第一篇：文獻綜述-五坐標機床用兩座回轉聯動工作臺的設計

文 獻 綜 述

機械工程系

班級：機

0205

學號：08

姓名：祝生

指導教師：王科社

北京信息科技大學（籌）

2006.3.17

文獻綜述

班級：機0205 姓名：祝生

指導教師：王科社

通過大學四年的學習，我掌握了許多機械方面的理論知識，對各種機器有了大概的了解，大四后半學期的畢業設計是對大學所學內容的系統體現，因此需要以綜述的形式把所選畢業設計課題的設計必要性及需要達到的設計效果做一具體闡述，通過文獻綜述材料的描述可以明了所設計內容在當前的發展狀況及具體的設計要求，更可以體現設計者在此設計方面的知識程度。下面是對所設計內容的具體文獻綜述。

兩坐標回轉聯動工作臺作為五面體或五坐標加工中心的主要組成部分，其性能和可靠性的高低對加工中心的加工效率有決定性的影響，作為高效機床的典型代表，各國機床設計者和使用者都已對此給與了高度重視。由此，在對兩坐標回轉聯動工作臺的開始發展之時，我對相關資料做了了解和整理，通過所學專業知識，試行來對五坐標機床兩坐標回轉聯動工作臺進行設計。

兩坐標回轉聯動工作臺，能作為一個功能部件，安裝在現有的立式或臥式加工中心上的工作臺上，使其成為五面體或五坐標加工中心。數控轉臺為加工中心和數控銑床提供了回轉坐標，通過第四軸、第五軸驅動轉臺或分度頭完成等分、不等分或連續的回轉加工，完成復雜曲面加工，使機床原有的加工范圍得以擴大。

對于五坐標機床，不管是哪種類型，它們具有兩個回轉坐標。相對于靜止的工件來說，其運動合成可使刀具軸線的方向在一定的空間內任意控制，從而具有保持最佳切削狀態及有效避免刀具干涉的能力。因此，五坐標加工又可以獲得比四坐標加工更廣的工藝范圍和更好的加工效果，特別適宜于三維曲面零件的高效高質量加工以及異型復雜零件的加工。采用五軸聯動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅加工表面粗糙度低，而且效率也大幅度提高。

加工中心一般分為立式加工中心和臥式加工中心，立式加工中心（三軸）最有效的加工面僅為工件的頂面，臥式加工中心借助回轉工作臺，也只能完成工件的四面加工。目前高檔的加工中心正朝著五軸控制的方向發展，五軸聯動加工中心有高效率、高精度的特點，工件一次裝夾就可完成五面體的加工。如配置上五軸聯動的高檔數控系統，還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工，更能夠適宜像汽車零部件、飛機結構件等現代模具的加工。立式五軸加工中心的回轉軸有兩種方式，其一就是工作臺回轉軸。設置在床身上的工作臺可以環繞X軸回轉，定義為A軸，A軸一般工作范圍+30度至-120度。工作臺的中間還設有一個回轉臺,環繞Z軸回轉，定義為C軸，C軸都是360度回轉。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分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸與XYZ三直線軸實現聯動，就可加工出復雜的空間曲面，當然這需要高檔的數控系統、伺服系統以及軟件的支持。這種設置方式的優點是主軸的結構比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設計太大，承重也較小，特別是當A軸回轉大于等于90度時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。為了達到回轉的高精度，高檔的回轉軸還配置了圓光柵尺反饋，分度精度都在幾秒以內，當然這類主軸的回轉結構比較復雜，制造成本也較高。近年來，用戶對金屬加工機床的技術要求越來越高，市場對機床生產廠家的壓力也越來越大。機床生產企業必須在盡可能短的時間內為用戶提供高質量的機床，以經濟性的價格占領市場。為機床用戶提供高質量、經濟性的加工設備是機床生產企業在當前和未來的發展目標，只有通過增加生產能力和提高產品質量才能達到這一目的。因此，要求數控鉆-銑機床和數控加工中心必須能在一次裝夾中完成從粗加工到精加工直到拋光加工的全部加工工序。五軸數控加工中心可以在一次裝夾中完成工件的全部機械加工工序，滿足從粗加工到精加工的全部加工要求，即適用于單件小批量生產也適用于大批量生產，減少了加工時間和生產費用，提高了數控設備的生產能力和經濟性。

國外五軸聯動數控機床是為適應多面體和曲零件加工而出現的。隨著機床復合化技術的新發展，在數控車床的基礎上，又很快生產出了能進行銑削加工的車銑中心。五軸聯動數控機床的應用，其加工效率相當于兩臺三軸機床，甚至可以完全省去某些大型自動化生產線的投資，大大節約了占地空間和工作在不同制造單元之間的周轉運輸時間及費用。市場的需求推動了我國五軸聯動數控機床的發展，CIMT99展會上，國產五軸聯動數控機床登上機床市場的舞臺。自江蘇多棱數控機床股份有限公司展出第一臺五軸聯動龍門加工中心以后，北京機電研究院、北京第一機床廠、桂林機床股份有限公司、濟南二機床集團有限公司等企業，相繼開發了五軸聯動數控機床。目前我國數控轉臺市場主要被大陸和臺灣地區的生產廠家所占領，少量高端產品由日本公司占領，國內產品主要以中檔產品為主。煙臺環球機床附件集團有限公司有豐富的設計制造經驗，是中國生產機床附件產品的骨干企業。主要生產各種型號的數控刀架、數控分度頭、數控轉臺、數控自定心中心架、機械分度頭、機械轉臺等機床附件及多種數控專用機床。其產品TK13系列數控立臥回轉工作臺，填補了國內此領域先進產品的空白。還有，武漢重型機床廠為發電設備制造業提供了一大批重型關鍵加工設備，為上海電機廠的主機配備了數控回轉工作臺，面積為4×8m，承重140t，這是國內目前承重最大的數控回轉工作臺。

隨著計算機數控技術在機械領域的廣泛應用，許多文獻資料及專業書籍都對此有詳盡的專業技術描述，如：

(1)張建民主編的《機電一體化系統設計》(第二版)(2)李福生主編的《實用數控機床技術手冊》

(3)趙松年、張奇鵬主編的《機電一體化機械系統設計》(4)何玉安主編的《數控技術及其應用》

(5)袁哲俊等編寫的《五坐標端銑數控加工計算理論分析》

這說明隨著人們使用的需要，對機械加工的精度要求會越來越高，在使用上也要求越來越智能化，這就好比原先用尺丈來衡量的，今天已小到納米級了。通過計算機設備的精確計算功能，可以使人們免去繁瑣的數據計算過程，并且能使加工結果更加可靠。對于回轉工作臺的操作就是要通過計算機數控技術使精確加工更方便、更準確。

此外，在數控回轉工作臺應用中還廣泛引進了液壓技術和電子設備，這樣便可在操作控制方面更容易實現。液壓技術和電子技術在機械加工方面中的應用已日趨成熟，國內外都有大量的資料可以查閱。我通過圖書館查閱了一些相關的篇章，如：

(1)章宏甲、黃誼主編的《液壓傳動》

(2)王繼文等編著的《淺析普通機床的數控改造，機床與液壓》(3)宋學義主編的《袖珍液壓氣動手冊》(下冊)(4)徐灝主編的《新編機械設計師手冊》(下冊)(5)郭慶鼎、王成元等著的《直線交流伺服系統的精密控制技術》

液壓技術被引入工業領域已經有一百多年的歷史了，隨著工業的迅猛發展，液壓技術更日新月異。伴隨著數學、控制理論、計算機、電子器件和液壓流體學的發展，出現了液壓伺服系統，并作為一門應用科學已經發展成熟，形成自己的體系和一套行之有效的分析和設計方法。不僅如此，當前的液壓技術及其設備已能夠完成許多以前不可能完成的任務，為機械加工業的發展開辟了新篇章。另外，通過數模轉化實現了電子電路控制功能，并且對數控技術的使用是相當大的支持。近年來像AutoCAD、Pro/E等繪圖軟件的普遍使用，更是大大方便了人們對機械的設計加工。

再有，隨著回轉工作臺功能的不斷完備，人們對回轉工作臺的設計和操作更多的開始考慮環保因素和使之更加人性化、系統化，并由此轉化成為一種設計思路，從而使設備在整體結構上的配置更加細致、更加符合人們的需要。不難發現在此方面繼續發展的潛力非常大，國內外在此領域的許多大型設計生產廠商也相繼引入了這一理念，其相關資料有：

(1)陳繼平、李元科編的《現代設計方法》(2)黃靖遠等編寫的《機械設計學》（第2版）(3)朱龍根主編的《機械系統設計》（第2版）(4)郝靜如主編的《計算機輔助工程》

(5)牟致忠、朱文予主編的《機械可靠性設計》

現在的機械設備是越來越實用化，對人們所需進行的加工任務更是實現的淋漓盡致。由于對設備的要求越來越苛刻，因此也促使今后所設計生產的設備更加完善，更符合先進化要求。

伺服系統的應用已十分廣泛，其組成及性能特點也各不相同，工程上對伺服系統的技術要求也有差別。伺服系統的主要技術指標包括兩個方面，一是對系統基礎性能的要求，包括對系統穩態性能和動態性能兩方面的要求；二是對一般系統的要求，包括工作方式、可靠性、使用壽命、工作環境、外形、重量以及經濟性等。

但是，目前兩坐標數控回轉工作臺的性能水平和可靠性都不很高，并且工藝水平也較為滯后。一般工作臺不能設計太大，承重也較小，特別是當A軸回轉大于等于90度時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。編程復雜、難度大。因為有兩個旋轉運動參與，其所形成的合成運動的空間軌跡非常復雜和抽象，一般難以想象和理解。如為了加工出所需的空間自由曲面，往往需通過多次坐標變換和復雜的空間幾何運算，同時還要考慮各軸運動的協調性，避免干涉、沖撞，以及插補運動要適時適量等，以保證所要求的加工精度和表面質量，編程難度就更大了。對數控及伺服控制系統的要求也較高。由于合成運動中有旋轉運動的加入，這不僅增加了插補運算的工作量，而且由于旋轉運動的微小誤差有可能被放大從而大大影響加工的精度，因此要求數控系統要有較高的運算速度和精度。

由此看出，數控轉臺的未來發展趨勢是：在規格上向兩頭延伸，即開發小型和大型轉臺；在性能上將研制以鋼為材料的蝸輪，大幅度提高工作臺轉速和轉臺的承載能力；在形式上繼續研制兩軸聯動和多軸并聯回轉的數控轉臺。對兩個回轉部件，既要求其結構緊湊，又要具有足夠大的力矩和運動的靈敏性及精度。

通過以上的闡述，可以大體上對回轉工作臺的發展狀況及設計需要有所了 解。雖然所述內容算不上十分詳盡和深入，但相信會對此方面的畢業設計課題有所幫助。

參考文獻 趙松年,張奇鵬主編.機電一體化機械系統設計.北京：機械工業出版社,1998 2 王繼文,景順,志強.淺析普通機床的數控改造,機床與液壓,2001-6-2 3 章宏甲,黃誼主編.液壓傳動.北京：機械工業出版社,2000 4 宋學義主編.袖珍液壓氣動手冊.北京：機械工業出版社,1995 5 李福生主編.實用數控機床技術手冊.北京：北京出版社,1993 6 郭慶鼎,王成元等著.直線交流伺服系統的精密控制技術.北京：機械工業出版社(2000)1-25,40-58 7 張建民主編.機電一體化系統設計.北京：高等教育出版社,2001 8 何玉安主編.數控技術及其應用.北京：機械工業出版社,2004 9 《機床設計手冊》編寫組編.機床設計手冊,第一冊,部件、機構及總體設計.北京：機械工業出版社,1996 10 陳繼平,李元科編.現代設計方法.武漢：華中科技大學出版社,1997 11張春良,陳子辰,梅德慶.直線電機伺服進給系統及其關鍵技術問題,組合機床與自動化加工技術.2001,11 12 WrightP.K.,21stCentury Manufacturing, Prentice Hall,2001 13 Jianming Yang,Yoshikazu Suematsu,and Zibo Kang,Two-Degree-of-Freedom controller to reduce the vibration of Vehicli Engine-Body System,IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY,Vol.9,No.2,MARCH2001 14 徐灝主編.新編機械設計師手冊(下冊).北京：機械工業出版社,1995 15 郝靜如主編.計算機輔助工程.北京：航空工業出版社,2000 16 機電一體化技術手冊編委會.機電一體化技術手冊.北京：機械工業出版社,1994