高速五轴动梁龙门加工中心滑枕及主轴设计-开题报告课件

1、一、 引言：开题报告主要由 A题目分析、B国内外技术资料、C主要设计内容、D方案、E设计日程安排、五个基本方面组成。 提纲：A题目分析 B国内外技术资料 1、五轴介绍2、高速切削技术3、加工中心4、数控部分5、小结 C主要设计内容 1、适用范围2、技术参数3、结构特点 D 方案 1、整机设计方案 2、具体设计方案（1）主轴部分 （2）进给部分 E 设计日程安排 二、正文：A 题目分析： 本次毕业设计题目为-五轴高速动梁龙门加工中心。主要特点：本产品与传统的三轴联动数控龙门加工中心的最大区别是在刀头上增加了A 、C 轴的联动。由于A、 C 轴联动的参入，实现五轴联动加工。该机床具有很强的数控功能

2、，可一次装夹工件在多种空间角度进行铣、镗、钻等工序加工，加工各种具有复杂轮廓表面或型腔的工件，广泛适用于多种机械加工领域。特别适用于模具和凸轮及航天航空等超复杂零件的机械加工。 主要性能要求： 1，整机采用龙门式结构，刚性好上下工件操作方便 2，可实现五轴控制、五轴联动 3，主轴采用高速电主轴、主轴转速高、加工效率高4，工作台面及三向行程大、加工范围广、整机刚性高、承载重量大B 国内外技术资料： 本部分内容主要由五个方面组成：1、五轴的介绍 2、高速切削技术 3、加工中心 4、切削数据库 5、数控部分 下面一一展开： 1、五轴的介绍 几十年来，人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂

3、曲面的惟一手段。一旦人们在设计、制造复杂曲面遇到无法解决的难题，就会求助五轴加工技术。早在20世纪60年代，国外航空工业生产中就开始采用五轴数控铣床。目前五轴数控机床的应用仍然局限于航空、航天及其相关工业。五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志。由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上的复杂性，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运。因而，研究五轴数控加工技

4、术对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。符合数控机床发展的新方向近几年国际、国内机床展表明，数控机床正朝着高速度、高精度、复合化的方向发展。复合化的目标是在一台机床上利用一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。国外数控镗铣床、加工中心为适应多面体和曲面零件加工，均采用多轴加工技术，包括五轴联动功能。在加工中心上扩展五轴联动功能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系统的进一步集成化。最近国际机床业出现了一个新概念，即万能加工，数控机床既能车削又能进行五轴铣削加工。五轴数控机床在国内外的实际应用表明，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产

5、流水线的投资，大大节约了占地空间和工件在不同制造单元之间的周转运输的时间和花费。国内五轴数控技术发展状况与市场分析五轴联动数控机床，是电力、船舶、航空航天、高精密仪器等民用工业和军事工业等部门迫切需要的关键加工设备。西方发达国家长期对我国实行禁运。从1999年开始，在CIMT、CCMT等国际、国内机床展览会上，首先是国内的五轴数控机床产品纷纷亮相，国内五轴数控机床的市场逐渐打开，随后国际机床巨头纷至沓来，五轴数控机床的品种和数量逐年上升：CIMT99、CCMT2000分别推出3台国产五轴联动机床；CIMT2001国际机床展览会上，北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速10000

6、rmin的五轴高速龙门加工中心，北京市机电院的主轴转速15000rmin的五轴高速立式加工中心；清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63，采用标准Stewart平台结构，可实现六自由度联动；大连机床厂自行研制的串并联机床DCB510，其数控系统由清华大学开发，该机床通过并联机构实现X、Y、Z轴直线运动，由串联机构实现A、C轴旋转运动，从而实现五轴联动，其直线快速进给速度可达80mmin。这些机床均已达到国际先进水平，体现出我国机床工业为国防尖端工业发展提供装备的实力又有突破性提高。中国机床工业的发展，利用自己研制的高、精、尖产品参与国际竞争，打破了国际技术垄断，国际机床巨头们不愿失去

7、中国这个大有潜力可挖的市场，于是蜂拥而来，把他们的产品“送上门来”：国外展团共展出五轴加工中心8台、五轴车铣加工中心1台、五轴数控刀具磨床5台。我国数控技术及其设备在各工业部门中的应用整体水平仍然偏低，与工业发达国家相比差距很大。为了实现“十五”规划的发展目标，各部门迫切需要进一步大力发展数控加工技术，亟须配置大量的各类工艺设备，尤其是数控机床设备。对于数控机床设备的主要技术要求是多轴、高速、刚性好、功率大；对坐标数的需求，以三至五轴联动为主。对于关键零件形状复杂的行业，如航空、电力、船舶、模具制造业等，其生产部门对多轴机床要求比例较大，新增五轴数控机床大约占数控机床总数的7080。2、 高速

8、切削技术高速加工是零件加工的全新途径，它集成多种技术，不仅仅是高速主轴和快速精密进给在机床上的简单结合。为了应用高速加工技术，加工厂必须把必不可少的新功能和必不可少的新技巧有机地结合起来。同时，也要改变工厂的运作方式和物质设施。 就缩短产品的交付周期和降低成本而言，HSM可以发挥作用并且很有价值。任何计划实施HSM的工厂都应仔细考虑，重视生产现场内外可以加快生产周期的一切技术。实施HSM没有唯一正确的途径，每种情况应当如何应用HSM也没有严格不变或立竿见影的准则。 我们可以看到，HSM终究不是理论或只有实验室才能验证的概念，而是切实可行的技术：高速加工的一些主要的应用领域：高速切削的应用领域首

9、先在航空工业轻合金的加工。飞机制造业是最早采用高速铣削的行业。飞机上的零件通常采用“整体制造法”，即在整体上“掏空”加工以形成多筋薄壁构件，其金属切除量相当大，这正是高速切削的用武之地。铝合金的切削速度已达1500m/min5500 m/min，最高达7500m/min(美)。模具制造业也是高速加工应用的重要领域。模具型腔加工过去一直为电加工所垄断，但其加工效率低。而高速加工切削力小，可铣淬硬60HRC的模具钢，加工表面粗糙度值又很小，浅腔大曲率半径的模具完全可用高速铣削来代替电加工；对深腔小曲率的，可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工，电加工只作为精加工。这样可使生产效率大大提高，周期缩短。

10、钢的切削速度可达600m/min800m/min。汽车工业是高速切削的又一应用领域。汽车发动机的箱体、气缸盖多用组合机加工。国外汽车工业及上海大众、上海通用公司，凡技术变化较快的汽车零件，如：气缸盖的气门数目及参数经常变化，现一律用高速加工中心来加工。铸铁的切削速度可达750m/min4500m/min。3、 加工中心： 主要搜集到一机床、桂林机床厂、江苏多棱、科挺、西门子、大乔等生产加工中心的厂家的产品资料，主要包括的型号有DMV-5200/6200，DMV-2200（大乔），XK2316/3-5X,（桂林机床厂）， TH(K)42160C/TH(K)42200（江苏多棱），TH42160B

11、/5X（西门子），X2016（一机床）等多种五轴龙门式加工中心的技术参数。 4、 数控部分（略）5、 小结：目前我国五轴机床的发展与世界先进水平还有很大的差距，此次设计的内容在国内还没有生产的先例，关键技术还主要是由国外引进。国外如德国的西门子公司生产的TH42160B/5X 五轴联动加工中心在世界处于领先水平，国内的 DMV3000 系列产品，桂林机床厂生产的 XK2316/35X 五轴联动数控龙门机床，以及江苏多棱生产的TH(K)42250 定梁龙门加工中心的设计都是同类产品中比较有代表性的设计，在今后的设计中可以较多的学习借鉴。 C 主要设计内容：主要用途和适用范围：本机床属于高速龙门加

12、工中心。可安装直角铣头，一次装夹工件进行五面体加工和多种空间方向的铣、镗、钻、攻丝等工序加工，自动化程度高。适用于航空航天、模具、汽车、铁路、船舶等行业大中型复杂零件形面的粗加工到精加工。主要技术参数：工作台面积（宽长） 20004000mmT 型槽 828-250横梁移动行程（X向） 4000mm主轴滑板移动行程（Y向） 2000mm主轴滑枕上下移动行程（Z向） 1000mm龙门通过（宽高 ） 28001550mm主轴端面至工作台面距离 5501550mm主轴锥孔 BT50主轴转速 20-10000 r/min主电机功率连续/30分钟 22/27KW主轴最大扭矩 760Nm工作台进给速度（X

13、、Y、Z） 5-8000mm/min快速进给速度（X、Y/Z） 20000mm/min刀库容量 32把刀具最大直径 125/ 200 刀具最大长度 350刀具最大重量 15Kg机床外形（长宽高） 1000072004800控制系统选配 西门子 840D位置控制 全闭环（X轴双光栅）主要结构特点本机床主要由左右墙体、横梁、滑座、主轴滑枕、外管路、冷却箱、液压箱等部件组成。D、方案：总体方案的设计： 整机采用龙门式结构，刚性好，外形美观，上下工件与操作方便。 可实现五轴控制、五轴联动。 工作台面及三向行程参数大，加工范围广。整机刚性高，承载重量大。 主要大件采用箱形结构，强度与刚性好。 具有刀具自

14、动锁紧及系统保护功能。 自动换头机构目前较多的设计主要有盘式和机械手臂式自动换刀机构，决定采用机械手臂式换头机构。 采用自动集中润滑装置。 配置两组螺旋式自动排屑装置，自动化程度高。 可选择配置四周封闭式防护围 具体方案的比较设计：数控机床的设计及装置的变化使高速加工技术得到了发展，高速加工的机床要满足以下条件：配备结构紧凑的高速主轴、机床的功率要求足够大、机床主轴加速度大、高速进给滚珠丝杠、高速高精度插补系统、快速响应数控系统和高精度的伺服系统以及实心的台架、刚性的龙门框架，且基体材料选择聚合混凝土，使机床的结构振动衰减作用是铸铁或纯焊接钢结构的8倍。由于减少振动，使马达的热稳定性提高。1、

15、主轴部分：高速主轴是高速切削机床的核心部件，随着对主轴转速要求的不断提高，传统的齿轮皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求，取而代之的是一种新颖的功能部件电主轴，它将主轴电机与机床主轴合二为一，实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒温，一般可控制在2025范围内某一设定温度，精度为 0.7，同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使主轴免维护、长寿命、高精度。主轴内部采用的高速精密轴承有很多种，大体分为磁悬浮轴承、液体动静压轴承、混合陶瓷轴承和滚珠轴承，决定采用滚珠轴承高速主轴。滚珠轴承高速主轴 当

16、前高速切削铣床上装备的主轴多数为滚珠轴承电动主轴。如图1所示，电动主轴由转子、轴承、外壳、电机组件和测角系统组成。除此之外，主轴运转时，还必须配备冷却系统、润滑系统和变频驱动电气装置。 高速主轴的轴承大多用压力角为15或25的角接触滚珠轴承，其精度等级以精密级（C级）和超精密级（B级）为主。为了提高轴承的极限转速，有的轴承厂在普通系列基础上增添了高速轴承系列，所不同的主要是采用直径较小的钢球和保持架以外圈滚道导向，从而减少了钢球由离心力的作用而引起的对轴承外圈的压力和改善保持架运转时的润滑条件。高速主轴轴承的最新发展是所谓的混合轴承，它的内、外圈由轴承钢制成，但滚珠由氮化硅陶瓷制成。与钢球相比

17、，陶瓷球密度减少60%，因而可大幅度地降低离心力。另外，陶瓷的弹性模量比钢高50%，在相同的滚珠直径时，混合轴承具有更高的刚度。氮化硅陶瓷的另外一个特点是摩擦系数低，由此可减少轴承运转时的摩擦发热、磨损及功率损失。滚珠轴承主轴的运动精度主要取决于所选用的轴承的精度。运动误差除了由主轴各零件的形状误差引起的低频误差外，还有滚动体的高频运动误差。这些运动误差不但影响工件的表面粗糙度，而且影响刀具寿命。目前市场上的滚珠轴承高速主轴的最高回转精度可达0.5m，并已开发更高精度的新型电动主轴。2、进给部分：高速主轴必须装在结构能适应高速切削的机床上，才能充分发挥高速切削的众多优点。这就要求高速切削机床具

18、有很高的进给速度，并在很高速下仍有高的定位精度。此外，高速进给要靠很大的加速度来实现，所以高速切削机床不仅要有很高的静刚度，还必须有很高的动刚度。本机床主要由x,y,z三个主要的进给方向组成，这就要求有三个伺服系统，为了实现高速切削加工，机床不但要有高速主轴，还要有高速的伺服系统，这不仅是为了提高生产效率，也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件，否则会造成刀个的急剧磨损与升温，破坏工件加工的表面质量。目前伺服系统重要分为两类： 1，直线电机伺服系统 直线电动机的基本构造与普通旋转电机相似，如图7所示，可假想把一个旋转电动机沿母线剪开并铺平就成为一个直线电动机。它无需其他修动装置就可产生直线运

19、动。由于电动机与滑台刚连在一起，整个驱动的刚度较高，从而可达到很宽的调节频带。驱动系统的加速度取决于驱动电动机的功率和滑台的质量。与丝杠驱动系统相比，滑台上的附加质量能明显地影响直线电动机驱动系统的动态特性。尽管如此，直线电动机由于有较宽的调节频带能够达到比丝杠驱动更高的轨迹精度。与旋转电动机相比，直线电动机的电流发热损失很大，当电动机的功率较大时，必须配备相应的冷却系统2，滚珠丝杠驱动装置滚珠丝杠仍是高速伺服系统的主要驱动装置，用AC伺服电机直接驱动，并采用液压轴承，进给速度可达4060m/min，其加速度可超过0.6g，成本较低，仅为直线电机的1/2.5。机床在进给方向X上的设计：在90年

20、代初多采用大导程滚珠丝杠传动和增加伺服进给电机的转速来实现的，一般进给速度可达60m/min左右。为了能达到更高的进给速度，近几年出现了直线电机驱动系统。由于它无间隙、惯性小、刚度较大而无磨损，通过控制电路可实现高速度和高精度驱动，在1997年进给速度已达120m/min。由于X方向上的进给量较大决定采用直线电机驱动。 在Y、Z两方向的进给设计（即溜板和滑枕的）： 进给均采用滚珠丝杠驱动装置。升降部件（滑枕）采用液压平衡，保证升降部件运动的稳定、可靠。 纵向导轨采用高性能滚动导轨，横向和垂向采用矩形淬火贴塑结构，导轨强度高，刚性好，耐磨性强，运动灵敏度高。 E 设计日程安排： 第一阶段：（前四

21、周） 调研、准备方案、开题、翻译 第二阶段：设计阶段： 1、初步设计： 结构装配图 2、详细设计： 造型、造零件、装配、标注 3、修改设计 第三阶段：（最后三周）写论文、答辩 北 京 机 械 工 业 学 院毕业设计开题报告题目： 高速五轴动梁龙门加工中心滑枕及主轴设计 系 别 机 械 系 专 业 班 级 机械设计制造及其自动化0003班 姓 名 蔚迪 指 导 教 师 赵宏林 杨庆东 起 止 日 期 2004.22004.6 一，引言： 调研报告主要以题目分析，调研工作的主要目的和范围，所使用的方 法及所获资料，调研工作的总结四个方面展开。二，正文： 1，题目介绍： 本次毕业设计题目由杨庆东老师

22、指导，设计题目为-五轴联动高速龙门加工中心。 主要特点：本产品与传统的三轴联动数控龙门加工中心的最大区别是在刀头上增加了A 、C 轴的联动。由于A、 C 轴联动的参入，实现五轴联动加工。该机床具有很强的数控功能，可一次装夹工件在多种空间角度进行铣、镗、钻等工序加工，加工各种具有复杂轮廓表面或型腔的工件，广泛适用于多种机械加工领域。 主要性能： 1，整机采用龙门式结构，刚性好上下工件操作方便 2，可实现五轴控制、五轴联动 3，主轴采用高速电主轴、主轴转速高、加工效率高 4，工作台面及三向行程大、加工范围广、整机刚性高、承载重量大 2，调研的主要目的和范围： 调研的目的主要是明确自己的设计课题，了

23、解国内外此类机床的发展现状，同类型产品的技术参数和所采用的先进的制造工艺，明确自身设计在同类型产品中所处的位置及发展前景。 范围主要是通过学校图书馆，国家图书馆，北京机床研究所，机械部情报局查阅资料以及借助网络，如： 新浪、 搜狐、 google等大型网站 ，及 CNKI 、mmsonline 等专业网站进行资料的收集。 3，方法和资料： 1， 通过网络： 主要从五个方面展开 1、高速切削技术 2、数控部分的设计 3、主轴部件 4、 切削数据库 5、五轴加工中心产品 ，五个方面逐步展开 2， 通过图书馆： 主要借阅 机床设计手册 、 机床数控技术 、 加工中心的设计 、Mechanism De

24、sign、Manufacturing automation Mechatronics and Machinetools 以及 Proe虚拟设计与装配 、 机械工程专业英语 等辅助工具书，浏览了 机械设计师 、 重型机械 等期刊杂志，收集到相关的最新应用技术。 3， 实地考察： 北京机床研究所参观CNC机床，主要有卧式、立式加工中心及龙门式五面加工中心，了解到电主轴、自动换刀机构、驱动电机等关键技术环节。 4， 调研总结： 经过一段时间的调研，我发现机床工业亟须发展五轴数控技术，几十年来，人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的惟一手段。一旦人们在设计、制造复杂曲面遇到无法解决的难题，就会求助五轴加工技术。早在20世纪60年代，国外航空工业生产中就开始采用五轴数控铣床。目前五轴数控机床的应用仍然局限于航空、航天及其相关工业。五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面