车铣复合机床设计

1、摘要 摘要复合机床己成为机床产品发展趋势之一，作为机床中占有相当比重的车床与铣床如果能够结合起来，无疑将大大提高机床的加工范围和工作效率，提高加工精度等等。自上个世纪车铣复合加工机床诞生以来，这类机床得到了飞速的发展并得到了广泛的应用。本文设计了一种通用型数控五轴联动车铣复合加工机床，并完成了对XYZ进给系统的PRO-E三维建模。机床车削主轴采用主轴电机直联联轴器的方式，通过一级变速驱动主轴。铣削主轴采用电主轴直接驱动使其具有较强的铣削加工能力和很好的可控制性。它的铣削部分可实现X、Y、Z三个方向直线进给以及A、C两个摆角转动的联动，同时铣削电主轴采用HSK-A63刀柄自动装夹系统，从而既可以

2、装夹车刀进行车削，也可以装夹铣刀进行铣削。X，Y进给系统采用直线电机进给，Z轴进给采用滚珠丝杠。A、C双摆铣头采用内装力矩电机驱动。关键词数控；车铣复合机床；五轴联动AbstractAbstractMultiple machine tools have been becoming a tendency. As the two important kinds ofMachine tool，if the turning machine and the milling machine can be joined, it must be helpful for a machine tool to br

3、oaden the range of work., raise the availability , improve the working accuracy, and so on.This paper designed a universal NC Five-axis turn-mill machine tools, And completed the machine PRO-E 3D modeling.Turning Spindle  of the machine tool use

4、 a spindle motor to drive the belt directly. Because the turning spindle is also a C-axis with precision, it can provide an accurate angle for milling. The milling principal axis is an electricity principal axis，so it has stronger milling process capability and good controll

5、ability. Its milling system can carry out X, Y and Z three directions of allied move, the milling principal axis can also carry out to move with uniting of milling principal axis at the same time. thus the machine has more complicated process capability out of the simple turning and milling . The ca

6、rry system adopts servo dynamo to directly drive silk Gang. In this way it wipe - out the change of the drive compares impact to the accuracy.Keywords NC; turn-mill machine; Five-axis目 录摘要IAbstractII第一章 绪论.11.1车铣复合加工机床的发展.11.2车铣复合加工机床特点及其发展.3第二章 机床设计方案分析及确定.42.1机床整体布局方案分析及确定.42.2进给系统方案分析及确定.52.2.1伺服

7、进给系统的基本要求.52.2.2进给伺服系统的设计要求.62.2.3驱动方案分析及确定.72.2.4传动方案分析及确定.72.3车削主轴系统方案分析及确定.92.4铣削主轴系统方案分析及确定.9第三章 车削主轴系统设计.113.1主轴电机的选择113.1.1主轴电机初选.113.1.2主轴电机功率校核.113.2主轴尺寸选择.123.3车削力计算13第四章 铣削主轴系统设计.154.1铣削力及铣削功率计算.154.2电主轴的选择.16第五章 进给系统设计.185.1 X、Y方向进给系统设计.185.2 Z方向进给系统设计 .20第六章 双摆铣头设计.23 6.1双摆铣头结构设计.236.2内装

8、力矩电机选择.23第七章 测量及限位装置的选择.247.1光栅尺的选择247.2限位器的选择25结论.26参考文献27附录130附录2.38附录3.47 绪论第一章 绪论1.1车铣复合加工机床的发展车铣复合技术是20世纪90年代发展起来的复合加工技术，是一种在传统机械设计技术和精密制造技术基础上，集成了现代先进控制技术、精密测量技术和CAD/CAM应用技术的先进机械加工技术。这种加工技术的实质是一种基于现代科技技术和现代工业技术的工艺创新并引发相关产业工艺进步和产品质量提升的新技术。进入21世纪以来，五轴车铣中心发展非常迅速，不仅规格齐全，在硬件功能上十分完善，且软件功能也十分强大，如WFL的

9、M系列和MAZAK的E-H系列等。在规格上，WFL的M系列从M30到M150，共有7个规格系列，基本上涵盖了直径从300mm到1500mm，长度最长到6500mm的所有工件，而MAZAK的E-H系列则基本上覆盖了车削直径从610mm到920mm的中型规格工件。在硬件功能上，除了标准的功能模块配置外，还有一些可选模块。如WFL的M系列可选模块有辅助周模块、下刀塔模块、长镗刀杆模块和对刀尖的ATC更换模块、带径向自动进给的镗刀杆模块、角度头模块。而MAZAK的E-H系列的可选模块有副主轴模块、下刀塔模块、长镗刀杆模块和对其刀尖的ATC更换模块。在软件功能上，都具备在线检测功能、刀具在线实时监控及适

10、合控制功能、自动对刀功能、温度补偿功能、CAD/CAM自动编程功能等。目前，最先进的五轴车铣加工中心出了可以进行车、铣、钻、镗、攻丝等加工外，还可以进行镗型腔、钻深孔、滚齿、铣叶片以及进行磨削加工和工件的在线测量，实现各种误差补偿、刀具在线监控和适应控制等。然而同样的设计理念，在众多的生产厂家中，所走的路线却各不相同，各有各的特点，产品的应用场合也有较大区别。主要分为两大流派。一个是欧式风格，以WFL、NILES、沈阳数控为代表，一个是以DMG、MAZAK为代表的日式风格。两种流派的机床设计在考虑车铣效率时，实现的手段是不一样的，日式车铣复合加工中心是以高速、小切深、大进给为基础来确定机床的参

11、数的，利用了刀具的上线切削速度，适合于模具圆角和材料较软的被加工零件切削。欧式车铣复合加工中心是以重切削为条件，即大切深、大进给、高线速度来确定机床参数的。两种高效切削方式实现方法明显不一样。以高速为基础的方式实现高效，从经济上考虑，刀具寿命低，零件制造成本相对提高；以重切削为基础设计的机床，刚性好，刀具使用中高转速寿命长，经济性好。目前机械式动力主轴转速已达9000r/min，有效地解决了小圆角切削线速度低的问题。 图1-1DMG数控加工中心1.2车铣复合加工机床特点及其发展车铣复合机床拥有如下优点：1、高精度：避免了工序分散的人为、机床误差；2、高效率：有效减少了生产准备时间，提高了机床使

12、用率；3、减小成本：可实现双主轴同时工作，减少了机床数，从而更易于规划生产，节省了投资成本和车间面积。正是由于车铣复合加工机床所具有的如此之多的优点，更重要的是这些优点都符合现代金属加工行业对高效率、高利润、低成本加工方式的需求。所以车铣加工机床的发展必然会在市场的推动下走上更高的层次。综合现在车铣复合机床的发展现状及市场对这类机床的性能要求我们不难发现车铣复合加工机床的发展放向。1、以现有机床为基础的改进型车铣复合机床，以较低成本获得相对较高的企业效益。对原CK0630数控车床进行改造，使其由一个普通的数控车床通过相对低的投入转化为一个具有车、铣双重功能的复合机床。在未来几年甚至一二十年内相

13、信这类机床会在一定范围内备受青睐。2、车铣复合机床将朝着更大工艺范围、更高效率、大型化以及模块化发展。而且极有可能与其他加工方式进行更高层次的复合，从而形成新一代功能更强大加工精度更高的复合机床。预计主轴转速将达到40000r/min，最大进给速度120m/ min，最大加速度3m/s2。在另一方面，这种机床也会朝着小型、微型化发展，以满足微型零件加工的要求。30机床设计方案分析及确定第二章 机床设计方案分析及确定2.1机床整体布局方案分析及确定采用传统的龙门式五轴加工中心布局，3D预览图如下 图2-1 龙门式布局该方案的优点在于：龙门式联动机床的移动质量降低到了极限，尤其适合于大型工件的加工

14、。独特的机身构造使加工中产生的震动减小到最低，因此保证了最高的尺寸精度、最佳的表面质量和最大的切削效率。通过装夹HSK-A63刀柄的自动换刀电主轴，既可装夹车刀进行车削，又可装夹铣刀进行铣削，避免二次装夹带来的精度损失2.2进给系统方案分析及确定2.2.1 伺服进给系统的基本要求带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。(1) 稳定性：所谓稳定的系统，即系统在输入量改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几

15、次衰减振荡后，能够迅速的稳定在新的或原有的平衡状态下。它是进给伺服系统能够正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性和相对稳定性(稳定裕度)。进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系统增益都有关系。 适当的选择系统的机械参数( 主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等 )和电气参数，并使它们达到最佳匹配，是进给伺服系统设计的目标之一。(2) 精度：所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度(偏差)，即准确性。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差和干扰误差。常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。精度

16、用误差来表示，定位误差是指工作台由一点移动到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值。重复定位精度是指工作台进行一次循环动作后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标联动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂。采用数字调节技术可以提高伺服驱动系统的精度。(2) 快速响应特性：所谓快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间、传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度也越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，对于点位

17、控制的机床，主要应保证定位精度，并尽量减少定位时间。对于轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。对于开环及半闭环的控制形式。主要是应满足定位精度的要求，而对于闭环控制系统，则主要是稳定性问题。2.2.2进给伺服系统的设计要求机床的位置调节对进给伺服系统提出了很高的要求。其中：(1) 在静态设计方面有：1能够克服摩擦力和负载；2很小的进给位移量；3高的静态扭转刚度；4足够的调速范围，满足快进和工进的需要；5进给速度均匀，在速度很低时，无爬行现象。(2) 在动态设计方面的要求有：1具有足够的加速和制动转距，以便快速地完成启动和制动过

18、程。2具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意地表面质量；3负载引起的轨迹误差尽可能小；(3) 对于数控机床机械传动部件则有以下要求：1被加速的运动部件具有较小的惯量；2高的刚度；3良好的阻尼；4传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面具有尽可能小的非线性。2.2.3驱动方案分析及确定方案一：X，Y，Z方向均采用滚住丝杠实现进给方案优缺点：本方案使用传统的滚珠丝杠实现3轴进给，控制方便，技术成熟，成本较低，但是加工精度一般。方案二：X，Y，Z方向均采用直线电机实现进给方案优缺点：本方案使用新型的直驱技术，不需要将旋转运动转变为直线运动，零件耗损低，加工精度高，

19、但直线电机不易实现失电保护自锁，竖直安装技术不成熟。方案三：X，Y方向采用直线电机，Z方向采用滚住丝杠方案优缺点：本方案将直线电机与滚住丝杠结合使用，在尽量提高精度的情况下使结构更为简单，Z轴丝杠装配制动器实现失电保护自锁。但混合使用进给系统将给编程控制带来不便。结合三种方案优缺点，由于机床要求精度较高，控制技术日趋成熟，所以选择方案三作为最终方案。2.2.4传动方案分析及确定方案一：采用伺服电机与联轴器相连，通过齿轮降比传动驱动移动部件。图2-2进给系统简图方案优缺点：该方案可放大电机扭矩，使得设计中可采用较小的电机，降低成本。但是由于齿轮间隙的存在，使得这种传动方案的传动精度受到一定的限制

20、。方案二：采用伺服电动机通过联轴器与滚珠丝杠直接相连的方案。传动比i=1。 图2-3进给系统简图方案优缺点： 直接驱动，驱动精度由电机直接保证。但是需要电机扭矩较大。方案分析：结合两种方案优缺点，由于机床要求精度较高，所以采用方案二作为最终方案。2.3车削主轴系统方案分析及确定方案一： 主轴系统采用普通步进电机作为车削主动力，采用二级齿轮变速箱变速。在输出轴加一个伺服电机作为车削主轴提供C轴功能时的动力源，采用编码器对主轴转角进行检测，再通过加上一些其它的设备形成一个分度系统。方案特点：采用了类似传统数控车床的传动方案，加装的分度系统可使主轴具有较好的C轴功能。成本相对较低。但是由于采用了齿轮

21、传动，存在一定的传动误差，同时系统复杂，体积大。方案二：直接采用具有C轴功能的电主轴作为动力源。方案特点：结构简单，精度很高，但是成本高。方案三：采用具有C轴功能的主轴电机作为动力源，通过齿轮一级降速后驱动主轴。方案特点：结构较为简单，精度高，成本较低。方案确定：综合考虑各方案的优缺点，采用方案三作为本机床主轴传动方案。2.4铣削主轴系统方案分析及确定方案一：采用普通铣床铣头方案特点：设计生产成本低，可直接选购现有铣头。但是铣头质量较大，结构比较复杂，体积大，且可控性较差。方案二：采用铣削用电主轴方案特点：结构简单轻便，加工精度高。但成本较高。方案确定：由于本机床的特殊结构，铣削主轴质量体积不

22、可过大，否则对机床刚度影响较大。所以采用方案二作为最终方案。车削主轴系统设计第三章 车削主轴系统设计3.1主轴电机的选择3.1.1主轴电机初选表3-1主轴电机参数 图3-1主轴电机性能曲线3.1.2主轴电机功率校核中型普通车床典型重切削条件下的用量刀具材料：YT15 工件材料45号钢，切削方式：车削外圆查表可知：切深ap=3.5mm 进给量f(s)=0.35mm/r切削速度V=90m/min切削功率： 转速图设计如下nj=200r/min则电动机在1500r/min时的功率即额定功率P6.45KW所以选取7.5KW可行。3.2主轴尺寸选择表3-2主轴前轴颈直径（mm）主电动机功率(KW) 5.

23、57.51115卧式车床60-9075-11090-120100-160升降台铣床60-9075-10090-110100-120外圆磨床55-7070-8075-9075-100由表3-2可选取前轴承轴颈d1=100mm，后轴承轴颈d2=80mm根据实际情况确定主轴尺寸如LZJ-01-013.3车削力计算采用指数公式计算，即以硬质合金YT15刀具，=598MPa的45号钢工件为假设进行计算：刀具几何参数=15° 切削用量 f=0.3mm/r 对于查表3-4.2得 查表3-4.4得钢的强度和硬度改变时切削力的修正系数 查表3-4.5得使用硬质合金刀具时，刀具几何参数改变时切削力的修正

24、系数对于查表3-4.2得 查表3-4.4得钢的强度和硬度改变时切削力的修正系数 查表3-4.5得使用硬质合金刀具时，刀具几何参数改变时切削力的修正系数对于查表3-4.2得 查表3-4.4得钢的强度和硬度改变时切削力的修正系数查表3-4.5得使用硬质合金刀具时，刀具几何参数改变时切削力的修正系数铣削主轴系统设计第四章 铣削主轴系统设计4.1铣削力及铣削功率计算工作台在用盘铣刀加工零件时受力最大，所用的最大的盘铣为YT15硬质合金端铣刀其直径为100mm，有5个齿。表4-1YT15硬质合金端铣刀(GB5342-85)铣削结构碳钢、铬钢、镍铬钢(=650MPa)的铣削速度及功率T/min/z/mm/

25、(mm/z) 铣削深度/mm35 9 12V/(m/min)/kwV/(m/min)/kwV/(m/min)/kwV/(m/min)/kw180100/5600.070.100.130.181731501351192.482.883.243.831661441301144.054.505.406.301571351211087.208.109.0010.4-加工中取刀具T=180min，/z=100/5，最大=0.13mm/z，则由上表可知 =5mm时V=130m/min，=5.4kw。圆周力铣削时各切削分力与圆周力的比值：表4-2铣削时各切削力与圆周力比值铣削条件 比值对称端铣 不对称铣逆铣

26、顺铣端铣0.3-0.40.85-0.950.50-0.550.6-0.90.45-0.70.50-0.550.15-0.300.9-1.00.50-0.55立铣、圆柱铣、盘铣和成型铣 1.1-1.20.2-0.30.35-0.40.8-0.90.75-0.80.35-0.4切削条件：端铣，由上表可知由计算结果可得在铣削过程中横向进给力Fx=Fy=2.28kN，纵向进给力Fz=1.32kN4.2 电主轴的选择选择CyMill公司CS-15-135-A电主轴，功率10kw，额定转速6000r.p.m，最高转速24000r.p.m，具有自动换刀装置，装配HSK-A63刀柄刀具。电主轴结构如下图所示。

27、图4-1电主轴结构简图进给系统设计第五章 进给系统设计5.1 X、Y方向进给系统设计X、Y方向进给选用直线电机，其基本结构如下图 图5-1直线电机安装结构X方向受车削进给力，受铣削力导轨型式kff燕尾形1.40.2矩形1.10.15三角形、组合形1.150.150.18钻镗主轴圆导轨0.15滚动导轨0.0030.004表5-1导轨摩擦系数选用滚动导轨，摩擦系数为0.004，摩擦力相对于切削力可忽略不计。选用2个青岛同日电机有限公司的TCB-075直线电机作为X轴驱动。TCB直线电机参数如下： 图5-2 TCB系列直线电机参数Y方向受车削背向力，受铣削力选用青岛同日电机有限公司的TCC-100直

28、线电机作为Y轴驱动。TCC直线电机参数如下： 图5-3 TCC系列直线电机参数5.2 Z方向进给系统设计Z轴应用滚珠丝杠，根据机床精度等级查THK公司丝杠等级表可选C3级轧制滚珠丝杠。伺服电机最高转速，则丝杠导程 (5-1)由于脉冲当量为a=0.001mm所以电动机每转应发出脉冲数为 (5-2)选择编码器线数为2500，倍频器倍数为4。.根据表2.2.2-1，取f=0.004；铣削主轴部分G=500N；受车削力，侧面铣削铣削力F=2280N则丝杠最大载荷 (5-3) (5-4) (5-5)最大进给丝杠转速200r/min，则平均进给速度 (5-6)丝杠工作寿命取17000h，。 则 (5-7)

29、可得当量动载荷为 (5-8)选择THK公司的轧制滚珠丝杠无予压型BTK 2510-5.3 导程10mm,丝杠外径25mm，钢球中心直径26.8mm，沟槽谷径20.2mm，负荷圈数2X2.65，基本额定负荷31.2KN，刚性530N/um，轴质量丝杠惯性力矩。选择伺服电机：最大载荷，丝杠导程，丝杠螺母副摩擦系数电机最大切削负载转矩 (5-9)括号中后两项很小，可得 惯量匹配：双摆铣头最大质量为50kg，折算到电动机主轴，其惯量 (5-10)丝杠直径d=25mm=0.025m,粗取长度为1m。则丝杠的惯量为 (5-11)联轴器惯量 则可知负载惯量电动机惯量应符合。即 (5-12)可以选择北京超同步

30、有限责任公司的CTB-41P5S零速转矩9.55，转子惯量0.003。双摆铣头设计第六章 双摆铣头设计6.1 双摆铣头机构设计参考CyMill的AC双摆铣头进行结构设计，由2个内装力矩电机驱动A轴进行垂直面摆动，由2个内装力矩电机驱动C轴竖直面摆动。其基本结构图如下 图6-1 双摆铣头结构图6.2 内装力矩电机选择刀头竖直放置，其在水平方向最大受力为F=2280N，刀头距离A轴轴线l=250mm，则A轴进行旋转所需克服的最大力矩 刀头水平放置，其在竖直方向最大受力为F=2280N，刀头距离C轴轴线l=250mm，则C轴进行旋转所需克服的最大力矩A、C轴均由2个内装力矩电机进行驱动，选择西门子1

31、FW6090-0XX15-2JC2系列力矩电机，额定力矩319Nm，最大力矩537Nm。最终设计双摆铣头具体尺寸结构如图LZJ-05-01所示。测量及限位装置的选择第七章 测量及限位装置的选择7.1 光栅尺的选择直线光栅尺测量直线轴位置过程期间没有任何其他机械传动件。用直线光栅尺的位置控制环已包括全部进给机构。机械运动误差被滑板中的直线光栅尺检测和被控制系统电路修正。因此，它能消除以下潜在误差源：1. 滚珠丝杠温度特性导致的误差。2. 反向误差。3. 滚珠丝杠螺距误差导致的运动特性误差。因此，直线光栅尺已成为高精度定位和高速加工不可或缺的必备条件。 X、Y、Z方向均选择海德汉LC400光栅尺，

32、此光栅尺为绝对式直线光栅尺，测量步距0.1um(分辨率0.005um)，用于有限安装空间应用。 图7-1海德汉LC400光栅尺7.2限位器的选择 X、Y、Z方向均选择山武限位开关。其结构尺寸如下 图7-2 山武球形柱塞型限位开关图7-3限位开关组装方法结论结论本设计设计了一台五轴联动数控车铣复合加工机床。机床采用倾斜床身，使得机床排屑十分简单。车削主轴采用了无级调速的主轴电机。同时，主轴采用联轴器直接传动，这使得系统传动更为精确。由于铣削主轴的支架采用了龙门式结构，所以铣削主轴采用了电主轴，大大减小了铣削主轴支架的承重。同时，电主轴的采用也扩宽了铣削转速和铣削的可控性。机床的X、Y轴采用直线电

33、机，大大提高了运行精度。Z轴进给系统均采用伺服电机通过联轴器直接驱动丝杠的传动方式，避免了中间环节带来的传动误差，在一定程度上提高了传动精度。整个机床的设计力求按着现代先进机床的标准设计，但是由于受到精力和资料的限制，设计的尾座只是普通的手动尾座。机床床身只设计了外形尺寸没能完成内部焊接结构。本次设计完成了工程图共五张，包括A0加长一张（总装图），A0三张（主轴箱图、XY装配图、Z轴丝杠图），A1一张（双摆铣头结构图）。对设计机床进行了干涉检测并进行了改进。本次设计完成了车削系统主轴、铣削系统主轴、各个进给系统相关的计算，包括电机的选择、直线电机、丝杠、内装力矩电机的选择及校核计算。参考文献参

34、考文献1陈婵娟. 数控车床设计. 化学工业出版社, 北京, 20062严爱玲. 机床数控原理与系统. 机械工业出版社, 北京, 20023韩荣第.周明.孙玉洁.金属切削原理与刀具. 哈尔滨工业大学出版社, 哈尔滨, 19984张超英. 数控车床. 化学工业出版社, 北京, 20035李佳. 数控机床及应用.清华大学出版社, 北京, 20016成大先.机械设计图册(第五卷)(第七卷).化学工业出版社,北京, 20007吴宗泽. 机械结构设计. 机械工业出版社, 北京, 19888毕承恩. 现代数控机床. 机械工业出版社, 北京, 19919王爱玲，白恩远，赵学良. 现代数控机床. 国防工业出版社

35、，北京, 200310林弈鸿等编著.机床数控技术及其应用. 机械工业出版社，北京, 199411白恩远主编 . 现代数控机床伺服及检测技术. 国防工业出版社 , 北京, 2002 12毕承恩，丁乃建 . 现代数控机床. 机械工业出版社，北京, 199413廖效果，刘又午等编著 . 数控技术. 湖北科学技术出版社，武汉. 2000 14孔杰,覃岭,谢君生,王粟,. 数控车铣复合机床进给系统的动力学优化设计J. 煤炭技术,2010,(10).15南朝子,. 车铣复合机床改造的探索J. 甘肃科技,2010,(2).16藤嶋誠,. 复合机床的最新技术研发J. 世界制造技术与装备市场,2009,(3).17毕海峰,. CCMT2010上的车铣复合机床J. 金属加工(冷加工),2010,(14). 18廖万荣,. 车铣复合机床应用初探J. 航空制造技术,2008,(5).19Okuma，mill-turn machine can see crashes comingJ.