开题报告-摇篮式五轴联动加工中心结构设计

2021届机械设计制造及其自动化毕业设计论文（开题报告）一、毕业设计(论文)课题来源、类型本文对目前五轴联动加工中心的结构方案进行了充分调研分析，以摇篮式五轴联动数控机床结构作为设计方向，开展毕业设计。该结构机床采用床身立柱一体化结构，通过横梁、滑枕和摇篮的合理搭配，实现五轴联动加工，不仅机床整体刚度好，而且移动部件重量，采用高灵活性的摇篮结构，可实现箱体类零件和叶片类复杂零件的自由加工，对探索和开发国产化高端数控机床具有重要参考意义。类型：结构设计二、选题的目的及意义机械制造业是一个国家的工业基石，不仅为新技术和新产品的开发提供了设备，也为当下机械制造提供了关键工艺与方法，是不可或缺的战略性产业。对于发展中的工业化国家来说，重视制造业是其必然选择。数控机床是一个国家制造业水平的象征，业内代表制造业水平最高的是五轴联动数控机床，从某种意义来讲，这也反映了一个国家制造状况与制造能力。随着我国国民经济飞快进步和国防强化的要求，对自主研发先进数控机床迫切需求越来越高。长久以来，以美国为首的发达国家，总是把五轴数控机床当成重要的战略物资，进行了出口许可证管理，尤其高级型的数控机床长期对我国实行禁运，严重影响了我国经济、国防、军工的发展，对国家安全构成威胁。因此研发国产化的高端数五轴联动控机床一直是我国机床行业的重点任务，对打破发达国家的技术封锁、实现中华民族的伟大复兴具有重要意义。三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势我国对于数控机床研究和应用起步较晚，与发达国家相比技术上存在较大差距;随着我国航空航天、汽车、军工、电力设备制造等重要行业的高速发展，目前急需进行制造设备的更新换代，以提高我国的综合制造能力。图1-1卧式五轴数控镗铣机床随着国内对加工中心的需求量的增加，机床企业在加工中心的设计中，引入先进的C图1-1卧式五轴数控镗铣机床目前五轴联动加工中心主要有三种构型：（1）回转运动全部在工件侧，即采用摇篮式工作台方案。图1-1为日本牧野公司的卧式五轴联动加工中心，该加工中心具有摇篮结构的工作台，机床主轴侧具有主轴垂直移动和前后立柱移动两个运动自由度，工件侧具有一个直线运动和两个回转运动自由度，由于工件侧的运动自由较多，更适合于复杂小件的加工。（2）在工件侧和刀具侧各设置一个回转运动。图1图1-2立式五轴数控镗铣机床（3）在刀具侧设置两个回转运动，通常采用万能铣头实现刀具姿态调整。图1-3为某横梁移动五轴联动加工中心结构，该加工中心采用横梁移动与垂直滑枕配合，应用叉式万能铣头（图1-4）解决复杂曲面加工，工件侧没有运动自由度，因此可以加工各种大型两件零件，是航空航天中大型复杂零件加工的典型代表。图1图1-4叉式万能铣头图图1-3横梁移动五轴数控镗铣机床如图1-5为意大利PROMAC浦珞玛喀机床，采用单侧悬挂式万能铣头，在龙门式机床结构中应用较多。五轴加工中心是机床制造业重要基础装备，因此它的发展一直备受人们关注。近年来我国机床制造业既面临着制造装备发展的良机，也遭遇到市场竞争的压力。从技术层面上来讲，加速推进五轴加工中心将是解决机床制造业持续发展的一个关键。目前，世界先进图1图1-5意大利PROMAC浦珞玛喀机床当今五轴加工中心正在朝着以下几个方向发展：（1）可靠性最大化；由于五轴联动数控机床主要用于复杂表面的加工，一般对机床的无故障时间有较高的要求，所以要尽量提高驱动装置的可靠性。（2）数控编程自动化；提高数控编程的自动化是提高加工效率的重要手段。（3）智能化；随着互联网技术和智能化技术的发展，数控机床的控制系统也得到了大力的发展，自适应技术、故障诊断技术、远程控制等在机床设计中得到了充分应用。（4）控制系统小型化；使用小型化的控制系统将有利于提高加工精度。（5）多功能化；与以往单纯追求高速主轴和进给机构不同，当今市场对于个性化的要求日益强烈，交货日期也在不断缩短，因此五轴数控加工中心更趋向于小规模，甚至是单件生产。为了满足这一要求，就要开发出复合程度更高的复合机床。（6）高速度、高精度化；因为CAM水平的发展，机床的制造水平得到了很大的增加，保证机床的质量，是保证产品质量的重要手段，这也就是高精度的体现。四、本课题主要研究内容结合目前五轴加工中心的发展，本次必要设计内容为设计一款摇篮式五轴数控加工中心机床结构，该加工采用立柱和床身一体化结构，通过横梁移动实现运动部件的轻量化，采用摇篮式工作台实现两个回转运动自由度，总体结构具有高刚性特点。本课题的主要内容为对床身及横梁的筋板及隔板的设计与布置，使机床的机构具有较大的刚度并保证机床的轻量化设计。五、完成论文的条件和拟采用的研究手段（途径）（1）机床总体方案设计。包括对摇篮结构进行作业空间分析，确定出各移动轴的行程大小；确定机床结构布局方案及驱动方式，设计机床总体结构方案。（2）机床结构中的通用件和标准件选型计算。确定典型加工条件，计算典型切削力，并作为通用件和标准件选型计算的依据；按照样本资料的计算步骤，对导轨、滚珠丝杠、联轴器、伺服电机和主电机（电主轴）等进行选型计算，确定出各通用件和标准件的型号。（3）基于solidworks建立机床结构的三维数字化模型和二维工程图，确定机床支承部件的筋板布局和结构设计方案。（4）基于有限元分析软件建立该机床大件结构的有限元分析模型，仿真分析各大件内部筋板布局的合理性。六、本课题进度安排、各阶段预期达到的目标：（1）搜集与课题相关的背景文献，了解课题的基本内容（第1~2周）；（2）完成开题答辩（第3周）;（3）制定摇篮式五轴联动数控机床的传动、驱动方案和工作空间，确定行程及结构尺寸的关系，对摇篮进行初步选择；（第4~5周）;（4）设计一款摇篮式五轴联动数控机床结构，包括床身、滑枕、横梁、滑板、主轴头结构等以及导轨、丝杠、伺服电机和力矩电机选型等（第6~10周）;（5）摇篮式五轴联动数控机床结构应用研究,包括该机床的配合设计，与横梁、床身的结结构设计，给出多个应用结构示例。绘制相关三维结构图和工程图（第11~14周）;（6）基于有限元软件分析摇篮式五轴联动数控机床结构的动静动态特性（第15~18周）;（7）撰写毕业设计论文，包括所有的方案设计、尺寸确定、元件选型计算、仿真分析等（第19~20周）。七、指导教师意见(对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计或论文结果的预测)指导教师：企业导师：八、所在专业审查意见