五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+三維建模+文檔】
五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+三維建模+文檔】,含CAD圖紙+三維建模+文檔,雕刻,機(jī)電,電機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),cad,圖紙,三維,建模,文檔
淮 陰 工 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名：
趙俊
學(xué) 號(hào)：
1081101738
專 業(yè)：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目：
五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)②
―結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
指 導(dǎo) 教 師:
許軍
2012
年
2
月
28
日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫
2000字左右的文獻(xiàn)綜述
文 獻(xiàn) 綜 述
一、五軸雕刻機(jī)的簡(jiǎn)介
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展, 普通的三軸雕刻機(jī)床已滿足不了人們對(duì)加工零件的更高要求。在20世紀(jì)60年代, 一些發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研制五軸數(shù)控機(jī)床。五軸雕刻機(jī)集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工于一體, 可高效、準(zhǔn)確完成復(fù)雜曲面的加工, 特別是在曲軸等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于五軸技術(shù)難度較大, 國(guó)際上通常把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為衡量一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。長(zhǎng)期以來(lái), 西方發(fā)達(dá)國(guó)家一直把五軸聯(lián)動(dòng)作為重要的戰(zhàn)略物資控制出口, 發(fā)展中國(guó)家在研發(fā)和引進(jìn)兩方面都碰到了很大的困難，為打破國(guó)外的技術(shù)封鎖, 需要我們自主創(chuàng)新 !
二、工作原理
五軸加工是指在一臺(tái)機(jī)床上至少有五個(gè)坐標(biāo)軸，三個(gè)直線坐標(biāo)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，而且可以在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)，是數(shù)控技術(shù)難度最大、適用范圍最廣的技術(shù)，其集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密技術(shù)于一體，主要應(yīng)用于加工品質(zhì)要求很高的自由曲面的高效、精密、自動(dòng)加工，是目前解決葉輪、葉片、螺旋槳等復(fù)雜曲面加工的重要手段。這樣五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工與一般的三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工相比，主要有1)提高加工質(zhì)量和效率，2)擴(kuò)大工藝范圍，可以用于復(fù)雜曲面和斜空斜面的加工；同時(shí)，五軸加工也存在很多難點(diǎn)，需要在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
三、機(jī)床設(shè)計(jì)
1、五軸聯(lián)動(dòng)現(xiàn)狀及其分析
大多數(shù)高級(jí)的數(shù)控銑床的數(shù)控裝置都可控六根基本軸,即X, Y, Z三根運(yùn)動(dòng)軸和繞X, Y, Z 三根運(yùn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的A、B、C三根回轉(zhuǎn)軸。五軸聯(lián)動(dòng)指的是在六根基本軸中, 機(jī)
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床數(shù)控裝置能控制其中五根軸同時(shí)達(dá)到空間某一點(diǎn), 通俗的講就是指其中五根軸能同時(shí)對(duì)某一點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)加工。根據(jù)機(jī)床實(shí)際情況, 五軸聯(lián)動(dòng)通常是在X、Y、Z三根運(yùn)動(dòng)軸基礎(chǔ)上增加由A、B、C 三個(gè)回轉(zhuǎn)軸中任意兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸所組合的運(yùn)動(dòng), 2個(gè)回轉(zhuǎn)軸可以都配置在刀具切削頭部位( 通常稱擺動(dòng)軸)或工件安裝部位(通常稱旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)), 也可在這兩個(gè)部位上分別配置1個(gè)回轉(zhuǎn)軸。
根據(jù)這些配置方式可以組合出的有效布局方案共有:
雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的高速五軸機(jī)床, 它應(yīng)用比較多的是銑鏜類機(jī)床。這種機(jī)床也有多個(gè)類型和品種, 較簡(jiǎn)單的是在數(shù)控鏜銑床的工作臺(tái)上附加A /B軸轉(zhuǎn)臺(tái), 配上相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和A /B軸兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并可聯(lián)動(dòng)。這種配置由于接合層次多, 剛性差些, 因此有專門將A /B轉(zhuǎn)軸的支座與工作臺(tái)或床身做成一體的。由于受安裝工件的轉(zhuǎn)臺(tái)的尺寸和重量的制約, 這種機(jī)床僅適用于加工中小這種機(jī)床僅適用于加工中小型工件。
在刀具切削頭部位和工件安裝部位, 都配置1個(gè)回轉(zhuǎn)軸。這種五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床由于轉(zhuǎn)臺(tái)可以是A 軸、B 軸或C 軸,擺頭也是一樣, 可以分別是A軸、B軸或C 軸, 所以轉(zhuǎn)臺(tái)加上擺頭式結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床可以有各種不同的組合, 以適應(yīng)不同的加工對(duì)象, 如加工汽輪發(fā)電機(jī)的葉片, 需要A 軸加上B軸, 其中A 軸需要用尾座頂尖配合頂住工件, 如果工件較長(zhǎng)同時(shí)直徑又細(xì), 則需要兩頭夾住并且拉伸工件來(lái)進(jìn)行加工, 當(dāng)然這里一個(gè)必要條件是兩個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)必須嚴(yán)格同步旋轉(zhuǎn)。這種型式配置的機(jī)床把旋轉(zhuǎn)軸分別放置于切削頭部位和工作臺(tái)安裝部位, 與使用雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的機(jī)床相比較, 優(yōu)點(diǎn)是剛性高, 工作臺(tái)的承載能力強(qiáng)。雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)為一個(gè)串聯(lián)機(jī)構(gòu), 而且空間上受到限制, 無(wú)法設(shè)計(jì)得足夠健壯, 導(dǎo)致整體剛性不足, 若將旋轉(zhuǎn)軸分開(kāi)在主軸頭和工作臺(tái)兩個(gè)部位,那么結(jié)構(gòu)剛性的問(wèn)題便得到很好的解決, 工作臺(tái)的工作臺(tái)面積與承載能力也遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。
雙擺頭式結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床, 由于結(jié)構(gòu)本身的原因: 擺頭中間一般有一個(gè)帶有松拉刀結(jié)構(gòu)的電主軸, 所以雙擺頭自身的尺寸不容易做小, 一般在400~ 500 mm 左右, 加上雙擺頭活動(dòng)范圍的需要, 所以雙擺頭結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的加工范圍不宜太小, 而是越大越好, 一般為龍門式或動(dòng)梁龍門式, 龍門的寬度在2000 ~ 3000 mm 以上為好。
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2、機(jī)床的選擇
常見(jiàn)五軸機(jī)床的形式有雙擺回轉(zhuǎn)臺(tái)、雙擺頭和轉(zhuǎn)臺(tái)加擺主軸共3 大類在保證整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械剛性以及經(jīng)濟(jì)性的前提下，本設(shè)計(jì)采用龍門式結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方式采用龍門架移動(dòng)、工作臺(tái)固定的運(yùn)動(dòng)方式。該布局，龍門及其上的X，Z 軸機(jī)構(gòu)都要運(yùn)動(dòng)， 因此運(yùn)動(dòng)慣性較大， 要求Y 軸步進(jìn)電機(jī)的功率要大， 但是工作臺(tái)穩(wěn)定，可以裝夾質(zhì)量較大的金屬工件。如圖1 所示， 由主軸組件在龍門架上進(jìn)行左右移動(dòng)(X 向)， 實(shí)現(xiàn)雕刻寬度； 由龍門架與Y 軸滑塊固定，在工作臺(tái)上進(jìn)行前后移動(dòng)（Y 向），實(shí)現(xiàn)雕刻長(zhǎng)度；由主軸組件在龍門架上進(jìn)行上下移動(dòng)（Z 向），實(shí)現(xiàn)雕刻深度。機(jī)床結(jié)構(gòu)主要是XYZ 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)+AC 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的組合。此結(jié)構(gòu)下，五軸加工時(shí)由于A 及C旋轉(zhuǎn)加工平臺(tái)較小，不能進(jìn)行較大行程的五軸加工，但A 及C旋轉(zhuǎn)加工平臺(tái)，可以很容易移開(kāi)，即可進(jìn)行較大行程的XYZ 三軸加工，這也是機(jī)床開(kāi)發(fā)功能性及經(jīng)濟(jì)性的一種表現(xiàn)。此時(shí)機(jī)床在設(shè)計(jì)上XY 方向會(huì)有較大行程。主軸部分采用直流電機(jī)鏈接鉆夾頭， 夾持刀具直接進(jìn)行切削。在系統(tǒng)各個(gè)方向的傳動(dòng)件上我們均采用滾珠絲杠配合圓柱導(dǎo)軌的方式，保證了系統(tǒng)的精度。
3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
數(shù)控機(jī)床由數(shù)控加工系統(tǒng)控制，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，英文名稱為（Numerical Control system），簡(jiǎn)稱NCS，而目前控制方式，多是電腦進(jìn)行控制，又簡(jiǎn)稱CNC（ComputerNumerical Control）。其功能是根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)利用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令，來(lái)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制，其所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和開(kāi)關(guān)量。CNC 系統(tǒng)的核心是CNC 裝置。由于使用了計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用PLC 代替了傳統(tǒng)的機(jī)床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，使用、維護(hù)也方便，并具有與上位機(jī)連接及進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的功能。
四、綜述
機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中, 軸的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)是其核心的部分, 不僅對(duì)控制部分有較高的要求, 機(jī)
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械部分也是非常重要的, 它不僅決定了其功能, 更決定了其精度和加工范圍。此論文對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械部分進(jìn)行了詳細(xì)的比較與設(shè)計(jì), 既符合經(jīng)濟(jì)效益也同時(shí)滿足精度要求, 是一種比較適合于我國(guó)現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床發(fā)展的水平的設(shè)計(jì)思路。為數(shù)控機(jī)床軸的設(shè)計(jì)提供有普遍意義的設(shè)計(jì)方案, 為同樣進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)的同行提供參考。
隨著械加工技術(shù)的不斷推進(jìn), 以這種機(jī)械傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)銑頭會(huì)逐漸被以“ 零傳動(dòng)”方面的五軸聯(lián)動(dòng)銑頭取代, 但個(gè)人相信, 在今后幾十年中, 機(jī)械傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床, 在數(shù)控加工領(lǐng)域仍扮演著重要的角色, 推動(dòng)我國(guó)制造加工業(yè)的發(fā)展。
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參考文獻(xiàn)：
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2．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）
一、解決的問(wèn)題
本課題從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)和研制原則，應(yīng)用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的組織和綜合，制定了研制的五軸雕刻機(jī)的機(jī)械部分總體設(shè)計(jì)方案，著重詳細(xì)地分析了雕刻機(jī)系統(tǒng)的總體布局和結(jié)構(gòu)方案、數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式，以及主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)選擇等。研究?jī)?nèi)容包括機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算；控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括硬件選用、軟件結(jié)構(gòu)；以及插補(bǔ)算法的選擇、分析和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了該雕刻機(jī)系統(tǒng)的初步優(yōu)化。 該課題的目的在于提高獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品的能力。
二、研究手段
（1）查閱有關(guān)五軸雕刻機(jī)的相應(yīng)文獻(xiàn)，了解五軸雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所具備的只是和相關(guān)資料；
（2）結(jié)合有關(guān)資料和實(shí)驗(yàn)室中已有設(shè)備進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)；
（3）通過(guò)三維建模，測(cè)繪，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并校驗(yàn)；
（4）完成實(shí)物設(shè)計(jì)。
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指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：
所查閱文獻(xiàn)與畢業(yè)論文選題一致；
所閱讀的文獻(xiàn)數(shù)量（包括中外文文獻(xiàn)資料）符合要求；
所作綜述思路基本清淅，結(jié)構(gòu)合理，觀點(diǎn)明確；
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
畢業(yè)論文選題符合所學(xué)專業(yè)方向和專業(yè)要求；研究?jī)?nèi)容切合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際；課題有一定的深度，需要該生認(rèn)真研究，通過(guò)方案設(shè)計(jì)論證，建模仿真等環(huán)節(jié)，最終可以完成實(shí)物制作。
年
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指導(dǎo)教師： （手寫簽名）
所在專業(yè)審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人： （手寫簽名）
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