五轴雕刻机机电结构设计②—结构设计-开题报告

XX 工 学 院毕业设计( 论文)开题报告学 生 姓 名： 学 号：专 业： 机械设计制造及其自动化设计(论文) 题目： 五轴雕刻机机电结构设计结构设计指 导 教 师: 20X 年 2 月 28 日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000 字左右的文献综述文 献 综 述一、五轴雕刻机的简介随着科学技术的快速发展, 普通的三轴雕刻机床已满足不了人们对加工零件的更高要求。在 20 世纪 60 年代, 一些发达国家开始研制五轴数控机床。五轴雕刻机集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工于一体, 可高效、准确完成复杂曲面的加工, 特别是在曲轴等方面具有独特的优势。由于五轴技术难度较大, 国际上通常把五轴联动数控技术作为衡量一个国家生产设备自动化水平的重要标志。长期以来, 西方发达国家一直把五轴联动作为重要的战略物资控制出口, 发展中国家在研发和引进两方面都碰到了很大的困难，为打破国外的技术封锁, 需要我们自主创新 ! 二、工作原理五轴加工是指在一台机床上至少有五个坐标轴，三个直线坐标和两个旋转坐标，而且可以在计算机数控系统的控制下同时协调运动进行加工。五轴联动数控技术，是数控技术难度最大、适用范围最广的技术，其集计算机控制、高性能伺服驱动和精密技术于一体，主要应用于加工品质要求很高的自由曲面的高效、精密、自动加工，是目前解决叶轮、叶片、螺旋桨等复杂曲面加工的重要手段。这样五轴联动数控加工与一般的三轴联动数控加工相比，主要有 1)提高加工质量和效率，2)扩大工艺范围，可以用于复杂曲面和斜空斜面的加工；同时，五轴加工也存在很多难点，需要在开发的过程中重点考虑的问题。三、机床设计1、五轴联动现状及其分析大多数高级的数控铣床的数控装置都可控六根基本轴,即 X, Y, Z 三根运动轴和绕X, Y, Z 三根运动轴旋转的 A、B、C 三根回转轴。五轴联动指的是在六根基本轴中, 机毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告床数控装置能控制其中五根轴同时达到空间某一点, 通俗的讲就是指其中五根轴能同时对某一点进行运动加工。根据机床实际情况, 五轴联动通常是在 X、Y、Z 三根运动轴基础上增加由 A、B、C 三个回转轴中任意两个回转轴所组合的运动, 2 个回转轴可以都配置在刀具切削头部位( 通常称摆动轴)或工件安装部位(通常称旋转工作台), 也可在这两个部位上分别配置 1 个回转轴。根据这些配置方式可以组合出的有效布局方案共有:双旋转工作台的高速五轴机床, 它应用比较多的是铣镗类机床。这种机床也有多个类型和品种, 较简单的是在数控镗铣床的工作台上附加 A /B 轴转台, 配上相应的数控系统, 实现 X、Y、Z 三个直线运动和 A /B 轴两个旋转运动并可联动。这种配置由于接合层次多, 刚性差些, 因此有专门将 A /B 转轴的支座与工作台或床身做成一体的。由于受安装工件的转台的尺寸和重量的制约, 这种机床仅适用于加工中小这种机床仅适用于加工中小型工件。在刀具切削头部位和工件安装部位, 都配置 1 个回转轴。这种五轴联动机床由于转台可以是 A 轴、B 轴或 C 轴,摆头也是一样, 可以分别是 A 轴、B 轴或 C 轴, 所以转台加上摆头式结构的五轴联动机床可以有各种不同的组合, 以适应不同的加工对象, 如加工汽轮发电机的叶片, 需要 A 轴加上 B 轴, 其中 A 轴需要用尾座顶尖配合顶住工件, 如果工件较长同时直径又细, 则需要两头夹住并且拉伸工件来进行加工, 当然这里一个必要条件是两个转台必须严格同步旋转。这种型式配置的机床把旋转轴分别放置于切削头部位和工作台安装部位, 与使用双旋转工作台的机床相比较, 优点是刚性高, 工作台的承载能力强。双旋转工作台为一个串联机构, 而且空间上受到限制, 无法设计得足够健壮, 导致整体刚性不足, 若将旋转轴分开在主轴头和工作台两个部位,那么结构刚性的问题便得到很好的解决, 工作台的工作台面积与承载能力也远大于传统的双旋转工作台。双摆头式结构的五轴联动机床, 由于结构本身的原因: 摆头中间一般有一个带有松拉刀结构的电主轴, 所以双摆头自身的尺寸不容易做小, 一般在 400 500 mm 左右, 加上双摆头活动范围的需要, 所以双摆头结构的五轴联动机床的加工范围不宜太小, 而是越大越好, 一般为龙门式或动梁龙门式, 龙门的宽度在 2000 3000 mm 以上为好。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2、机床的选择常见五轴机床的形式有双摆回转台、双摆头和转台加摆主轴共 3 大类在保证整个系统机械刚性以及经济性的前提下，本设计采用龙门式结构，运动方式采用龙门架移动、工作台固定的运动方式。该布局，龙门及其上的 X，Z 轴机构都要运动， 因此运动惯性较大， 要求 Y 轴步进电机的功率要大， 但是工作台稳定，可以装夹质量较大的金属工件。如图 1 所示， 由主轴组件在龙门架上进行左右移动(X 向)， 实现雕刻宽度；由龙门架与 Y 轴滑块固定，在工作台上进行前后移动（Y 向） ，实现雕刻长度；由主轴组件在龙门架上进行上下移动（Z 向） ，实现雕刻深度。机床结构主要是 XYZ 运动平台+AC 旋转平台的组合。此结构下，五轴加工时由于 A 及 C 旋转加工平台较小，不能进行较大行程的五轴加工，但 A 及 C 旋转加工平台，可以很容易移开，即可进行较大行程的 XYZ 三轴加工，这也是机床开发功能性及经济性的一种表现。此时机床在设计上 XY 方向会有较大行程。主轴部分采用直流电机链接钻夹头， 夹持刀具直接进行切削。在系统各个方向的传动件上我们均采用滚珠丝杠配合圆柱导轨的方式，保证了系统的精度。3、控制系统设计数控机床由数控加工系统控制，数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（Numerical Control system） ，简称 NCS，而目前控制方式，多是电脑进行控制，又简称 CNC（ComputerNumerical Control） 。其功能是根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令，来实现一台或多台机械设备动作控制，其所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。CNC 系统的核心是 CNC 装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用 PLC 代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。四、综述机床设计过程中, 轴的联动设计是其核心的部分, 不仅对控制部分有较高的要求, 机毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告械部分也是非常重要的, 它不仅决定了其功能, 更决定了其精度和加工范围。此论文对五轴联动机械部分进行了详细的比较与设计, 既符合经济效益也同时满足精度要求, 是一种比较适合于我国现阶段数控机床发展的水平的设计思路。为数控机床轴的设计提供有普遍意义的设计方案, 为同样进行五轴联动设计的同行提供参考。随着械加工技术的不断推进, 以这种机械传动链结构的五轴联动铣头会逐渐被以“ 零传动”方面的五轴联动铣头取代, 但个人相信, 在今后几十年中, 机械传动链结构的五轴联动数控机床, 在数控加工领域仍扮演着重要的角色, 推动我国制造加工业的发展。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告参考文献： 1范宏才, 盛伯浩 . 多轴联动机床 A /C 转轴镗铣头结构 J. 制造技术与机床, 2007, ( 2): 100- 103. 2杜玉湘. 五轴联动数控机床的结构和应用 J. 机械制造与研究, 2008, ( 6). 3黄炳誉, 王成勇 , 秦哲. 模具高速五轴加工机床的结构特点及关键技术 J. 机械工程师 2008, ( 5) . 4张惠敏,五轴联动数控机床的设计(青岛科技大学机电工程学院, 山东青岛 266061) 5 何晓东. M asterCAM 设计与应用M . 北京: 电子工业出版社, 2004. 6: 151- 169. 6 王卫兵. M asterCAM 数控编程实用教程M . 北京: 清华大学出版社, 2000. 12: 49- 200. 7 廖卫献. 数控车床加工自动编程M . 北京: 国防工业出版社, 2002. 6: 166- 168 8 李文星，郭贵中 ,经济型五轴雕刻数控机床的设计与实现 1009-01 34(2011)(下)-Ol 24-04 9徐志明，陈金城，冯正进Windows 平台上三轴联动数控雕刻机的开发J制造技术与机床,2002(4) 10王青松，傅建中面向对象的计算机数控雕刻控制软件 J机电一体化，2000(6)11李荣泳，陈勇志，孙振忠，基于 Mach3 软件的经济型五轴雕刻机开发，1672- 545（2011）01- 0076- 02毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）一、解决的问题本课题从系统的观点出发，根据机电一体化产品设计的基本原理、关键技术和研制原则，应用相关技术进行有机的组织和综合，制定了研制的五轴雕刻机的机械部分总体设计方案，着重详细地分析了雕刻机系统的总体布局和结构方案、数控系统的运动方式，以及主运动和进给运动系统选择等。研究内容包括机械系统的设计和实现，包括主运动和进给运动的设计计算；控制系统的设计和实现，包括硬件选用、软件结构；以及插补算法的选择、分析和实现过程，实现了该雕刻机系统的初步优化。 该课题的目的在于提高独立自主开发机电一体化产品的能力。二、研究手段（1）查阅有关五轴雕刻机的相应文献，了解五轴雕刻机结构设计所具备的只是和相关资料；（2）结合有关资料和实验室中已有设备进行相关参数的设计；（3）通过三维建模，测绘，进行结构设计，并校验；（4）完成实物设计。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：所查阅文献与毕业论文选题一致；所阅读的文献数量（包括中外文文献资料）符合要求；所作综述思路基本清淅，结构合理，观点明确；2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：毕业论文选题符合所学专业方向和专业要求；研究内容切合社会经济发展实际；课题有一定的深度，需要该生认真研究，通过方案设计论证，建模仿真等环节，最终可以完成实物制作。指导教师： （手写签名）年 月 日所在专业审查意见：负责人： （手写签名）年 月 日