2021屆機械設計制造及其自動化畢業設計論文（文獻綜述）摘要制造業是一個國家的工業基石，五軸聯動數控機床水平是一個國家制造業水平的象征，也是目前解決葉輪、葉片等復雜曲面零件加工的重要手段，因此掌握五軸聯動數控機床的自主設計開發技術，對國家工業、國防、軍工，乃至國家安全具有重要意義。本次畢業設計主要設計一款搖籃式五軸聯動加工中心，進行了該機床的作業空間分析，給出了各直線軸的導軌、絲杠的運動行程，基于典型的銑削工況條件，進行了電主軸、直線滾動導軌、滾珠絲杠、聯軸器、伺服電機、力矩電機等的選型計算，確定了各通用件和標準件的型號；采用solidworks繪制該機床結構的三維圖和二維工程圖；基于ANSYS建立了該機床的立柱床身結構有限元分析模型，分析了立柱床身筋板結構布局方案，為該機床的進一步開發奠定基礎。關鍵詞五軸聯動數控機床，搖籃式機床結構，機床結構設計研究背景和意義機械制造業是一個國家的工業基石，不僅為新技術和新產品的開發提供了設備，也為當下機械制造提供了關鍵工藝與方法，是不可或缺的戰略性產業。對于發展中的工業化國家來說，重視制造業是其必然選擇。數控機床是一個國家制造業水平的象征，業內代表制造業水平最高的是五軸聯動數控機床，從某種意義來講，這也反映了一個國家制造狀況與制造能力。隨著我國國民經濟飛快進步和國防強化的要求，對自主研發先進數控機床迫切需求越來越高。長久以來，以美國為首的發達國家，總是把五軸數控機床當成重要的戰略物資，進行了出口許可證管理，尤其高級型的數控機床長期對我國實行禁運，嚴重影響了我國經濟、國防、軍工的發展，對國家安全構成威脅。因此研發國產化的高端數五軸聯動控機床一直是我國機床行業的重點任務，對打破發達國家的技術封鎖、實現中華民族的偉大復興具有重要意義。本文對目前五軸聯動加工中心的結構方案進行了充分調研分析，以搖籃式五軸聯動數控機床結構作為設計方向，開展畢業設計。該結構機床采用床身立柱一體化結構，通過橫梁、滑枕和搖籃的合理搭配，實現五軸聯動加工，不僅機床整體剛度好，而且移動部件重量，采用高靈活性的搖籃結構，可實現箱體類零件和葉片類復雜零件的自由加工，對探索和開發國產化高端數控機床具有重要參考意義。國內外研究現狀我國對于數控機床研究和應用起步較晚，與發達國家相比技術上存在較大差距;隨著我國航空航天、汽車、軍工、電力設備制造等重要行業的高速發展，目前急需進行制造設備的更新換代，以提高我國的綜合制造能力。隨著國內對加工中心的需求量的增加，機床企業在加工中心的設計中，引入先進的CAD/CAE軟件和分析手段，提高機床的設計能力，目前加工中的整機結構設計與制造能力有了長足的進步，其部件質量和加工中心整機性能和加工精度提升有很大發展。如今，我國自主設計制造了各種類型的立式、臥式、龍門式和落地式等結構的加工中心，可以適應不同大小的復雜零件生產，加上五軸聯動數控銑床和大型鏜銑床以及車銑中心等的開發，基本滿足了國內市場的需求。但在新型高端數控機床研發方面與國外還相當大的差距。目前五軸聯動加工中心主要有三種構型：圖1圖1-1臥式五軸數控鏜銑機床圖1-1為日本牧野公司的臥式五軸聯動加工中心，該加工中心具有搖籃結構的工作臺，機床主軸側具有主軸垂直移動和前后立柱移動兩個運動自由度，工件側具有一個直線運動和兩個回轉運動自由度，由于工件側的運動自由較多，更適合于復雜小件的加工。（2）在工件側和刀具側各設置一個回轉運動。圖1圖1-2立式五軸數控鏜銑機床（3）在刀具側設置兩個回轉運動，通常采用萬能銑頭實現刀具姿態調整。圖1-3為某橫梁移動五軸聯動加工中心結構，該加工中心采用橫梁移動與垂直滑枕配合，應用叉式萬能銑頭（圖1-4）解決復雜曲面加工，工件側沒有運動自由度，因此可以加工各種大型兩件零件，是航空航天中大型復雜零件加工的典型代表。圖1圖1-4叉式萬能銑頭圖圖1-3橫梁移動五軸數控鏜銑機床如圖1-5為意大利PROMAC浦珞瑪喀機床，采用單側懸掛式萬能銑頭，在龍門式機床結構中應用較多。五軸加工中心是機床制造業重要基礎裝備，因此它的發展一直備受人們關注。近年來我國機床制造業既面臨著制造裝備發展的良機，也遭遇到市場競爭的壓力。從技術層面上來講，加速推進五軸加工中心將是解決機床制造業持續發展的一個關鍵。目前，世界先進圖1圖1-5意大利PROMAC浦珞瑪喀機床當今五軸加工中心正在朝著以下幾個方向發展：（1）可靠性最大化；由于五軸聯動數控機床主要用于復雜表面的加工，一般對機床的無故障時間有較高的要求，所以要盡量提高驅動裝置的可靠性。（2）數控編程自動化；提高數控編程的自動化是提高加工效率的重要手段。（3）智能化；隨著互聯網技術和智能化技術的發展，數控機床的控制系統也得到了大力的發展，自適應技術、故障診斷技術、遠程控制等在機床設計中得到了充分應用。（4）控制系統小型化；使用小型化的控制系統將有利于提高加工精度。（5）多功能化；與以往單純追求高速主軸和進給機構不同，當今市場對于個性化的要求日益強烈，交貨日期也在不斷縮短，因此五軸數控加工中心更趨向于小規模，甚至是單件生產。為了滿足這一要求，就要開發出復合程度更高的復合機床。（6）高速度、高精度化；因為CAM水平的發展，機床的制造水平得到了很大的增加，保證機床的質量，是保證產品質量的重要手段，這也就是高精度的體現。本次畢業設計的主要內容結合目前五軸加工中心的發展，本次必要設計內容為設計一款搖籃式五軸數控加工中心機床結構，該加工采用立柱和床身一體化結構，通過橫梁移動實現運動部件的輕量化，采用搖籃式工作臺實現兩個回轉運動自由度，總體結構具有高剛性特點。本次設計主要內容有:（1）機床總體方案設計。包括對搖籃結構進行作業空間分析，確定出各移動軸的行程大?。淮_定機床結構布局方案及驅動方式，設計機床總體結構方案。（2）機床結構中的通用件和標準件選型計算。確定典型加工條件，計算典型切削力，并作為通用件和標準件選型計算的依據；按照樣本資料的計算步驟，對導軌、滾珠絲杠、聯軸器、伺服電機和主電機（電主軸）等進行選型計算，確定出各通用件和標準件的型號。（3）基于solidworks建立機床結構的三維數字化模型和二維工程圖，確定機床支承部件的筋板布局和結構設計方案。（4）基于ANSYS軟件建立該機床大件結構的有限元分析模型，仿真分析各大件內部筋板布局的合理性?？偨Y與展望本文主要研究五軸加工中心整體剛度問題，因為機床整體剛度會影響被加工零件的精度。本次畢業設計將設計一款機床整體結構方案，設計以搖籃式五軸聯動加工中心為參照，主要設計床身，橫梁以及滑枕的結構，以及機床通用件的選型計算等。本畢業設計旨在培養學生的機床結構理解和機床進給系統的設計能力，主要內容包括：（1）確定機床整體方案；制定以搖籃式機床為參考的機床整體結構方案；內容包括搖籃選型和作業空間分析。（2）機床通用件的選型計算；運用所學專業知識并查閱相關資料，在選定的典型工況下對導軌、絲杠、進給電機、聯軸器和主電機進行選型計算和校核。（3）設計具體結構；在各個方向的有效作業空間內，設計床身、橫梁、滑板、滑枕的具體結構。內容主要包括床身內筋板的布置和橫梁的結構設計，以及各級進給系統的設計。（4）基于ANSYS有限元分析以確定床身筋板和隔板的最優布局方案。本文針對搖籃式五軸機床整體結構進行了研究，由于本人的知識有限、加上時間緊迫，在研究的過程中未能做到面面俱到，沒能把各方面都做到最好，仍存在許多問題尚未進行更進一步的分析與論證，在研究深度上還存在著一定的不足，目前存在的問題如下；本文中所有的設計都是在典型工況下進行的分析計算，不具有通用性。雖然選用的是受力最大情況下的加工過程，但是還是不夠完善。對整機的有限元分析由于電腦配置及軟件問題，沒有進行完整的分析，只是對床身的簡化模型進行了分析。這樣的分析結果必定會有一定的誤差，不是最準確的結果，而且也未能完成對整機的運動分析，后期還需要對這一部分進行更加完善的分析。參考文獻[1]黃玉美，機械制造裝備設計[M]高等教育出版社2008：73-173.[2]張廣鵬.機械制造裝備設計課程設計指導書(試用版)[M].2018:11-20.[3]濮良貴,陳國定,吳立言,機械設計第十版[M].高等教育出版社2019:285-381[4]杭州米格電機樣本手冊，2014:13-14[5]張磊，劉春時，李焱，尹剛，馬子良.力矩電機在雙擺頭中的應用[J].機械工程師，2011.[6]杜玉湘，陸啟建，劉明燈.五軸聯動數控機床的結構和應用[J].機械制造與自動化，2008.[7]成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社，2010.[8]唐家鵬.ANSYSFLUENT16.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2016.06[9]王開德,韓凱凱.基于ANSYSWorKbench的磨床立柱結構分析與優設計[J].制造業自動化,2018,40(10):6469.[10]王富強.精密機床床身的動態特性分析與優化[D].蘭州理工學,2007.[11]耿聰.數控系統五軸聯動軌跡平滑技術研究與應用[D].中國科學院研究生院，2014.[12]薛永剛，一種高精度臥式加工中心的研制[D].北京工業大學：2011.[13]T.L.Schmitz.Predictinghigh-speedmachiningdynamicsbysubstructureana1ysis[J].Anna1sofCIRP,2000,49(1):303-308.[14]J.D.Sub,D.J.1ee.Compositemachinetoo1178-183structuresforhighspeedmi11ingmachines[J].Anna1softheCIRP,2002,51(1):285-288.[15]蔣亞寶.搖籃式五坐標加工中心五軸精度穩定性差原因分析[M],金屬加工：冷加工.2019[16]穆士博.搖籃式五軸加工中心切削穩定性研究[D].沈陽工業大學[17]沈山山，鐘建琳，米潔五軸數控加工中心切削穩定性研究綜述[M].機械制造與自動化；2014[18]E.BudakAnalyticalmodelsforhighperformancemilling.PartII:Processdynamicsandstability[M].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture;2006.[19]Gavin

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