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2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）毕业设计（论文）文献综述题目双轴回转工作台结构设计专业机械设计制造及其自动化班级机057班学号3050211188学生张立方指导教师高峰教授2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）二○○九年文献综述一.双轴回转工作台简介[１]双轴回转工作台是五轴联动的基础，它能够实现回转轴和摆动轴的两坐标定位。在三轴联动的数控铣床上增加了双轴回转工作台，并通过数控改造使之成为五轴数控铣床，是扩展机床使用功能的简捷方式。数控机床加工某些零件时,除需要有沿X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动之外,还需要有绕X、Y、Z三个坐标轴的圆周进给运动,分别称为A、B、C轴。安装双回转轴工作台的五轴联动机床也称五坐标机床,它是在三个平动轴(沿X、Y、Z轴的直线运动)的基础上增加了两个转动轴(能实现绕X轴、Z轴旋转运动,即A轴和C轴)，双轴回转工作台实现了A轴和C轴的转动。设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围有限，并非360度。工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样五轴联动机床实现五轴联动的关键就在于双回转轴工作台。二.双轴回转工作台的特点[１]装有双轴回转工作台不仅可使刀具相对于工件的位置任意可控,而且刀具轴线相对于工件的方向也在一定范围内任意可控,由此使的五轴联动机床加工具有以下特点:A.可避免刀具干涉,加工普通三坐标机床难以加工的复杂零件,加工适应性广,如图1(a)所示。B.对于直纹面类零件,可采用侧铣方式一刀成型,加工质量好、效率高,如图1(b)所示。2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）C.对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面,可用大直径端铣刀端面逼近表面进行加工,走刀次数少,残余高度小,可大大提高加工效率与表面质量,如图1(c)所示。D.对工件上的多个空间表面可一次装夹进行多面、多工序加工,加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度,如图1(d)所示。E.五轴加工时,刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态。例如使用球头刀时可避免球头底部切削,如图1(e)所示,利于提高加工效率。同时,由于切削状态可保持不变,刀具受力情况一致,变形一致,可使整个零件表面上的误差分布比较均匀,这对于保证某些高速回转零件的平衡性能具有重要作用。F.在某些加工场合,如空间受到限制的通道加工或组合曲面的过渡区域加工,可采用较大尺寸的刀具避开干涉,刀具刚性好,有利于提高加工效率与精度,如图1(f)所示。现在,大家普遍认为,五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。所以,每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时,往往转向求助于五轴数控系统。2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）图1五轴联动加工的特点2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）三.双轴回转工作台的结构和原理[１][2][3][4][5][6][12]由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵,加之NC程序制作较难,使五轴系统难以“平民”化。现在很多的工厂使用的是三轴联动的数控机床,即能实现X、Y、Z三个轴方向的同时平动。如果再配上一个双轴回转工作台,能实现绕X轴、Z轴旋转(即A轴和C轴),再完成数控部分的改造,实现同时控制即能实现五轴联动。这样即可减少固定资产的无形磨损,又避免购置新机的大量资金投入。3.1双轴回转工作台的功用第一,使工作台进行圆周进给完成切削工作;第二,使工作台进行分度工作。它按照控制系统的命令,在需要时完成上述务。数控回转工作台由伺服电动机驱动,采用无级变速方式工作,所以定位精度完全由控制系统决定。3.2双轴回转工作台的传动和结构此处引用的工作台属于闭环数控回转工作台,两个旋转编码器分别位于与工作台固接的轴端和支撑座的尾端,能将旋转后的位置准确的反馈回系统。这种数控回转工作台由交流伺服电动机驱动,在它的输出轴上接连轴器,再接一级齿轮减速器。该数控回转工作台由圆柱齿轮传动系统、涡轮涡杆传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置组成。因为是涡轮涡杆传动与分度,所以停位不受限,并不像端齿分度盘一样,只能分度固定的角度的整数倍(5°、10°、15°等),而且偏转范围较大(110°～-70°),能加工任何角度与倾斜度的孔与表面。齿的侧隙是靠齿轮制造精度和安装精度来保持。大齿轮的支撑轴与涡杆轴做成一个轴,这种联结方式能增大连接的刚性和精度,更能减少功率的损耗。其工作原理简述如下:2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）回转工作台的运动由交流侍服电机驱动圆柱齿轮传动,带动涡轮涡杆系统,使工作台旋转。当数控回转工作台接到数控系统的指令后,首先松开圆周运动部分的涡轮夹紧装置,松开涡轮,然后启动交流侍服电机,按图2回转工作台的工作原理图数控指令确定工作台的回转方向、回转速度及回转角度大小等参数。摆动部分的工作原理与此相同。需要说明的是,当工作台静止时必须处于锁紧状态,工作台沿其圆周方向均匀分布6个夹紧液压缸进行夹紧。当工作台不回转时,夹紧油缸在液压2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）油的作用下向外运动,通过锁紧块仅仅顶在涡轮内壁,从而锁紧工作台。当工作台需要回转时,数控系统发出指令,反向重复上述动作,松开涡轮,使涡轮和回转工作台按照控制系统的指令进行回转运动。3.3双轴回转工作台C轴回转部分图3回转工作台工作原理图中：1--工作台体，2--主轴，3--上多齿盘，4--下多齿盘，5--油缸下腔，6--齿盘离合器，7--齿轮，8--齿条，9--传感器，10--传感器，11--花键副，12--限位挡块，13--底盘，14--活塞分度动作顺序如下:油缸下腔5进油--活塞14带动工作台体1抬起--上多齿盘3与下多齿盘4分离--主轴2带动齿盘离合器6啮合--回转油缸(图中未画出)带动齿条8前进--齿轮7带动工作台体1及上多齿盘3回转至下一工位--油缸下腔5回油--工作台体1落下--多齿盘3,4啮合准确定位并夹紧--齿盘离合器6分离--齿条8缩回复位。3.4回转和摆动部分的传动2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）图4回转部分和摆动部分中齿轮传动涡轮涡杆传动示意图由图4可知整个数控回转工作台按照功用不同可以分为两个组成部分，即圆周回转部分和摆动部分；在圆周回转部分和摆动部分中又可以按照传动结构分为两个部分，即齿轮传动部分和蜗轮蜗杆传动部分。3.5双轴回转工作台实物图正如上面所描述，本文介绍的双轴回转工作台实物如图5所示。图5双轴回转工作台实物图四.五轴联动机床的结构类型[9][12]4.1立式五轴加工中心这类加工中心是工作台回转轴（图6）。设置在床身上的工作台可以环2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）图6立式双轴回转工作台绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。另一种是依靠立式主轴头的回转（图2）。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，图2主轴回转的立式五轴加工中心令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。立式加工中心的主轴重力向下，轴承高速空运转的径向受力是均等的，回转特性很好，因此可提高转速，一般高速可达1,2000r/min以上，实用的最高转速已达到4,0000转。主轴系统都配有循环冷却装置，循环冷却油带走高速回转产生的热量，通过制冷器降到合适的温度，再流回主轴系统。X、Y、Z三直线轴也可采用直线光栅尺反馈，双向定位精度在微米级以内。由于快速进给达到40～60m/min以上，X、Y、Z轴的滚珠丝杠大多采用中心式冷却，同主轴系统一样，由经过制冷的循环油流过滚珠丝杠的中心，带走热量。4.2卧式五轴加工中心2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）此类加工中心的回转轴也有两种方式，一种是卧式主轴摆动作为一个回转轴，再加上工作台的一个回转轴，实现五轴联动加工。这种设置方式简便灵活，如需要主轴立、卧转换，工作台只需分度定位，即可简单地配置为立、卧转换的三轴加工中心。由主轴立、卧转换配合工作台分度，对工件实现五面体加工，制造成本降低，又非常实用。也可对工作台设置数控轴，最小分度值0.001度，但不作联动，成为立、卧转换的四轴加工中心，适应不同加工要求，价格非常具有竞争力。图7卧式双轴回转工作台另一种为传统的工作台回转轴（图3），设置在床身上的工作台A轴一般工作范围20度至-100度。工作台的中间也设有一个回转台B轴，B轴可双向360度回转。这种卧式五轴加工中心的联动特性比第一种方式好，常用于加工大型叶轮的复杂曲面。回转轴也可配置圆光栅尺反馈，分度精度达到几秒，当然这种回转轴结构比较复杂，价格也昂贵。目前卧式加工中心工作台可以做到大于1.25m2，对第一种五轴设置方式没有什么影响。但是第二种五轴设置方式比较困难，因为1.25m2的工作台做A轴的回转，还要与工作台中间的B轴回转台联动确实勉为其难。卧式加工中心的主轴转速一般在10,000rpm以上，由于卧式设置的主轴在径向有自重力，轴承高速空运转时径向受力不均等，加上还要采用较大的BT502009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（文献综述）刀柄，一般最高可达20,000rpm。卧式加工中心快速进给达到30～60m/min以上，主轴电机功率22-40KW以上，刀库容量按需要可从40把增加到160把，加工能力远远超过一般立式加工中心，是重型机械加工的首选。加工中心大多可设计成双工作台交换，当一个工作台在加工区内运行，另一工作台则在加工区外更换工件，为下一个工件的加工做准备，工作台交换的时间视工作台大小，从几秒到几十秒即可完成。最新设计的加工中心考虑到结构上要适合组成模块式制造单元（FMC）和柔性生产线（FMS），模块式制造单元一般至少有两台加工中心和四个交换工作台组成，加工中心全部并排放置，交换工作台在机床前一字形排开，交换工作台多的可以排成两行、甚至双层设计。两边各有一个工位作为上下工件的位置，其余工位上的交换工作台安装着工件等待加工，有一辆小车会按照系统指令，把装着工件的交换工作台送进加工中心，或从加工中心上取出完成加工的交换工作台，送到下一个工位或直接送到下料工位，完成整个加工操作。柔性生产线除了小车、交换工作台之外，还有统一的刀具库，一般会有几百把刀具，在系统中存入刀具的身份编码信息，再通过刀具输送系统送进加工中心，并把用完的刀具取回，柔性生产线往往还需要一台