1、摘 要 本次毕业设计的主要任务是龙门式可换头五轴联动加工中心 3D设计。该机床具有很强的数控功能， 是高效率高精度加工空间曲面类零件，如各类模具、水轮机和汽轮机叶片、三元流离心压气机、船用螺旋浆和推进器及螺旋锥齿轮的关键设备。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、型腔的工件，可作铣镗、钻孔等加工。广泛适用于各种机械制造业，特别是模具制造业。 它可以实现五轴控制、五轴联动，高速运转。主轴电机采用交流伺服驱动系统，可实现主轴的自动无级变速。 该部分的主要内容是龙门立柱、床身 及进给部件的 3D 设计。在掌握PRO/E 软件的基本功能后，对机床的各部件进行造
2、型设计，然后，进行装配和运动仿真，达到设计的目的。 第一章 概 述 第一节 加工中心 加工中心是有机械设备与数控系统组成的适用于复杂零件加工的高效自动化机床。由于它具有自动换刀能力，能在一次装卡后完成多道工序，如钻、铣、镗、铰、攻螺纹、切内槽等加工，形成多工序自动换刀数控镗铣床，它用于加工各种箱体类、板类复杂零件。各种高精床加工中心，可代替精密坐标镗床，还可作为基础组成柔性制造单元和柔性制 造系统。 一、加工中心的定义 加工中心 (Machining Center 简称 MC)是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技
3、术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，它综合了数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能并聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它 辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可以减少工件装卡、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床 34 倍，达 80%以上。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生
4、产率和自动化程度最高的综合性机床。 二、加工中心的发展历程及在我国的发展状况 1952 年，美国麻省理工学院首次实现了三坐标铣床数控化，数控装置采用真空管电路。 1955 年第一次进行数控机床的批量制造，年产量为 100台。数控铣 床是电子技术、自动控制技术、机械技术的结合运用，是机械加工领域划时代重大技术性突破，数控机床利用编程软件，可方便地将简单工序集中起来，从而大大提高了零件的加工效率和加工质量，并具有相当大的柔性。 在复杂零件工序高度集中时，必须频繁更换刀具，以便提高生产效率，为了解决自动换刀问题，最早出现了转塔头立式钻镗铣床，在转塔头上有6-12 根短主轴，每根主轴上装有一把刀具，当
5、处于工作位置的刀具加工完毕之后，机床控制转塔头松开，转位，让下一工序的刀具进入工作位置，夹紧转塔头之后，再继续加工，直至完成全部工序。 1958 年 ，美国 K&T 公司首先把铣钻镗等多种工序集中于一台机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。该产品出现后，引起了日、美、德、英、法、意等先进工业国家高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快，需求量最大的商品之一。 如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有一千多个品种规格。 北京机床研究所于 1973 年研制出了 JCS 013 型卧式加工中心。 1980年
6、该所引进了日本 FANUC 公司的数控系统制造技术，并投入批量生产，为我 国数控机床的进一步发展准备了先决条件，使我国的加工中心的研制出现了良好的局面，加工中心的产量出现了稳定上升的趋势。 在第七届中国国际机床 展览会上，展出数控龙门镗铣床、龙门加工中心 11 台，其中龙门加工中心 8 台数控龙门镗铣床 3 台，除 3 台是台湾厂商生产的展品外，其余 8台是大陆展品。 这表明我国加工中心的发展取得神速进步，引起了国内外的关注，但离世界的先进水平还有很大的差距。 三、加工中心的工作原理 加工中心的工作原理如图 1 1 所示，根据零件图纸，制定工艺方案，采用手工或计算机编程进行零件的程序编制，把零
7、件所 需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床数控装置能接受的信息、代码，并把这些代码存储在信息载体上，将信息载体送到输入装置，读出信息，并送入数控装置。 进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算能变成脉冲信号，有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构对其进行转换和放大，再经过传动机构，驱动机床有关部件，使刀具和工件严格执行零件程序所规定的相应运动，还有的信号，送到可编程控制器中，以顺序控制机床的其它辅助动作，实现刀具的自动更换。 图 1 1 加工中心 的工作原理 四、加工中心的组成 加工中心的组成随机床的类别、功能、参数的不同而有所不同。机床本身分基本部件和选择部件，数控系统由基本功能和选用功
8、能，机床参数有主参数和其它参数。但同类型机床产品的基本功能和部件组成一般差别不大。从总体上看加工中心大体由以下几部分组成。 手工编程 计算机自动编程 零件图 输入装置 机 床 穿孔机 穿孔带 数控装置 伺服系统 自动换刀装置 （ 1）基础部件 由床身、立柱和工作台等大件组成，是加工中心的基础构件，它们可以是铸铁件、也可以是焊接钢结构件，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加工中中心质量和体积最大的部件。 （ 2）主轴部件 它由 主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。 （ 3）控制系统 单台加工中心的数控部分是由 CNC 装置、可编程系控制器、伺服驱
9、动装置以及电机等部分组成。们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程中的控制中心。 （ 4）伺服系统 伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半封闭环、闭环和混合环三种控制方式。 （ 5）自动换刀装置 它由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。刀库是存放加工过程所使用的全部刀具的装置。 （ 6）辅助系统 包括润滑、冷却、排屑、防护、液压河水及检测系统等部分。它们是加工中心不可缺少的部分。 （ 7）自动托盘更换系统 有的加工中心为进一步缩短非切屑时间，配有两个自动交换工件托盘，一个安装在工作台上进行加
10、工，另一个则位于工作台外进行装卸工件。 五、加工中心的特点及应用 （ 1） 应变能力强 适用于多品种、单件小批量零件的加工。 （ 2） 加工精度高 多轴联动可实现复杂轮廓的插补运动， （ 3）大大减轻了工人的体力劳动，适用于工序集中且工序较多的零件加工 （ 4） 有较高的加工生产率和较低的加工成 本 （ 5） 有利于实现加工的现代管理 第二节 虚拟制造 虚拟制造技术是刚提出的面向 21 世纪的先进制造技术，目前仍处于研究和探索阶段， 它 是 以信息技术、仿真技术 和 虚拟现实技术为支持，在高性能计算机及高速网络 中， 采用群组协同工作，通过 虚拟 模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方
11、面可能存在的问题， 在虚拟环境下 实现产品制造的 全 过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。 综合国内外学者们已有的观点，都认同把虚拟制造分为三类：以 设计为 中 心的虚拟制造（ Design-Centered VM） 、以生产为 中 心的虚拟制造 (Production-Centered VM)和以控制为中心的虚拟制造(Control-Centered VM)。 其中，由于 CAD 技术的应用和发展，以 CAD 为基础的以设计为中心的虚拟制造得到了更快、更广泛的应用，同时，也更容易获得实际效果。 虚拟制造被誉为 21 世纪的新型生产模式，是制造业
12、迎接 21 世纪挑战的有效技术，尽管对它的研究只有短短的几年，但 它对制造业 起着 革命性的影响 ，成为制造业领域 研究的热点之一。 本课题采用虚拟制造技术开发五轴联动数控加工中心，对研究虚拟制造技术在机 床开发领域起着重要的作用，它将促进虚拟制造理论系统的研究和应用实施。 虚拟制造技术重点研究工作集中在产品的虚拟仿真技术和应用上。例如应用运动学和动力学分析软件分析产品的功能。特别是在机床的虚拟制造技术中，最早是进行切削过程的仿真。在虚拟制造的另一各方面，应用虚拟现实技术进行产品生产过程中的装配仿真、生产过程仿真、新产品开发生产组织仿真等也是虚拟制造技术研究的热点。 制造领域中应用虚拟技术开发
13、新产品开始于 90 年代中期，首先是在少数发达国家开始应用，与此同时，虚拟产品制造的理论和相关技术研究也在同步进行。运用三 维 CAD 建立虚拟模型是首要的工作。在虚拟建模技术基础上，提出虚拟产品模型，它是一个集成的数字模型，包含产品各方面的信息，以便于进一步进行产品虚拟现实分析和基于网络的分析制造等。 在国内，虚拟制造的研究开始于 90 年代中期。上海交通大学 CIMS 研究所和机械院机电研究所分别得到国家自然科学基金的资助，开始虚拟制造基本技术的研究应用。清华大学 CIMS 工程研究中心虚拟制造研究室也是我国最早的虚拟制造技术研究部门之一。 综合上述资料分析，虚拟制造技术的发展应用已成为近
14、阶段新技术开发应用的主流技术，由于采用该技术硬件设备 和资金的投入少、见效快，在国际国内都引起了足够的重视。但是，目前虚拟制造技术领域中尚存许多有待研究的题目，如合理的虚拟制造体系、虚拟产品设计、虚拟产品制造的理论与相关技术，以及构筑虚拟制造系统（ VMS）的各种支撑技术和异构环境下的实验平台等。尽管虚拟制造发展迅速，但是目前还缺乏从产品设计全过程的高度开展虚拟制造的研究。在应用虚拟制造技术开发新产品的基础技术研究方面，国内尚未自行开发成熟的应用软件，几乎都是在国外商品工具软件的平台上进行应用和二次开发。 第三节 五轴联动数控机床 随着计算机技术的高速发展 ，传统的制造业开始了根本性变革，各工
15、业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。高技术、高性能数控机床是发展国民经济和加强国防建设的重要条件， 数控机床 发展趋势 是 高精 度、 高速 度、 高 效率 化 （ 精度、速度和效率是机械制造技术的关键性能指标 ）、 柔性化 、 工艺复合性和多轴化 、 实时智能化 。 五轴数控机床和三轴数控加工相比，能够实现更复杂型面工件的加工，得到更好的表面加工质量。随着机床制造技术的发展，五轴机床越来越多的应用于国家重要工业的各个领域。五轴加工机床由于生产制造技术上的难度远远大于三轴机床 ，很长时间没有解决国产化问题。主要存在三方面的问题：1）五轴联动机床控制系统； 2）
16、可实现五个坐标进给运动的机床结构复杂；3）五轴联动加工数控程序的编制。目前主要问题正在逐步解决，对五轴加工中心的开发和国产化提供了条件。 近年来，在国外一些发达国家中，五轴联动已经普遍应用于数控滑枕铣床、数控龙门铣床和数控加工中心，实现四面和五面加工，大大提高了铣床的自动化水平和工艺范围以及工作效率。在国内五轴联动数控加工中心的开发中，目前国内已有厂家开发和生产，但是对于自动万能铣头目前国内还没有厂家开发和生产，主要还处于搜集 技术资料和研究阶段。 在国内，通过合作生产、引进技术、合资、自主开发，数控机床取得了可喜的进步 .普及型数控机床基本满足国内需要。但是，对于汽车工业、航天航空工业、船舶
17、工业、兵器工业急需的高速、高精、复合、多轴联动的数控机床 ,如 ,五轴联动的立卧转换加工中心，高速加工中心，精密加工中心，五轴龙门加工中心，高精度数控机床，高性能车削中心，高精度电加工机床等等，有的处于攻关阶段，有的正处于试制和试生产阶段，与国外同类产品相比尚有不小差距。高性能数控机床是发展我国国民经济和加强国防建设的重要条件，国际上发达国家常把它 作为战略物资实行出口许可证制度，对社会主义国家实行禁运，限制其国防军事工业发展、高技术发展和综合国力的提高。 近年来，高速铣及高速加工中心；五面体龙门加工中心及龙门仿型加工中心成为两大进口热点， 反映了面临入世的中国机床市场需求结构升级。 五轴加工
18、中心可实现多轴结构，可用于更复杂曲面的加工，工业用途范围大，使用灵活，易于实现高速，是一些产品加工必须使用的机床设备，也是数控机床产品中的高技术难度产品。 第二章 总体方案设计 机械设计是机械产品制造全过程中的第一步。设计师经过构思、分析和计算，并充分考虑制造工艺及 产品使用和维修等多方面的问题，将产品的总体结构和全部细节通过图纸、技术文件和计算机软件，具体和确切地描述出来，以之作为制造工作的全面和唯一的依据。机械设计的水平和质量不但对产品的技术性能，而且也对产品在制造和使用过程中的经济性和环境影响都起全面的和决定性的作用。 总体设计是机床设计的中心环节，它对机床产品的技术性能、经济指标和外观
19、造型具有决定意义。总体方案的拟定，就是要提出和确定所设计机床设备的工艺方法、运动和布局、传动和结构、控制和性能等方面的方案。总体方案设计包括下列内容： （ 1） 查研究 包括调查和分析工件 ，了解所设计机床的使用要求和制造条件，调查研究同类型机床和有关科技成就等文献资料； （ 2） 工艺方案的确定。在进行机床总体设计时，应对不同类型的工艺方案进行分析比较，选择符合实际情况的具有先进性的工艺方案。 （ 3） 确定机床的总体参数。总体参数是表明机床技术性能的主要指标，包括机床性能参数和结构参数两方面。性能参数是指生产率、载荷、速度、功率和重量等。结构参数是指主要结构尺寸。 （ 4） 机床运动系统方
20、案设计和确定机床运动简图。根据工艺动作过程选用合适执行机构，完成各个基本运动，再用一定的组合方式构成机械系统来实现产品的功能。 （ 5） 机床 总体布置。主要是确定主要机床设备和辅助设备的相互位置和连接方式。并考虑安全操作、整体造型等问题。 （ 6） 机床驱动系统设计。根据所需的载荷，选择或设计机床的工作构件，本机床采用滚珠丝杠驱动工作台和滑枕座进给运动。 （ 7） 动力源特性分析。采用交流伺服电机。 （ 8） 机器造型设计。对机器外形、色彩进行艺术处理。 （ 9） 画出总装配图、零件施工图。 （ 10） 编写全部设计技术文件。 2.1 总体方案设计的依据 总体方案设计的主要依据包括零部件、同
21、类型机床的有关科技成就、使用要求以及制造条件等。 （ 1） 充分调查，掌握有关资料，本次设计任务是五轴联动加工中心，主要用 于曲面加工，切削力不大，但要求被加工面的尺寸精度、位置精度较高，表面粗糙度较好，生产率高。 （ 2） 本课题来源于 1999 年底，北京机械工业学院、北京航天航空大学和桂林机床股份有限公司开始共同开发研制五轴联动加工中心。在设计过程中参考了该机床的一些具体方案。 2.2 工艺分析、方案确定 本次设计的五轴联动加工中心，主要任务是完成立柱、横梁、床身、工作台和铁屑输送装置的结构设计、三维建模和装配，并完成立柱、横梁的运动仿真。通过调研并在导师的指导下，确定设计的具体方案为：
22、 整机采用 固定 龙门式结构，刚性好，外形美观，上下 工件与操作方便。 主轴采用 高速电主轴 ，主轴转速高，加工效率高。 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。 纵向 导轨 采用矩形 淬火贴塑 结构， 横向导轨采用矩形与燕尾形的组合结构， 导轨强度高，刚性好，耐磨性强，运动灵敏度高。 三向进给采用精密滚珠丝杆传动。 采用自动集中润滑装置。 配置两组 平板链式 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罩 ，密封性好。 2.3 设计的数据及来源： 基本数据（长度单位：）： 工作台面积（宽长） ： 1600 4000 工作台纵向行程： 4000 滑枕行程： 横向： 1000；纵向： 2500
