shù),是改變生產(chǎn)力分配方式的技術(shù)微制造可成為家庭手工業(yè),它是增強(qiáng)美國競爭優(yōu)勢的戰(zhàn)略性技術(shù)【5】。美國佐治亞理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、密西根大學(xué)和威斯康辛大學(xué)等都針對微小制造系統(tǒng)開展了廣泛的研究【6】,一些研究成果已成功用于航空航天和生物醫(yī)療等領(lǐng)域。西北大學(xué)和伊利諾伊斯大學(xué)研制的微小型車床,其主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到200,000RPM。而我國近期也研制成功了國內(nèi)第一臺(tái)超精密微細(xì)加工機(jī)床，如圖1所示，該裝置為三軸聯(lián)動(dòng)的超精密微小型銑床，運(yùn)用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、氣體靜壓導(dǎo)軌支撐的驅(qū)動(dòng)方式；采用納米級(jí)直線光柵反饋的全閉環(huán)、開放式數(shù)控系統(tǒng)；使用氣體靜壓軸承支撐的高速電主軸，最高轉(zhuǎn)速為160000RPM，實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)超精密定位和加工?，F(xiàn)已在西安618研究所使用，大大提高了該研究所的研發(fā)和生產(chǎn)能力。圖12618所超精密微細(xì)加工機(jī)床因此我們可知，未來的工業(yè)生產(chǎn)會(huì)隨著人們對高新技術(shù)的追求而步入“細(xì)微時(shí)代”【7】，令人期待的諸如微型管道機(jī)器人、超微型醫(yī)療機(jī)器人、人工智能心臟等的運(yùn)用都將離不開精密微型銑床的發(fā)展和成熟。未來誰更早掌握了微型加工技術(shù)，誰便站在了工業(yè)制造的前沿。13主要研究內(nèi)容及本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)131主要研究內(nèi)容根據(jù)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的技術(shù)要求，結(jié)合國內(nèi)外研究綜述，本課題的主要研究內(nèi)容包括（1）機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局的方案設(shè)計(jì)。怎樣選擇總體結(jié)構(gòu)，是選擇立式機(jī)床結(jié)構(gòu)，還是選擇臥式結(jié)構(gòu)，并且選用合適的五軸銑頭結(jié)構(gòu)使其保證加工精度和結(jié)構(gòu)的緊湊。（2）機(jī)床的的動(dòng)力方案設(shè)計(jì)。初步設(shè)想用滾珠絲杠配合伺服電機(jī)作為動(dòng)力和傳動(dòng)裝置。（3）主軸設(shè)計(jì)方案的選取。是選取傳統(tǒng)的純機(jī)械結(jié)構(gòu)還是馬達(dá)和主軸作為一體式結(jié)構(gòu)。（4）根據(jù)機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)的其他外觀尺寸，并組裝其三維實(shí)體模型。（5）對電機(jī)、減速器和聯(lián)軸器的選取，用SOLIDWORKS軟件進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)與裝配，并對主要部件進(jìn)行校核與有限元的分析，對必要零部件進(jìn)行振動(dòng)分析。132設(shè)計(jì)的重點(diǎn)（1）合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)和布局，是保證機(jī)床的工作性能的前提采用了高效的五軸聯(lián)動(dòng)龍門布局，其具有加工復(fù)雜輪廓表面、型腔工件的能力，XYZ三軸采用了精密滾珠絲桿直線導(dǎo)軌傳動(dòng)。并對其關(guān)鍵部件予以理論計(jì)算與校核，簡化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，也提高了機(jī)床的剛性，同時(shí)也大大的提升了各軸的傳動(dòng)精度，加工精度顯著提升。其中AC軸功能的實(shí)現(xiàn)，是通過具有雙擺方式的五軸聯(lián)動(dòng)銑頭來完成的，采用連續(xù)分度方式注A軸定義為繞X軸旋轉(zhuǎn)，B軸定義為繞Y軸旋轉(zhuǎn)，C軸定義為繞Z軸旋轉(zhuǎn)。2雙擺式主軸頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了加工精度五軸聯(lián)動(dòng)銑頭一直是五軸聯(lián)動(dòng)龍門式數(shù)控機(jī)床的瓶頸，本課題設(shè)計(jì)出高效實(shí)用的五軸聯(lián)動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)，它具有AC軸功能，其中C軸采用精密齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，而A軸采用蝸桿傳動(dòng)形式，此傳動(dòng)結(jié)構(gòu)具有一定的軸向間隙補(bǔ)償?shù)墓δ?，彌補(bǔ)了其它普通齒輪傳動(dòng)形式因齒輪嚙合磨損造成的軸向間隙問題。第2章機(jī)床主要結(jié)構(gòu)方案選型及設(shè)計(jì)21引言在需要加工大型零件或者具有復(fù)雜曲面的零件時(shí)，零件的裝夾和校正作業(yè)成本很高。此外，對質(zhì)量和精度的要求也在不斷的提高。因此，解決的方案是用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，一次裝夾，盡快完成加工，同時(shí)還要為漫長精加工作業(yè)做好準(zhǔn)備。通常，用三軸或四軸機(jī)床是辦不到的。在某些情況下，五軸聯(lián)動(dòng)加工提供了許多經(jīng)濟(jì)方便的優(yōu)點(diǎn)。但是，作為這種用途的CAM編程仍很昂貴，在投資于五軸銑床時(shí)應(yīng)考慮這一點(diǎn)。22機(jī)床的的設(shè)計(jì)參數(shù)以及設(shè)計(jì)方案本課題的五軸聯(lián)動(dòng)精密銑床設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)【8】如下（1）五軸聯(lián)動(dòng)精密銑床的工作行程為X/Y/Z軸行程分別為270MM/350MM/140MM，A軸擺動(dòng)角度為100，C軸回轉(zhuǎn)角度為360；（2）機(jī)床的各軸工作速度X/Y/Z軸快速移動(dòng)速度為1000/1000/800MM/MIN,A軸擺動(dòng)速度為04R/MIN,C軸回轉(zhuǎn)速度為030R/MIN；3）五軸聯(lián)動(dòng)銑床的定位精度為0015MM/500MM,全行程控制在0020MM，重復(fù)定位精度為0010MM；4）工作臺(tái)最大承載重量為30KG，采用內(nèi)藏式電主軸，主軸轉(zhuǎn)速為6000R/MIN,SK6刀柄【9】。23五軸銑頭結(jié)構(gòu)方案分析與比較231銑頭結(jié)構(gòu)分類如下圖21所示是常見的五軸數(shù)控機(jī)床的銑頭結(jié)構(gòu)，從中可以看出五軸數(shù)控機(jī)床安旋轉(zhuǎn)軸的安裝方式可以分為三大類五軸雙擺頭機(jī)床、五軸擺頭及轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床、五軸雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床。龍門式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)的主流設(shè)備，而五軸聯(lián)動(dòng)銑頭是這類機(jī)床的核心部件。目前在五軸聯(lián)動(dòng)銑頭領(lǐng)域中，西方圖21機(jī)床銑頭結(jié)構(gòu)的分類【8】國家中主要有意大利意薩（ISA）公司和德國西泰克（CYTEC）公司比較突出，國內(nèi)就數(shù)桂林機(jī)床股份有限公司做的比較專業(yè)化和系統(tǒng)化。232銑頭結(jié)構(gòu)選型綜合現(xiàn)有產(chǎn)品資料，本次設(shè)計(jì)擬定了三種五軸聯(lián)動(dòng)銑頭的結(jié)構(gòu)方案。方案一，直接由力矩電機(jī)（TORQERMOTOR）驅(qū)動(dòng)，五軸聯(lián)動(dòng)的A/C軸全采用“零傳動(dòng)”結(jié)構(gòu)。德國的西泰克公司的產(chǎn)品五軸頭便是此類結(jié)構(gòu)，如下圖22所示?，F(xiàn)在國內(nèi)市場上也已經(jīng)有才類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。但是精度和控制方面距國外同類產(chǎn)品還有較大差距，主要由以下類型產(chǎn)品，如下圖23所示。圖22德國西泰克五軸頭圖23國內(nèi)五軸頭產(chǎn)品方案二，五軸聯(lián)動(dòng)銑頭采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，A軸由雙導(dǎo)程蝸桿驅(qū)動(dòng)，C軸也是如此，見圖24所示。此類結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是加工精度偏低且體積較大，外觀造型比較笨重。圖24純機(jī)械結(jié)構(gòu)的五軸頭方案三，同方案二一樣采用機(jī)械傳動(dòng)，但是A采用雙導(dǎo)程蝸桿驅(qū)動(dòng)，C軸則由精齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)。初步構(gòu)想示意圖如圖25所示。圖25銑頭結(jié)構(gòu)示意圖對比分析上述方案設(shè)計(jì)可以看出，方案一的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)十分的緊湊，體積小而且加工精度高，美中不足的是造價(jià)過于昂貴。但是，對于精度要求不高的場合可以采用雙力矩電機(jī)來降低加工精度進(jìn)而降低制造成本，如木工加工中心。五軸聯(lián)動(dòng)高速雕銑機(jī)結(jié)構(gòu)便是此類應(yīng)用【10】，如圖26所示。圖26五軸聯(lián)動(dòng)高速雕銑機(jī)方案三的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介于方案二與方案一之間，通過以上對比分析，本設(shè)計(jì)采用方案三的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理和經(jīng)濟(jì)。A軸定義為繞X軸旋轉(zhuǎn)，B軸定義為繞Y軸旋轉(zhuǎn)，C軸定義為繞Z軸旋轉(zhuǎn)，則本結(jié)構(gòu)采用主軸部分可以繞A軸擺動(dòng)，而整體結(jié)構(gòu)則可以繞C軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)Z軸滑枕可以帶動(dòng)銑頭部分沿Z軸上下移動(dòng)。24五軸聯(lián)動(dòng)銑床整體結(jié)構(gòu)方案分析與比較25本章小結(jié)本章主要根據(jù)機(jī)床整體性能要求對機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)和重要的五軸銑頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了方案分析與比較，最終確定了結(jié)構(gòu)的整體參數(shù)和重要部分的設(shè)計(jì)參數(shù)，為后續(xù)工作的展開定下了技術(shù)參考。機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)采用定梁動(dòng)滑臺(tái)龍門式結(jié)構(gòu)，五軸銑頭部分采用的是偏置雙擺動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)。第3章伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)31引言伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是指將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛砘蛘吖ぷ髋_(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，主要包括引導(dǎo)和支撐執(zhí)行部件的導(dǎo)軌、絲杠螺母副、錐齒輪副、蝸桿副及其支撐部件等。這部分的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的主要部分，在借鑒了大量國內(nèi)外的資料后，設(shè)計(jì)了下面內(nèi)容。32伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求由于進(jìn)給系統(tǒng)的精度、靈敏度、穩(wěn)定性直接影響了數(shù)控機(jī)床的定位精度和輪廓加工精度，因此，應(yīng)滿足以下要求（1）提高傳動(dòng)部件的剛度一般來說，數(shù)控機(jī)床的直線運(yùn)動(dòng)的定位精度和分辨率都要達(dá)到微米級(jí)，回轉(zhuǎn)的定位精度和分辨率都要達(dá)到角秒級(jí)，如果傳動(dòng)部件的剛度不足，必然會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)部件產(chǎn)生彈性變形，工作臺(tái)產(chǎn)生爬行、振動(dòng)和反向死區(qū)，影響系統(tǒng)的定位精度、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和響應(yīng)的快速性。關(guān)于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)剛度，主要取決于絲杠螺母副、蝸桿副及其支撐結(jié)構(gòu)的剛度。縮短傳動(dòng)鏈、合理選擇絲杠以及絲杠螺母副的支撐部件等，施加預(yù)緊力是提高傳動(dòng)剛度的有效途徑。（2）高諧振為了提高系統(tǒng)的抗振性，應(yīng)使機(jī)械傳動(dòng)部件具有高的固有頻率和合適的阻尼，一般要求機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)高于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的23倍。（3）摩擦阻力小為了提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性，保證其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確，除對伺服元件提出要求外，還必須減小運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻力和動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力主要來自絲杠螺母副和導(dǎo)軌。為了減小摩擦阻力，普遍采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、滾動(dòng)導(dǎo)軌和塑料導(dǎo)軌【11】。（4）減小傳動(dòng)部件的慣量傳動(dòng)部件的慣量對伺服機(jī)構(gòu)的起動(dòng)和制動(dòng)特性都有影響，尤其是處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件，由于對進(jìn)給系統(tǒng)的加速度要求較高。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)一定時(shí)，傳動(dòng)部件的慣量直接決定了進(jìn)給系統(tǒng)的加速度，它是影響進(jìn)給系統(tǒng)快速性的主要因素。因此，在滿足系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度的前提下，應(yīng)盡可能減小零部件的重量、直徑，以降低慣量，提高快速特性。（5）無間隙機(jī)械傳動(dòng)部件之間的間隙是造成伺服進(jìn)給系統(tǒng)反向死區(qū)的一個(gè)主要原因，因此，對傳動(dòng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，如聯(lián)軸器、齒輪副、蝸桿副、絲杠螺母副及其支撐部件等，均采用消除間隙的結(jié)構(gòu)措施或施加預(yù)緊力。33滾珠絲杠螺母副的原理及支撐方式滾珠絲杠螺母傳動(dòng)屬于滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的滾動(dòng)體有滾珠和滾子兩大類，其應(yīng)用最廣泛的是以滾珠為滾動(dòng)體的滾珠絲杠螺母傳動(dòng)。滾珠絲杠螺母副作為精密、高效的傳動(dòng)元件在數(shù)控機(jī)床得到廣泛應(yīng)用，在機(jī)械工業(yè)、交通運(yùn)輸、航天航空、軍工產(chǎn)品等領(lǐng)域應(yīng)用也很普遍，可作精密定位自動(dòng)控制、動(dòng)力傳遞和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。331滾珠絲杠螺母副的原理及特點(diǎn)滾珠絲杠螺母副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其結(jié)構(gòu)原理如圖31所示。在絲杠和螺母上都有半圓形的螺旋槽，當(dāng)他們套裝在一起時(shí)便成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回珠滾道，將數(shù)圈螺旋滾道的兩端連接成封閉的循環(huán)滾道，滾道裝滿滾珠，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)自轉(zhuǎn)，同時(shí)又在封閉滾道內(nèi)循環(huán)，使絲杠和螺母相對產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)。1螺母，2滾珠，3端蓋，4絲杠，5蓋板，6擋珠環(huán)圖31滾珠絲杠當(dāng)絲杠或螺母固定時(shí)，螺母或絲杠即可產(chǎn)生相對直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)或其他移動(dòng)件作直線運(yùn)動(dòng)。332滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊是提高滾珠絲桿副的反向傳動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)系統(tǒng)間隙的重要措施。滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊常采用各種形式的雙螺母機(jī)構(gòu)。為使預(yù)緊后的雙螺母機(jī)構(gòu)在正向傳動(dòng)鏈?zhǔn)芰\(yùn)行時(shí)，其反向傳動(dòng)鏈仍保證無間隙出現(xiàn)，則一般要求施加一個(gè)合理的預(yù)緊力。預(yù)緊力過大會(huì)造成傳動(dòng)效率的降低、摩擦力增加、磨損增大、使用壽命降低等缺陷。因此，預(yù)緊力的大小可通過理論計(jì)算求取，計(jì)算公式如下（1）當(dāng)最大軸向工作載荷不能確定時(shí)（31）式中施加的預(yù)緊力（N）；預(yù)加負(fù)荷系數(shù)；額定動(dòng)載荷（N），（2）當(dāng)最大軸向工作載荷能確定時(shí)（32）式中最大軸向工作載荷（N）34滾珠絲杠的選型與計(jì)算絲杠選擇總體流程如下圖32所示圖32絲杠選型流程圖35伺服電機(jī)的選型與計(jì)算伺服電機(jī)具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，能夠使它滿足機(jī)械設(shè)備對高精度和快速響應(yīng)的要求。伺服電機(jī)還能夠承受頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)，正是由于它具有這些特點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中主要采用伺服電機(jī)。本課題以施耐德伺服電機(jī)為例，結(jié)合本課題設(shè)計(jì)機(jī)床Y軸結(jié)構(gòu)模型來分析在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中伺服電機(jī)的選取問題計(jì)算絲杠副載荷及轉(zhuǎn)速確定使用條件確定導(dǎo)程確定預(yù)期額定動(dòng)載荷確定最小螺紋底徑確定絲杠螺母副規(guī)格及代號(hào)【13】。（1）Y軸結(jié)構(gòu)模型參數(shù)Y軸結(jié)構(gòu)模型滾珠絲杠通過軸承與前后支撐座裝配固定，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)與滾珠絲杠直聯(lián)，直線運(yùn)動(dòng)部件有工作臺(tái)和工件，具體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)情形見圖34。圖34Y軸結(jié)構(gòu)模型圖計(jì)算步驟負(fù)載慣性矩已知絲杠參數(shù)為D16MM，L500MM，10MM，785KG/，減速比取為1，絲杠折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為（36）工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為37將各個(gè)數(shù)據(jù)分別代入到式（36）和37中可得153KG182KG則電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為KG負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為38式中摩擦系數(shù)，絲杠螺距，減速比，取1F推力，F(xiàn)0；效率，將各個(gè)數(shù)據(jù)代入到（38）中可得電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為009N容量選擇條件,額定轉(zhuǎn)矩（N伺服電機(jī)容許慣性矩（KG）根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，參考電機(jī)選型樣本【14】，Y向伺服電機(jī)選擇德國施耐德（SHNEIDER）公司生產(chǎn)的BMH1003P型電機(jī)，其參數(shù)為J714KG/，,。同以上計(jì)算方法，X向、Z向以及A軸和C軸的伺服電機(jī)均可選擇出來。其中C軸電機(jī)采用自帶減速機(jī)的東方馬達(dá)公司的伺服電機(jī)，A軸采用的是松下公司的伺服電機(jī)。各向電機(jī)型號(hào)及參數(shù)如下表35所示表35各向電機(jī)參數(shù)表安裝方向電機(jī)型號(hào)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（）額定轉(zhuǎn)速額定功率（R/MIN）（KW）A向MQMA011P1AA125C向AIP275AA2H5045Y向BMH1003P839X向BMH2051P282Z向BMH2051P28230006012501500150005075105247247各個(gè)軸向電機(jī)三維模型圖如下圖36所示圖36各軸向電機(jī)模型圖36位移傳感器的選取位移是和物體的位置在運(yùn)動(dòng)過程中的移動(dòng)有關(guān)的量，位移的測量方式所涉及的范圍是相當(dāng)廣泛的。小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來檢測，大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來測量【15】。其中光柵傳感器因具有易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達(dá)到納米級(jí)）、抗干擾能力強(qiáng)、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用?？紤]到位移傳感器的精確程度，這里采用激光位移傳感器，如圖37所示。圖37激光位移傳感器激光位移傳感器可精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化，主要應(yīng)用于檢測物的位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等幾何量的測量。激光有直線度好的優(yōu)良特性，同樣激光位移傳感器相對于我們已知的超聲波傳感器有更高的精度。激光移傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如表38所示。按照測量原理，激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法，激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測量。激光位移傳感器采用回波分析原理來測量距離以達(dá)到一定程度的精度。傳感器內(nèi)部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接收器等部分組成。激光位移傳感表38激光位移傳感器主要技術(shù)參數(shù)檢測距離4060MM分辨率7UM線性度6M/S，則渦輪輪緣采用鑄錫磷青銅Z10P1，又因批量生產(chǎn)，采用金屬模制造。選擇蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)，由圖表43，按I16選取2，則I32。表43和的推薦值567131427288064213036285228542880按齒面接觸疲勞強(qiáng)度確定模數(shù)M和蝸桿的分度圓直徑9K41確定作用于蝸輪上的轉(zhuǎn)矩按2，初取082，則由公式（41）可得I20261（NMM）確定載荷系數(shù)K由圖表44查取使用系數(shù)10，假設(shè)蝸輪圓周速度為501011512所以11200220M確定材料彈性系數(shù)160確定模數(shù)M和蝸桿分度圓直徑M9K912611081由文獻(xiàn)17中表91，按M1381，選取M2MM，24MM。計(jì)算傳動(dòng)中心距A蝸輪分度圓直徑為M23264MM,所以A642444MM驗(yàn)算蝸輪圓周速度、相對滑移速度及傳動(dòng)效率14M/S顯然3M/S，與原假設(shè)相符，取10合適。由M/22/24017，得9648，所以008M/S顯然6M/S，與原假設(shè)值不相符，選用Z10P1做蝸輪輪緣材料不合適，由文獻(xiàn)17中表96可查得蝸輪材料應(yīng)選取鋁鐵青銅（Z）。由008M/S，查文獻(xiàn)17中表97可得當(dāng)量摩擦角134，所以可得傳動(dòng)效率為（095096）（095096）08140832與原來初取值相符。熱平衡計(jì)算所需散熱面積為A取油溫T70C，周圍空氣溫度為20C,設(shè)通風(fēng)良好，取散熱系數(shù)為，傳動(dòng)效率為082，則A012M若箱體散熱面積不足此數(shù)，則需加散熱片、裝置風(fēng)扇或采取其他散熱冷卻方式，本設(shè)計(jì)中采取在箱體設(shè)計(jì)中便加入散熱片結(jié)構(gòu)，如下圖45所示圖45蝸桿副減速器外殼體選擇精度等級(jí)和側(cè)隙種類因?yàn)檫@是一般動(dòng)力傳動(dòng)，但考慮到對精度的要求較高且3M/S，故而取4級(jí)精度，側(cè)隙種類代號(hào)為C，即傳動(dòng)4CGB/T100891988【17】。45本章小結(jié)本章主要進(jìn)行了此次設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)部分即五軸聯(lián)動(dòng)銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)校核，五軸頭是實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵所在，也是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在大量借鑒參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，最終確定了本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。第5章機(jī)床的運(yùn)動(dòng)仿真及其有限元分析51引言建模與仿真是數(shù)字化制造的最關(guān)鍵技術(shù)。建模與仿真方法的優(yōu)點(diǎn)是減少硬件原型，提高新產(chǎn)品的上市速度，有效地優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)，與試制測試方法相比降低了資源消耗與成本。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，實(shí)時(shí)地并行地模擬產(chǎn)品未來制造過程及其對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，充分利用其運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)分析研究產(chǎn)品的可裝配性、可制造性和運(yùn)動(dòng)特性。在產(chǎn)品的實(shí)際加工之前對產(chǎn)品的性能進(jìn)行評價(jià)，使其在投入生產(chǎn)制造時(shí)性能達(dá)到最優(yōu)【18】。52機(jī)床的三維實(shí)體建模及仿真521SOLIDWORKS軟件簡介目前，三維建模軟件的種類很多，每種軟件都各有特點(diǎn)，經(jīng)分析比較本課題選擇了機(jī)床行業(yè)較為常用的SOLIDWORKS軟件。SOLIDWORKS在分析、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域采用全面開放、戰(zhàn)略聯(lián)合的策略，并配有黃金合作伙伴的優(yōu)選機(jī)制，能夠?qū)⒏鱾€(gè)專業(yè)領(lǐng)域中的優(yōu)秀應(yīng)用軟件直接集成到SOLIDWORKS統(tǒng)一的界面下。由于SOLIDWORKS是WINDOWS原創(chuàng)的三維設(shè)計(jì)軟件，充分利用了WINDOWS的底層技術(shù)，因此集成其他WINDOWS原創(chuàng)軟件就一蹴而就。所以在不脫離SOLIDWORKS工作環(huán)境的情況下可以直接啟動(dòng)各個(gè)專業(yè)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了三維設(shè)計(jì)、工程分析、數(shù)控加工、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的全相關(guān)性。522機(jī)床的三維模型的建立產(chǎn)品的建模過程包括零件的建模和部件、總體的裝配，其主要內(nèi)容包括虛擬特征的構(gòu)建虛擬特征即基準(zhǔn)特征。它是建立模型的參考。在實(shí)體造型前或建模過程中建立虛擬特征，用起來會(huì)非常方便。例如，在3D立體雛形特征上加入設(shè)計(jì)特征孔、槽、肋板等，或者進(jìn)行放樣、掃描、裝配等操作時(shí)，必須用到基準(zhǔn)特征作為剖面繪制的參考、定位參考、組合零件參考等。這在SOLIDWORKS的菜單欄中，直接按需要選取相關(guān)命令即可。零件模型的建立零件是由各種特征構(gòu)成的。不合格合格圖51零件設(shè)計(jì)流程圖特征是構(gòu)成零件最基本的部分，零件的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，因此構(gòu)成零件的特征種類也很多，包括拉伸、切除、孔、抽殼等，相同的特征也會(huì)因特征添加過程中的操作不同而差別很大。改變與特征有關(guān)的形狀與位置的定義，就可以改變與模型有關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)。一個(gè)零件最重要的特征是基本特征，即最先構(gòu)造的那個(gè)特征。在構(gòu)造好基本特征之后，才能創(chuàng)建其它各種特征。這些后來生成的特征與基開始啟動(dòng)SOLIDWORKS進(jìn)入零件設(shè)計(jì)建立基本特征添加特征和修改特征重建零件合格否添加特征和修改特征存盤/結(jié)束本特征相疊加，或與基本特征相剪切，或者互相交叉而生成形體不同的各種零件造型注在SOLIDWORKS工作環(huán)境中，繪制草圖時(shí)一定要注意各單位要素的約束條件，使之草圖處于完全定義狀態(tài)，即完全約束。零件模型的建立是一個(gè)反復(fù)完善的過程，其流程圖如上圖51所示。523五軸聯(lián)動(dòng)銑頭的運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的運(yùn)用已成為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的一種重要的手段。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的同時(shí)，充分利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析，能夠極大地提高對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可能存在問題的預(yù)見性，從而使設(shè)計(jì)上作更科學(xué)、合理，更全面迅速。仿真就是用模擬模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和分析，首先要建立能代表實(shí)際機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型。從前面設(shè)計(jì)知道，在SOLIDWORKS中，基于參數(shù)變化、變量化及相關(guān)性的原則，可以很方便地建立五軸聯(lián)動(dòng)銑頭的三維裝配模型。此物理模型被稱為主模型，是仿真分析的基礎(chǔ)。創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析方案時(shí)，運(yùn)動(dòng)分析橫犁自動(dòng)復(fù)制主模型的裝配文件，并建立一系列不同的運(yùn)動(dòng)分析案，就可直接更新裝配主模型以反映優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，這也是相關(guān)性設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn)。本設(shè)計(jì)通過SOLIDWORKS軟件中COSMOSMOTION插件來進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)銑頭的運(yùn)動(dòng)仿真分析，通過對這個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，動(dòng)態(tài)地觀察整機(jī)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。53重要零部件的有限元分析靜態(tài)分析計(jì)算機(jī)輔助工程CAE作為項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，當(dāng)前已成為CADCAM中不可缺少的霞要環(huán)節(jié)。有限元分析技術(shù)正是計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù)之一。有限元分析是工程分析訓(xùn)算的有力工具。它能使工程師快速獲得零件的應(yīng)力和應(yīng)變分析，提高零件設(shè)計(jì)的可靠性。在強(qiáng)調(diào)“可視化”的今天，很多程序都建立了對用戶非常友好的GUIGRAPHICSUSERINTERFACE，使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)，并按要求將大量的計(jì)算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖等，便于極值搜索和所需數(shù)據(jù)的列表輸出。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的中后期，為預(yù)知所設(shè)計(jì)的對象是否滿足要求，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，需要完成產(chǎn)品性能和安全可靠性的檢驗(yàn)。本設(shè)計(jì)應(yīng)用CAE的重要工具有限元分析FINITEELEMENTANALYSIS，簡稱FEA技術(shù)對重要的零件進(jìn)行了可靠性分析。531有限元分析軟件簡介COSMOS軟件簡介COSMOS系列軟件是由創(chuàng)建于1982年的SRACSTRUCTURRALRESEARCHANDANALYSISCORPORATION公司推出的業(yè)界著名有限元分析系列軟件，它在SOLIDWORKS的環(huán)境下為設(shè)計(jì)工程提供了比較完整的分析手段，并且它以簡單易用、功能強(qiáng)大，并且分析快速且準(zhǔn)確而著稱。利用COSMOS的軟件功能，使工程師能在產(chǎn)品開發(fā)過程中達(dá)到設(shè)計(jì)分析的能力。正是由于以上的原因，該軟件也越來越被廣大用戶所歡迎，在整個(gè)業(yè)界受到了越來越多的應(yīng)用。COSMOS系列軟件主要由三部分組成，它們是COSMOSMOTION、COSMOSFLOW0RKS和COSMOSWORKS，本次設(shè)計(jì)主要運(yùn)用的是COSMOSWORKS部分。ANSYS軟件簡介ANSYS是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，由世界上培人的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司丌發(fā)，可廣泛用于機(jī)械制造、核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、汽車變通等一般工業(yè)及科學(xué)研究。ANSYS是ANALYSISSYSTEM的簡稱，是一種廣泛性的商業(yè)套裝工程分析軟件，目前，許多國際化大公司己將ANSYS作為其設(shè)計(jì)分析的標(biāo)準(zhǔn)【19】。532COSMOS與ANSYSWORKBENCH分析結(jié)果比較本課題對于具體采用哪種有限元軟件作了個(gè)專門的對比測試，通過COSMOS與ANSYSWORKBENCH軟件，對具體一特征結(jié)構(gòu)作靜態(tài)分析，受力情況見圖52所示圖52測試模型（單位MM）模型材料為45號(hào)鋼，模型兩端為固定安裝面，并在大平面施加500KGF。分析對比后的結(jié)果為COSMOS軟件測試結(jié)果應(yīng)力為4010，效果見圖53；受力后變形量為4889M。圖53COSMOS靜力分析結(jié)果ANSYSWORKBENCH軟件測試結(jié)果應(yīng)力為2910，效果見圖54；受力后變形量為5079M。圖54ANSYSWORKBENCH靜力分析結(jié)果相比圖53和圖54結(jié)果，發(fā)現(xiàn)COSMOS軟件分析結(jié)果應(yīng)力值的大小比ANSYSWORKBENCH軟件分析結(jié)果大，從設(shè)計(jì)安全考慮，COSMOS軟件分析結(jié)果能滿足要求時(shí)，則用ANSYSWORKBENCH軟件分析的結(jié)果也能滿足。本設(shè)計(jì)