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1、大连理工大学硕士学位论文GMB2040龙门五轴加工中心机械技术研究姓名：吴春宇申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：贾振元;王鹤20061201大连理工大学专业学位硕士学位论文摘要装备制造业是国家工业之基石，它为新产品、新技术的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业，即便是工业发达国家，同样高度重视。机床是一个国家制造业水平的象征，从某种意义上说，反映出了一个国家的工业发展水平。当今代表机床制造业最高水平的五轴联动数控机床，长期以来，西方工业发达国家一直把它作为重要的战略物资，在机床出口和技术上进行封锁。著名的“东芝事件”即反映了五轴联动数控机床在军工上的重要战略意义。可
2、见，五轴联动数控机床对一个国家的航空、航天、军事、模具、科研、精密器械、高精医疗设备等行业，具有举足轻重的作用。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档数控机床的需求急剧提高。五轴联动数控机床的受控于人大大限制了我国制造业技术水平的发展，严重影响了航空、航天、军事、模具、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业的发展与进步，为打破此种格局，五轴联动机床的中国制造势在必行。在国家振兴东北老工业基地大好形式下，在我厂研发实力快速提高的条件下，结合自身条件，决心开发G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心，该机床的成功将为我厂数控机床的研发制造提升一个档次，也将促进国家装备制造业整体
3、水平的提高。G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心研制的成败主要取决于对机械问题的解决，它是机床性能、精度和可靠性能够达到要求的基础与保证。只有机床整体布局合理，各主观大件结构设计的强度和刚性达到要求，驱动部件结构设计及主要外购件选择得当，才能保证整机性能的实现。另外，本机床主要是主轴高转速加工，要达到高速加工的精度要求，必须相应提高机床的三个直线坐标轴运行的速度和加速度，这就对机床驱动系统的设计提出了更高的要求。尤其是机床的X 轴，它具有较长的驱动距离，会大大增加滚珠丝杠的长度，而长滚珠丝杠极限转速又相对较低，又要保证X 轴的高运行速度，进而涉及到了大导程滚珠丝杠的应用及其支撑结构的研
4、究，其设计难度很大。又因为本机床为动龙门结构，并且是双滚珠丝杠同时驱动龙门架移动，这就对两侧驱动的同步性提出了高要求。综上所述，本论文主要研究机床整体龙门框架布局刚性的保证；研究三直线坐标轴高速、高加速度的实现；研究x 轴双滚珠丝杠平行驱动一致性的实现；研究大导程滚珠丝杠长距离驱动的精度保证与结构设计的实现为解决以上技术问题，本机床在设计中采用了三维立体设计，对机床总体布局、大件结构设计和驱动系统进行检测、分析，使结构达到最佳形式在对驱动系统设计过程中，对系统主要技术参数进行精确计算，力争在达到使用要求的前提下，经济合理。在对主要部件的选择过程中，我们与专业制造技术人员进行研究、探讨，确定部件
5、的使用条件及需要达到的性能，对本机床采取针对性设计和制造，使其达到使用要求。最终确定本机床整体设计方案。关键词：数控机床：五轴联动；驱动系统G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心机械技术研究R e s e a r c ho nm e c h a n i c a lt e c h n i q u eo fG M B 2 0 4 0g a n t r ym o v i n g5-a x e sm a c h i n i n gc e n t e rA b s t ra c tE q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi
6、st h ef o o t s t o n eo fo n ec o u n t r y Si n d u s t r y，I ts u p p l i e si m p o r t a n tr c s o n l c ef o rn e wt e c h n i q u e、n e wp r o d u c td e v e l o p m e n ta n dm o d e mi n d u s t r yp r o d u c t i o n I ti sp a i dg r e a ta t t e n t i o nt oe v e ni nt h ed e v e l o p e
7、 dc o u n t r i e s W i t ho u rn a t i o n a le c o n o m i e sr a p i dd e v e l o p m e n ta n dr e q u i r e m e n to fn a t i o n a ld e f e n c ed e v e l o p m e n ti nt h er e c e n ty e a r s，h i g h g r a d en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o li si m p e r a t i v ed e m a n
8、d e d M a c h i n et o o ls t a n d sf o rn a t i o n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yl e v e la n d5-a x e sl i n k a g en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o ls t a n d sf o rt h et i p t o pl e v e lo fm a c h i n et o o lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t
9、 r y S oG M B 2 0 4 0 m 5 xg a n t r ym o v i n g5 一a x e sm a c h i n ec e n t e rr e f l e c t so n ec o u n t r y Si n d u s t r yd e v e l o p m e n tl e v e li naw a y W e s t e r ni n d u s t r yd e v e l o p e dc o u n t r i e sr e g a r d5-a x e sl i n k a g en u m e r i c a lc o n t r o lm
10、a c h i n et o o la sa ni m p o r t a n ts t r a t e g i cm a t e r i a la n de a r l yo u te x p o r tl i c e n s es y s t e mf o ral o n gt i m e T h ef a m o u s T O S H I B Ae v e n t r e f l e c t st h ei m p o r t a n ts t r a t e g i cs i g n i f i c a n c eo f5-a x e sl i n k a g en u m e r
11、i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o li nm i l i t a r ya f f a i r s S oi ti So b v i o u st h a t5-a x e sl i n k a g en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o lh a sm o m e n t o u si n f l u e n c et ot h ei n d u s t r yo fo n ec o u n t r y s u c ha ss D a e ef l i g h t、a v i a t i
12、o n、m i l i t a r ya f f a i r s、m o u l d、s c i e n t i f i cr e s e a r c h、p r e c i s i o ni n s m a n e n t、h i g hp r e c i s i o nm e d i c a lf a c i l i t i e s e t c A tp r e s e n t,m a n yC h i n e s em a c h i n et o o lc o m p a n i e sd e v e l o p5-a x e sl i n k a g en u m e r i c a
13、 lc o n t r o lm a c h i n et o o li ns u c c e s s i o na n db r e a kO v e 曩粥a st e c h n i c a ll o c l m p。b u tt h ed o m e s t i c5-a x e sl i n k a g en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o lc a n l l tg e n u i n ea c h i e v eu s i n gr e q u e s to np r e c i s i o n、c a p a b i
14、l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fm a c h i n et o o la n de n u l d n tb e a rc o m p a r i s o nw i t hw e s t e r nd e v e l o p e dc o u n t r i e s S ot h i st y p em a c h i n et o o lo fo u rc o u n t r yd e p e n d sO Bi m p o r tc h r o n i e a l l y,a n dt h ep r i c ei sv e r y h i g hb
15、 e c a u s eo f i n d u s t r y-d e v e l o p e dc o u n t r i e s l i m i t a t i o na n db l o c k a g e n l i sc o n d i t i o ns m a r tr e s t r i c t sd o m e s t i cm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yd e v e l o p i n gl e v e la n dm o m e n t o u si n f l u e n c et ot h ed e v e l o p
16、 m e n ta n da d v a n c e m e n ti nt h ei n d u s t r yo f 印a c ef l i g h t、a v i a t i o n、m i l i t a r ya f f a i r s、m o d d、s c i e n t i f i cr e s e a r c h、p r e c i s i o ni n s t r u m e n t、h i【g hp r e c i s i o nm e d i c a lf a c i l i t i e s，e r e S o,t ob r e a kt h i sp a t t e
17、r n,C h i n e s em a n u f a c t u r eo f5-a x e sl i n k a g en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o Ii si m p e r a t i v eu n d e rt h es i t u a t i o nA tt h es a m et i m e,i nt h ei n f l u e n c eo f v o c a t i o no nr i s i n gn o r t h e a s to l di n d u s t r yb a s e。o u r 白c
18、 t o r yd e c i d e st od e v e l o p(3 M B 2 0 4 0 m 5 xg a n n ym o v i n g5-a x e sm a c h i n ec e n t e rw i t hw o r l d w i d ea d v a n c e dl e v e l I t sI I 大连理工大学专业学位硕士学位论文s u c c e s s f u ld e s i g nw i l ls t e pu pn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o lm a n u f a c t u r
19、 i n gg r a d eo fo u rf a c t o r ya n dw i l lc o n t r i b u t et ou p g r a d en a t i o n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y T h es n c c e s so rf a i lo fd e v e l o p i n gG M B 2 0 4 0 m 5 xg a n t r ym o v i n g5-a x e sm a c h i n ec e n t e rp r i m a r yl i e s
20、o ns o l v i n gm e c h a n i c a lp r o b l e m，w h i c hi st h eb a s ea n dg u a r a n t e et oa c h i e v er e q u i r e dc a p a b i l i t y、p r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo fm a c h i n et 0 0 1 T h i sp a p e rp r i m a r yr e s e a r c h e sg u a r a n t e e i n gt h er i g i d i
21、 t yo fm a c h i n et o o l sw h o l eg a n t r yf r a m el a y o u t,a c h i e v i n gh i g hv e l o c i t ya n dh i g ha c c e l e r a t i o no f3-a x e sm o v e m e n t，a c h i e v i n gp a r a l l e ld r i v ec o n s i s t e n c yo fX a x i sd o u b l eb a l ls c r e w s；a c h i e v i n gt h em
22、e c h a n i c a ld e s i g na n dp r e c i s i o ng u a r a n t e eo fl a r g el e a db a l l s c r e wl o n gd i s t a n c ed f i v 吨T os o l v et h ea b o v et e c h n i c a lp r o b l e m，t h i sm a c h i n et o o la d o p t st h r e et h r e e-d i m e n s i o n a lD e s i g na n dt h em a i np a
23、 r t sa n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sc h e c k e du pa n da n a l y z e d I nt h ed e s i g n，t h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r si sp r e c i s ec a l c u l a t e da n dt h em a i np a r t si ss t u d i e db yp r o f e s s i o n a l，t h e nc o n f i r mt h ef i n a ld e s i g
24、 np r o p o s a lo f t h i sm a c h i n et o o l，K e yW o r d s：N u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l；5-a x e sl i n k a g e；T r a n s m i s s i o ns y s t e mI I I 独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另t l D N 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所
25、使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中傲了明确的说明并表示了谢意。作者签名：里，垒!姿日期：型：堡：!尘占大连理下大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：里!鍪刍导师签名唾纽玉型年舅互日大连理工大学专业学位硕士学位论文1 绪论1 1 五轴联动机床
26、技术研究的目的及意义五面体和多种空间方向的高速加工和高速切削是近几年来崛起的一项先进制造技术，它使汽车、模具、航空航天、船舶等行业的生产率和制造质量显著提高，加工工艺及装备更新换代，创造了惊人的效益。随着我国汽车、模具、航空航天、船舶等行业及其加工业的迅猛发展，对连续、平滑的自由曲面，如航空发动机和汽轮机的叶片，舰艇用的螺旋推进器，以及许许多多具有特殊曲面和复杂型腔、孔位的壳体和模具等三维曲面零件加工的要求的不断提高，而目前的三轴数控机床在加工复杂曲面时，必须经过多次装夹工件才能完成加工，并且经过多次的装夹，大大降低了工件精度和加工效率，已不能满足这些行业的需要。五轴联动机床正是针对空间曲面及
27、复杂形状零件的高速高效加工而设计，它的设计及制造将解决这一问题，工件一次装夹后可进行三维曲面多方向和多工序加工，加T 自动化程序高，从而缩短了生产周期，提高了劳动生产率和制造质量，使加工工艺及装备更新换代，可以获得良好的经济效益。因此，五轴联动机床已成为这些产业部门购买的热点。图1 1 叶轮(五轴加工的典型零件)F i 9 1 1B l a d ew h e e lO y p i r 蝴p a r tm a c h i n i n gb y5-a x e sm a c h i n ec e n t)G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心机械技术研究图1 2 叶片(五轴加工的典型零件)F
28、i 9 1 2L e a f b l a d e(T y p i c a lp a r tm a c h i n i n gb y5 一a x e sm a c h i n ec e n t e r)图1 3 汽车模具(五轴加工的典型零件)F i 9 1 3C a rm o u l d(T y p i c a lp a r tm a c h i n i n gb y5-a x e sm a c h i n ec e n t e r)一2 一大连理工大学专业学位硕士学位论文目前五轴联动机床在国外机床发达国家从设计和应用上已经比较成熟，达到了较高水平，而在我国的设计和应用上尚处于起步阶段，无论在精
29、度上、性能上还是在可靠性上都还无法真正达到使用要求，更无法与国外发达国家相比。尤其在设计上理论指导较少。因此，我国此类机床长期依赖进口。并且国外机床发达国家在五轴联动机床的出口、应用及相关技术上对我国进行限制，而且价格十分昂贵。因此，此类机床的研究与制造可打破此种格局，为我国机床行业的发展及技术上的研究与突破做出贡献。由此可见，五轴联动机床已成为当代机床业设计和应用的热门产品，同时也代表着机床的先进水平，为适应市场需求，需要开发一种满足五面体和多种空间方向高速加工和高速切削要求的高档数控机床，加大在市场中的竞争能力。因此，根据市场需求情况及我厂多年设计龙门数控机床的实际经验，结合我厂实际生产能
30、力的基础上，独立开发一种专门满足大中型复杂零件加工需要的高档五轴联动数控产品。该龙门式五轴联动机床的开发及产业化的实施，将具有很好的国内外市场需求前景，为提高我国机床的整体水平，加大在国际中的竞争力做出重要贡献。该产品应用于汽车、模具、航空航天、发动机、汽轮机、水泵等行业，尤其适用于如发动机叶片、螺旋桨曲面、模具型腔等复杂三维曲面工件的高速精密加工，也将为这些行业提高产品水平做出贡献。葺 j1 2 五轴联动机床加工的优势提高加工质量和工效，充分满足产品生产的要求是制造技术发展永恒的主题。迄今为止，所有制造技术的研发、改进和创新，无一不是直接或间接地在此主题的驱动下进行的，五轴加工机床的产生、应
31、用和发展也不例外。它既是为了加工某些具有特殊要求的复杂形面的大型工件而出现的，也是为了提高对这些形面的加工精度、质量和工效才得到应用和发展的，因此，五轴联动机床加工存在如下优点：(1)可以加工一般三轴数控机床所不能加工或很难一次装夹完成加工的连续、平滑的自由曲面。如航空发动机和汽轮机的叶片，舰艇用的螺旋推进器，以及许许多多具有特殊曲面和复杂型腔、孔位的壳体和模具等，如用普通三轴数控机床加工，由于其刀具相对于工件的位姿角在加工过程中不能变，加工某些复杂自由曲面时。就有可能产生干涉或欠加工(I P 加工不到)，必须经过多次装夹工件才能完成加工，甚至最后还需要手工加工才能完成并且经过多次的装夹，大大
32、降低了工件精度和加工效率因此，三轴数控机床加工已不能满足这些行业发展的要求，而用五轴联动的机床加工时，则由于刀具工件G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心机械技术研究的位姿角在加工过程中随时可调整，就可以避免刀具工件的干涉并能一次装夹完成全部加工；(2)五轴联动的机床加工还可大大提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率。例如，三轴机床加工复杂曲面时，多采用球头铣刀，球头铣刀是以点接触成形，切削效率低，而且刀具工件位姿角在加工过程中不能调，一般就很难保证用球头铣刀上的最佳切削点(即球头上线速度最高点)进行切削，而且有可能出现切削点落在球头刀上线速度等于零的旋转中心线上的情况，这时不仅切削效率
33、极低，加工表面质量严重恶化，而且往往需要采用手动修补，因此也就可能丧失精度。如采用五轴机床加工，由于刀具工件位姿角随时可调，则不仅可以避免这种情况的发生，而且还可以时时充分利用刀具的最佳切削点来进行切削，或用线接触成形的螺旋立铣刀来代替点接触成形的球头铣刀，甚至还可以通过进一步优化刀具工件的位姿角来进行铣削，从而获得更高的切削速度、切削线宽，即获得更高的切削效率和更好的加工表面质量，不难看出采用不变位姿角铣削叶片的表面粗糙度要比采用优化位姿角表面粗糙度低一级，而所用的时间，前者还比後者还要多：(3)符合于工件一次装夹便可完成全部或大部分加工的机床发展方向。因为随着科技的发展和人们物质生活水平的
34、提高，人们对产品的性能、质量要求也更高，形式更多样化和个性化。为了进一步提高产品的性能和质量，充分满足使用者的多方要求，如节能、省材、轻便、美观、舒适等，现代产品，不仅是航空、航天产品和运载工具(如汽车、船、舰等)，而且也包括精密仪器、仪表，医疗、运动器械，以及家用、办公用的电器和儿童玩具等产品的零件，都愈来愈多地采用由整体材料镂铣而成，而且其上还包含有许多各种各样的复杂曲面和斜孔、斜面等。这些零件，如用传统机床或三轴数控机床来加工，必须用多台机床，经过多次定位安装才能完成。这样不仅设备投资大，占用生产面积多，生产加工周期长，而且精度、质量还难于保证。为了解决这些问题，就要发展能集中工序进行高
35、精、高效和复合加工的机床，以期能实现工件一次装夹便可完成全部或大部分加工。这已成为当今机床发展的大趋势，而配备上高速加工能力的五轴机床，完全符合这一发展要求的趋势，而且还可能是最佳的方案选择。因为它不仅具有现代生产加工设备所要求具有的主要功能，而且一台五轴机床的工效约相当于两台三轴加工机床，甚至可以省去更多机床。一4 一大连理工大学专业学位硕士学位论文1 3 五轴联动机床发展现状市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，近年来，随着计算机辅助设计(C A D)、计算机辅助制造(c 煳)系统取锝了突破性发展，中国多家数控企业，纷纷推出五轴联动数控机床系统，打破了外国的技术封锁，占领了这一战略性
36、产业的至高点，大大降低了其应用成本，从而使中国装备制造业迎来了一个崭新的时代!以信息技术为代表的现代科学的发展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术迸步和产业升级中无可替代的基础作用。C I M T 9 9 展会上，国产五轴联动数控机床登上机床市场的舞台。白江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以后，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业，相继开发了五轴联动数控机床。1 4 五轴联动机床设计的问题及解决方法，本机床设计中，我们借鉴了许多国内外的先进经验
37、，在结构设计上与国内外同类机床进行了充分的比较和论证，并在机床展览会上与相关生产厂家进行了交流与探讨，除解决了五轴双摆头的应用和数控系统五轴联动的控制等电气内容外，机械方面需解决机床整体结构的刚性要求；与五轴双摆头及主轴高转速相符的直线坐标轴高速度和高加速度要求；与坐标轴高速度相对应的大导程滚珠丝杠应用产生的问题；此机床为动龙门式结构，x 轴采用双丝杠平行驱动，平行驱动一致性的问题等也是本论文需要解决的。1 5 本论文主要研究内容(1)总体设计方案及参数确定机床总体方案设计中，主要对固定龙门式、高架龙门式、龙门移动式、立柱移动式和工作台移动式几种机床结构的优缺点进行充分的论述和对比，总结出适用
38、于本机床功能、精度和可靠性要求的最佳方案。机床技术参数确定中，主要把本机床所预期的技术参数、机床功能和控制系统与国外同类机床进行对比，确定出符合本机床加工要求和市场需求的技术参数及机床系统。(2)重要机械结构研究G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心机械技术研究机床重要机械结构的研究中，主要对机床的基础框架床身、横梁立柱、主轴箱系统和坐标轴驱动进行结构、布局的研究和相关计算，确保机床主观大件和坐标轴驱动系统的合理和可靠。(3)机床辅助部件研究机床辅助部件的作用是辅助机床实现功能和对机床主要部件进行保护，保证机床正常运行。因此，在本章主要论述了个辅助部件的功能，并对其工作原理图和工作参数的
39、确认进行阐述。(4)验证本章中主要将机床在实际试制中达到的效果和实现的精度进行叙述，通过实际结论证明了机床的结构、技术参数和可靠性等性能达到了设计的预期要求，设计师合理的、成功的。大连理工大学专业学位硕士学位论文2 机床总体方案的研究与参数的确定2 1 机床总体方案的确定2 1 1 机床总体布局的形式及其优缺点(1)固定龙门式主轴籀图2 1 固定龙门式结构简图F i 9 2 1S t r u c t u r a ls k e t c ho f f i x e dg a n t r ym a c h i n et o o l此种结构整体布局为龙门框架形式，运动形式为工作台移动，龙门架固定不动。1
40、)结构优点：Y 轴加工范围可以根据龙门框架宽度自由确定；Z 轴加工范围可以根据龙门框架高度自由确定；易于实现五面加工，不受结构限制；易于实现机床的高精度要求；2)结构缺点：由于工作台重量随x 轴加工范围的增加而增大，并且工件固定于工作台上，跟随工作台一起移动，当加工大尺寸工件时，会给x 轴驱动带来很大困难。因此，此结构存在如下缺点：X 轴加工范围受到限制，不能过大；机床承受的工件尺寸和重量受到限制，不能过大；G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心机械技术研究机床动态性能一般结构实现性一般；(2)高架龙门式2 2 高架龙门式结构简图F i 9 2 2S t r u c t u r a ls
41、 k e t c ho f o v e r h e a dg a n t r ym a c h i n et o o l此种结构整体布局为龙门框架形式，运动形式为横梁前后移动，立柱工作台固定不动。1)结构优点：工件及工作台固定不动，使X 轴加工范围不受限制，可以根据龙门框架长度确定；Y 轴加工范围可以根据龙门框架宽度确定；Z 轴加工范围可以根据龙门框架高度确定；易于实现五面加工，不受结构限制；囝易于实现机床的高精度要求；机床动态性能好；承受工件重量大；2)结构缺点；由于横梁移动，立柱及横梁移动支撑梁的重量随x 轴加工范围的增加而增大。因此，此结构存在如下缺点：成本高：一8 一大连理工大学专业学
42、位硕士学位论文结构不易实现(3)龙门移动式2 3 龙门移动式结构简图F i 9 2 3S t r u c t u r a ls k e t c ho f g a n t r ym o v i n gm a c h i n et o o l1 此种结构整体布局为龙门框架形式，运动形式为整体龙门框架前后移动，工作台固定不动。1)结构优点：工件及工作台固定不动，使x 轴加工范围不受限制，可以根据龙门框架长度确定；Y 轴加工范围可以根据龙门框架宽度确定；o 易于实现五面加工，不受结构限制；易于实现机床的高精度要求；机床动态性能好；承受工件重量大；结构易于实现：2)结构缺点：由于整体龙门框架移动，驱动部
43、位较低。因此，此结构存在如下缺点：龙门框架高度不能过大，z 轴加工范围受到一定限制；G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心机械技术研究(4)立柱移动式2 4 立柱移动式结构简图F i 9 2 4S t r u c t u r a ls k e t c ho f c o l u m nm o v i n gm a c h i n et o o l此种结构立式机床结构，运动形式为立柱移动，工作台固定不动。1)结构优点：工件及工作台固定不动，使X 轴加工范围不受限制；Z 轴加工范围可以根据立柱高度确定；o 承受工件重量大；2)结构缺点；Y 轴加工范围受限制；不易于实现五面加工；不易于实现机床的
44、高精度要求；机床动态性能一般；大连理工大学专业学位硕士学位论文(5)工作台移动式2 5 工作台移动式结构简图F i 9 2 5S t r u c t u r a ls k e t c ho f b e n c hm o v i n gm a c h i n et o o l此种结构立式机床结构，运动形式为工作台移动，立柱固定不动。1)结构优点：易于实现机床的高精度要求；2)结构缺点：X 轴加工范围受限制；Y 轴加工范围受限制；0Z 轴加工范围受限制；不易于实现五面加工；机床动态性能一般；不能承受大重量工件；注：以上图中涂黑处为机床移动面G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心机械技术研究2
45、 1 2 机床总体方案的确定(1)机床总体方案的确定根据以上结构的对比并结合本机床用途可以看出，龙门框架结构与立式框架结构相比具有明显的优势，可以通过简单的力学原理解释：通过固定侧面部件，仅是带有z 轴滑架和铣头的龙门框架移动。相对于其他结构，运动质量较小，从而可以改善动态性能和加工速度。即使在大行程下亦可达到高稳定性，进而可实现大的横向位移(Y 轴)。提高机械刚性的另一个优点是可以改善工件尺寸精度及表面质量。特别是考虑到对完全加工越来越大的工件的要求不断增长时，这个设计的理念的优势就显而易见了，五轴及五面J J o I 的极大加工范围就可以实现了。因此，根据实现机床功能并考虑成本的综合因素下
46、，选择动龙门式框架结构，整体框架如下图。2 6G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心方案框架图F i 9 2 6F r a m ed i a g r a mo f G M B 2 0 4 0g a n t r ym o v i n g5 锄鼢m a c h i n i n g大连理工大学专业学位硕士学位论文(2)机床用途G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心适用于汽车、模具、航空航天、发动机、汽轮机、水泵等行业，针对空间曲面及大型复杂形状零件的高速高效加工而设计。尤其适用于如发动机叶片、螺旋桨曲面、模具型腔等复杂三维曲面工件的高速精密加工。具有高精度、高速度、高柔性、环保型特点。其
47、性能指标和精度指标完全符合国际标准。(3)机床总体布局G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心作为系列产品的基型，采用模块化设计，框架采用龙门式框架结构，为动龙门形式。其中龙门架在床身上前后移动为x 轴，滑鞍在横梁上左右移动为Y 轴，主轴箱在滑鞍上上下移动为z 轴。从机床正面看，数控柜位于整机右侧，操作面板固定于床身左侧，气动系统、液压系统和冷却机位于机床右侧，链式排屑器及冷却箱置于床身前端，螺旋排屑器位于床身两侧，简易防护间。本机床总体布局及一些大件的结构均为国内首创。一1 3 G M B 2 0 4 0 龙门五轴加工中心机械技术研究图2 7 机床总体布局及主要零部件F i 9 2 7M
48、 a c h i n et o o ll a y o u ta n dm a i np a r t s2 1 3 设计难点及解决方案(1)机床整体布局刚性的保证本机床床身、立柱、横梁、滑鞍、主轴箱等大件均采用高强度铸铁材料和树脂砂工艺铸造，并采用三维计算机软件辅助优化设计，筋板布置合理，提高大件的刚度和强度，从而使整机布局具有足够的刚性和强度。(2)三坐标轴高速、高加速度的实现对于机床坐标轴高速度的要求，从经济和技术稳定可靠性上考虑，采用大导程滚珠丝杠来实现，并采用光栅尺控制保证机床运动精度。对于机床高加速度的要求，采大连理工大学专业学位硕士学位论文用三维立体设计，准确计算移动部件的重量，合理
49、设计移动部件的结构，尽可能减小运动件重量，并且采用大扭矩、高转动惯量电机驱动，应用高运算能力、高驱动速度的数控系统实现。(3)X 轴双丝杠平行驱动一致性的解决本机床龙门架移动采用双侧滚珠丝杠同步驱动的形式，因此，龙门架长距离移动的精度和双侧驱动的同步性成为机床设计的难点，为保证驱动精度，导轨采用重载直线导轨，其定位精度高、磨擦小能长时间维持精度。并且，驱动双侧均有光栅尺控制，保证双轴长距离同步运动。(4)大导程滚珠丝杠长距离驱动的实现与结构设计本机床x 轴采用大导程滚珠丝杠，并且驱动距离长，在高速运行状态下容易产生受热伸长的变形，在设计上存在很大难度。因此，在设计上我们与滚珠丝杠厂家专业技术人
50、员进行探讨，最终在设计滚珠丝杠时，精确计算出丝枉的温升补偿值，由厂家在制造中给予精度上的保证。而我们在装配中对丝杠采用两端固定的安装形式，同时增大丝杠的安装预紧力，使丝杠产生一个预拉伸变形，可以在机床工作中弥补丝杠由于温升产生的伸长现象，保证机床的运动精度。通过以上方法，“并在实际装配过程中验证，此问题得到了很好的解决。2 1 4 机床坐标系的简介在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。在数控编程时，为了描述机床的运动，简化程序编制的方法及保证纪录数据的