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畢業(yè)設(shè)計（論文）
文獻(xiàn)綜述
題目
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班級
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文獻(xiàn)綜述
一. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺簡介[１]
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺是五軸聯(lián)動的基礎(chǔ)，它能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)軸和擺動軸的兩坐標(biāo)定位。在三軸聯(lián)動的數(shù)控銑床上增加了雙軸回轉(zhuǎn)工作臺，并通過數(shù)控改造使之成為五軸數(shù)控銑床，是擴(kuò)展機(jī)床使用功能的簡捷方式。
數(shù)控機(jī)床加工某些零件時,除需要有沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的直線進(jìn)給運動之外, 還需要有繞X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的圓周進(jìn)給運動,分別稱為A、B、C軸。
安裝雙回轉(zhuǎn)軸工作臺的五軸聯(lián)動機(jī)床也稱五坐標(biāo)機(jī)床, 它是在三個平動軸(沿X、Y、Z軸的直線運動) 的基礎(chǔ)上增加了兩個轉(zhuǎn)動軸(能實現(xiàn)繞X 軸、Z軸旋轉(zhuǎn)運動, 即A軸和C軸)，雙軸回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)了A軸和C軸的轉(zhuǎn)動。 設(shè)置在床身上的工作臺可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸一般工作范圍有限，并非360度。工作臺的中間還設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺，環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是360度回轉(zhuǎn)。這樣五軸聯(lián)動機(jī)床實現(xiàn)五軸聯(lián)動的關(guān)鍵就在于雙回轉(zhuǎn)軸工作臺。
二. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的特點[１]
裝有雙軸回轉(zhuǎn)工作臺不僅可使刀具相對于工件的位置任意可控, 而且刀具軸線相對于工件的方向也在一定范圍內(nèi)任意可控,由此使的五軸聯(lián)動機(jī)床加工具有以下特點:
A. 可避免刀具干涉, 加工普通三坐標(biāo)機(jī)床難以加工的復(fù)雜零件,加工適應(yīng)性廣,如圖1 (a) 所示。
B. 對于直紋面類零件, 可采用側(cè)銑方式一刀成型, 加工質(zhì)量好、效率高,如圖1(b) 所示。
C. 對一般立體型面特別是較為平坦的大型表面, 可用大直徑端銑刀端面逼近表面進(jìn)行加工, 走刀次數(shù)少, 殘余高度小, 可大大提高加工效率與表面質(zhì)量,如圖1(c) 所示。
D. 對工件上的多個空間表面可一次裝夾進(jìn)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, 如圖1 (d) 所示。
E. 五軸加工時, 刀具相對于工件表面可處于最有效的切削狀態(tài)。例如使用球頭刀時可避免球頭底部切削,如圖1 (e) 所示, 利于提高加工效率。同時,由于切削狀態(tài)可保持不變,刀具受力情況一致, 變形一致, 可使整個零件表面上的誤差分布比較均勻,這對于保證某些高速回轉(zhuǎn)零件的平衡性能具有重要作用。
F. 在某些加工場合, 如空間受到限制的通道加工或組合曲面的過渡區(qū)域加工, 可采用較大尺寸的刀具避開干涉, 刀具剛性好,有利于提高加工效率與精度,如圖1 (f)所示?，F(xiàn)在, 大家普遍認(rèn)為, 五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等加工的唯一手段。所以,每當(dāng)人們在設(shè)計、研制復(fù)雜曲面遇到無法解決的難題時,往往轉(zhuǎn)向求助于五軸數(shù)控系統(tǒng)。
圖1 五軸聯(lián)動加工的特點
三. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)和原理[１][2][3][4][5][6][12]
由于五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)價格十分昂貴, 加之NC 程序制作較難,使五軸系統(tǒng)難以“平民”化。
現(xiàn)在很多的工廠使用的是三軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床,即能實現(xiàn)X、Y、Z三個軸方向的同時平動。如果再配上一個雙軸回轉(zhuǎn)工作臺,能實現(xiàn)繞X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)(即A軸和C軸), 再完成數(shù)控部分的改造,實現(xiàn)同時控制即能實現(xiàn)五軸聯(lián)動。這樣即可減少固定資產(chǎn)的無形磨損, 又避免購置新機(jī)的大量資金投入。
3.1雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的功用
第一, 使工作臺進(jìn)行圓周進(jìn)給完成切削工作;第二, 使工作臺進(jìn)行分度工作。它按照控制系統(tǒng)的命令,在需要時完成上述務(wù)。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由伺服電動機(jī)驅(qū)動, 采用無級變速方式工作,所以定位精度完全由控制系統(tǒng)決定。
3.2 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的傳動和結(jié)構(gòu)
此處引用的工作臺屬于閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺, 兩個旋轉(zhuǎn)編碼器分別位于與工作臺固接的軸端和支撐座的尾端,能將旋轉(zhuǎn)后的位置準(zhǔn)確的反饋回系統(tǒng)。這種數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由交流伺服電動機(jī)驅(qū)動, 在它的輸出軸上接連軸器, 再接一級齒輪減速器。該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由圓柱齒輪傳動系統(tǒng)、渦輪渦桿傳動系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪夾緊裝置組成。
因為是渦輪渦桿傳動與分度, 所以停位不受限, 并不像端齒分度盤一樣, 只能分度固定的角度的整數(shù)倍(5°、10°、15°等), 而且偏轉(zhuǎn)范圍較大(110°～-70°),能加工任何角度與傾斜度的孔與表面。齒的側(cè)隙是靠齒輪制造精度和安裝精度來保持。大齒輪的支撐軸與渦桿軸做成一個軸, 這種聯(lián)結(jié)方式能增大連接的剛性和精度,更能減少功率的損耗。
其工作原理簡述如下:
回轉(zhuǎn)工作臺的運動由交流侍服電機(jī)驅(qū)動圓柱齒輪傳動, 帶動渦輪渦桿系統(tǒng), 使工作臺旋轉(zhuǎn)。當(dāng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺接到數(shù)控系統(tǒng)的指令后, 首先松開圓周運動部分的渦輪夾緊裝置, 松開渦輪, 然后啟動交流侍服電機(jī), 按
圖2 回轉(zhuǎn)工作臺的工作原理圖
數(shù)控指令確定工作臺的回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度大小等參數(shù)。
擺動部分的工作原理與此相同。
需要說明的是, 當(dāng)工作臺靜止時必須處于鎖緊狀態(tài), 工作臺沿其圓周方向均勻分布6個夾緊液壓缸進(jìn)行夾緊。當(dāng)工作臺不回轉(zhuǎn)時, 夾緊油缸在液壓油的作用下向外運動, 通過鎖緊塊僅僅頂在渦輪內(nèi)壁,從而鎖緊工作臺。當(dāng)工作臺需要回轉(zhuǎn)時,數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令, 反向重復(fù)上述動作, 松開渦輪, 使渦輪和回轉(zhuǎn)工作臺按照控制系統(tǒng)的指令進(jìn)行回轉(zhuǎn)運動。
3.3雙軸回轉(zhuǎn)工作臺C軸回轉(zhuǎn)部分
圖3 回轉(zhuǎn)工作臺工作原理
圖中：1--工作臺體，2--主軸，3--上多齒盤，4--下多齒盤，5--油缸下腔，6--齒盤離合器，7--齒輪，8--齒條，9--傳感器，10--傳感器，11--花鍵副，12--限位擋塊，13--底盤，14--活塞
分度動作順序如下:油缸下腔5 進(jìn)油-- 活塞14 帶動工作臺體1抬起-- 上多齒盤3 與下多齒盤4 分離-- 主軸2 帶動齒盤離合器6 嚙合-- 回轉(zhuǎn)油缸(圖中未畫出) 帶動齒條8 前進(jìn)-- 齒輪7 帶動工作臺體1 及上多齒盤3 回轉(zhuǎn)至下一工位-- 油缸下腔5 回油--工作臺體1 落下-- 多齒盤3 ,4 嚙合準(zhǔn)確定位并夾緊-- 齒盤離合器6 分離-- 齒條8 縮回復(fù)位。
3.4回轉(zhuǎn)和擺動部分的傳動
圖4回轉(zhuǎn)部分和擺動部分中齒輪傳動渦輪渦桿傳動示意圖
由圖4可知 整個數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺按照功用不同可以分為兩個組成部分，即圓周回轉(zhuǎn)部分和擺動部分 ；在圓周回轉(zhuǎn)部分和擺動部分中又可以按照傳動結(jié)構(gòu)分為兩個部分 ，即齒輪傳動部分和蝸輪蝸桿傳動部分。
3.5雙軸回轉(zhuǎn)工作臺實物圖
正如上面所描述，本文介紹的雙軸回轉(zhuǎn)工作臺實物如圖5所示。
圖5雙軸回轉(zhuǎn)工作臺實物圖
四. 五軸聯(lián)動機(jī)床的結(jié)構(gòu)類型[9][12]
4.1立式五軸加工中心
這類加工中心是工作臺回轉(zhuǎn)軸（圖6）。設(shè)置在床身上的工作臺可以環(huán)
圖6立式雙軸回轉(zhuǎn)工作臺
繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸一般工作范圍 30度至-120度。工作臺的中間還設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺，在圖示的位置上環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是360度回轉(zhuǎn)。這樣通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的五個面都可以由立式主軸進(jìn)行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001度，這樣又可以把工件細(xì)分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如與XYZ三直線軸實現(xiàn)聯(lián)動，就可加工出復(fù)雜的空間曲面，當(dāng)然這需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。這種設(shè)置方式的優(yōu)點是主軸的結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設(shè)計太大，承重也較小，特別是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)大于等于90度時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。
另一種是依靠立式主軸頭的回轉(zhuǎn)（圖2）。主軸前端是一個回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞Z軸360度，成為C軸，回轉(zhuǎn)頭上還帶可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，一般可達(dá)±90度以上，實現(xiàn)上述同樣的功能。這種設(shè)置方式的優(yōu)點是主軸加工非常靈活，工作臺也可以設(shè)計的非常大，客機(jī)龐大的機(jī)身、巨大的發(fā)動機(jī)殼都可以在這類加工中心上加工。這種設(shè)計還有一大優(yōu)點：我們在使用球面銑刀加工曲面時，當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時，由于球面銑刀的頂點線速度為零，頂點切出的工件表面質(zhì)量會很差，采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計，
圖2 主軸回轉(zhuǎn)的立式五軸加工中心
令主軸相對工件轉(zhuǎn)過一個角度，使球面銑刀避開頂點切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)非常受模具高精度曲面加工的歡迎，這是工作臺回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。為了達(dá)到回轉(zhuǎn)的高精度，高檔的回轉(zhuǎn)軸還配置了圓光柵尺反饋，分度精度都在幾秒以內(nèi)，當(dāng)然這類主軸的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本也較高。
立式加工中心的主軸重力向下，軸承高速空運轉(zhuǎn)的徑向受力是均等的，回轉(zhuǎn)特性很好，因此可提高轉(zhuǎn)速，一般高速可達(dá)1,2000r/min以上，實用的最高轉(zhuǎn)速已達(dá)到4,0000轉(zhuǎn)。主軸系統(tǒng)都配有循環(huán)冷卻裝置，循環(huán)冷卻油帶走高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，通過制冷器降到合適的溫度，再流回主軸系統(tǒng)。X、Y、Z三直線軸也可采用直線光柵尺反饋，雙向定位精度在微米級以內(nèi)。由于快速進(jìn)給達(dá)到40～60m/min以上，X、Y、Z軸的滾珠絲杠大多采用中心式冷卻，同主軸系統(tǒng)一樣，由經(jīng)過制冷的循環(huán)油流過滾珠絲杠的中心，帶走熱量。
4.2臥式五軸加工中心
此類加工中心的回轉(zhuǎn)軸也有兩種方式，一種是臥式主軸擺動作為一個回轉(zhuǎn)軸，再加上工作臺的一個回轉(zhuǎn)軸，實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工。這種設(shè)置方式簡便靈活，如需要主軸立、臥轉(zhuǎn)換，工作臺只需分度定位，即可簡單地配置為立、臥轉(zhuǎn)換的三軸加工中心。由主軸立、臥轉(zhuǎn)換配合工作臺分度，對工件實現(xiàn)五面體加工，制造成本降低，又非常實用。也可對工作臺設(shè)置數(shù)控軸，最小分度值0.001度，但不作聯(lián)動，成為立、臥轉(zhuǎn)換的四軸加工中心，適應(yīng)不同加工要求，價格非常具有競爭力。
圖7 臥式雙軸回轉(zhuǎn)工作臺
另一種為傳統(tǒng)的工作臺回轉(zhuǎn)軸（圖3），設(shè)置在床身上的工作臺A軸一般工作范圍 20度至-100度。工作臺的中間也設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺 B軸，B軸可雙向360度回轉(zhuǎn)。這種臥式五軸加工中心的聯(lián)動特性比第一種方式好，常用于加工大型葉輪的復(fù)雜曲面?；剞D(zhuǎn)軸也可配置圓光柵尺反饋，分度精度達(dá)到幾秒，當(dāng)然這種回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格也昂貴。
目前臥式加工中心工作臺可以做到大于1.25m2，對第一種五軸設(shè)置方式?jīng)]有什么影響。但是第二種五軸設(shè)置方式比較困難，因為1.25m2的工作臺做A軸的回轉(zhuǎn)，還要與工作臺中間的B軸回轉(zhuǎn)臺聯(lián)動確實勉為其難。臥式加工中心的主軸轉(zhuǎn)速一般在10,000rpm以上，由于臥式設(shè)置的主軸在徑向有自重力，軸承高速空運轉(zhuǎn)時徑向受力不均等，加上還要采用較大的BT50刀柄，一般最高可達(dá)20,000rpm。臥式加工中心快速進(jìn)給達(dá)到30～60m/min以上，主軸電機(jī)功率22-40KW以上，刀庫容量按需要可從40把增加到160把，加工能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般立式加工中心，是重型機(jī)械加工的首選。
加工中心大多可設(shè)計成雙工作臺交換，當(dāng)一個工作臺在加工區(qū)內(nèi)運行，另一工作臺則在加工區(qū)外更換工件，為下一個工件的加工做準(zhǔn)備，工作臺交換的時間視工作臺大小，從幾秒到幾十秒即可完成。最新設(shè)計的加工中心考慮到結(jié)構(gòu)上要適合組成模塊式制造單元（FMC）和柔性生產(chǎn)線（FMS），模塊式制造單元一般至少有兩臺加工中心和四個交換工作臺組成，加工中心全部并排放置，交換工作臺在機(jī)床前一字形排開，交換工作臺多的可以排成兩行、甚至雙層設(shè)計。兩邊各有一個工位作為上下工件的位置，其余工位上的交換工作臺安裝著工件等待加工，有一輛小車會按照系統(tǒng)指令，把裝著工件的交換工作臺送進(jìn)加工中心，或從加工中心上取出完成加工的交換工作臺，送到下一個工位或直接送到下料工位，完成整個加工操作。柔性生產(chǎn)線除了小車、交換工作臺之外，還有統(tǒng)一的刀具庫，一般會有幾百把刀具，在系統(tǒng)中存入刀具的身份編碼信息，再通過刀具輸送系統(tǒng)送進(jìn)加工中心，并把用完的刀具取回，柔性生產(chǎn)線往往還需要一臺FMS的控制器來指揮運行。
五. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的發(fā)展[9][10][11][12][13]
裝備制造業(yè)是一國工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達(dá)工業(yè)化國家，也無不高度重視。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和國防建設(shè)的需要，對高檔的數(shù)控機(jī)床提出了急迫的大量需求。機(jī)床是一個國家制造業(yè)水平的象征。而代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，從某種意義上說，反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。 長期以來，以美國為首的西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家，一直把五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實行出口許可證制度。特別是冷戰(zhàn)時期，對中國、前蘇聯(lián)等社會主義陣營實行封鎖禁運。愛好軍事的朋友可能知道著名的“東芝事件”：上世紀(jì)末，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床，結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進(jìn)螺旋槳，上了幾個檔次，使美國間諜船的聲納監(jiān)聽不到潛艇的聲音了，所以美國以東芝公司違反了戰(zhàn)略物資禁運政策，要懲處東芝公司。
五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復(fù)雜曲的機(jī)床，這種機(jī)床系統(tǒng)對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力，堪稱“制造業(yè)之靈魂”。?現(xiàn)在，大家普遍認(rèn)為，五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等等加工的唯一手段。
而提高五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的科技含量、精密度的重要手段之一就是提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的精密度。要在不斷提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺工作性能，才能在實質(zhì)上提高我國五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的整體水平，使我國裝備制造業(yè)得到長足發(fā)展。
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