基于UG的教學(xué)型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曹川川　郭鵬遠(yuǎn)　楊大奎

摘要：旨在降低中小型企業(yè)和大專院校五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床成本、促進(jìn)五軸數(shù)控技術(shù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于UG的教學(xué)型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床?；谀K化設(shè)計(jì)思想，完成了機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、XYZ軸機(jī)械設(shè)計(jì)、搖籃機(jī)構(gòu)（AC軸）設(shè)計(jì)，UG的運(yùn)動(dòng)模擬用于分析其結(jié)構(gòu)的可行性。成功研制了一臺(tái)樣機(jī)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)教學(xué)，滿足高校師生的需求，通過本機(jī)床的學(xué)習(xí)，可提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，鞏固學(xué)生學(xué)過的知識(shí)，對(duì)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)甚有幫助。

關(guān)鍵詞：UG;教學(xué);五軸;銑床

Abstract： This paper aims to reduce the cost of small and medium-sized enterprises and school five-axis linkage CNC machine tools， promote the training of five-axis CNC technology application talents， and design a five-axis linkage CNC milling machine based on UG. Based on the modular design idea， the frame structure design， spindle structure design， XYZ axis mechanical design and cradle mechanism （AC axis） design were completed. The motion simulation of UG was used to analyze the feasibility of its structure. Successfully developed a prototype machine for the experimental teaching of CNC machine tools to meet the needs of teachers and students in colleges and universities. Through the study of this machine tool， it can improve students' hands-on practical ability， consolidate the knowledge that students have learned， and is very helpful to the experimental teaching of colleges and universities.

Keywords： UG; teaching; five-axes; milling machine

為了降低中小型企業(yè)和學(xué)校五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床成本、推動(dòng)五軸數(shù)控技術(shù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，開發(fā)了一種教學(xué)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床[1]。采用MACH3運(yùn)動(dòng)控制卡+平板電腦為控制主體，模塊化搭建雙回轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的硬件結(jié)構(gòu);利用三維軟件（UG）建立機(jī)床模型和工件模型，并導(dǎo)入VERICUT軟件，完成機(jī)床在VERICUT中的虛擬建模[2];將CAE/CAM軟件后置處理生成的五軸加工程序?qū)隫ERICUT建立的機(jī)床模型中進(jìn)行加工仿真實(shí)驗(yàn)[3]，實(shí)現(xiàn)刀具軌跡及G代碼優(yōu)化，驗(yàn)證正確后的程序?qū)胛遢S聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床中進(jìn)行實(shí)際加工。 通過我們的努力，將大型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床微型化后搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室或車間，讓更多的學(xué)員更好地掌握五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的加工原理與機(jī)床結(jié)構(gòu)，方便于教員教學(xué)和科研。

1機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)

1.1技術(shù)需求

（1）主軸在較低速的情況下要求能夠?qū)ぜM(jìn)行銑削處理并能夠保證較高的加工精度，在高速銑削的加工中保證工件表面的質(zhì)量，于是將主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍定在1000～24 000 r/min。

（2）銑床的五軸應(yīng)能實(shí)現(xiàn)快速的移動(dòng)的要求，設(shè)定快速進(jìn)給速度為5300 r/min，在加工工件時(shí)的進(jìn)給速度為1700 r/min。

（3）保證工件的各項(xiàng)精度，其主要的技術(shù)參數(shù)如下：

①主軸錐孔徑向跳動(dòng)：0.003 mm;

②軸頸徑向跳動(dòng)：0.003 mm;

③軸向竄動(dòng)：0.012 mm;

④定位精度：0.023 mm。

（4）由于是教學(xué)用的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床，在設(shè)計(jì)開始就是加工一些強(qiáng)度和剛度較小并且尺寸較小的零件，于是選用四角卡盤來做工件的夾持裝置以及工作臺(tái)，夾持工件的公稱直徑60 mm，三向進(jìn)給的有效導(dǎo)程是X×Y×Z：420 mm×420 mm×240 mm。

1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖1所示：①總體方案設(shè)計(jì);②實(shí)體建模;③裝配、單軸運(yùn)動(dòng)分析和設(shè)計(jì)修改[4];④多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模擬，檢查干擾，觀察運(yùn)動(dòng)軌跡，有干擾時(shí)修改設(shè)計(jì)方案[4];⑤裝配和運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確無誤時(shí)，再對(duì)其薄弱機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析并修改薄弱機(jī)構(gòu)，直至完成最終設(shè)計(jì)。

通常我們?cè)O(shè)計(jì)一款機(jī)床首先要保證的就是其在加工過程當(dāng)中必須保證床體有足夠的剛性，因此，銑床結(jié)構(gòu)要根據(jù)以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。①最好是對(duì)稱設(shè)計(jì)，這樣可以使整體結(jié)構(gòu)有較小的彎曲力矩;②懸臂式的機(jī)械結(jié)構(gòu)伸出不可以太長，要盡可能的短;③盡可能縮短刀具到達(dá)工件的行程，以減少在機(jī)械加工中不必要的空行程的運(yùn)動(dòng)時(shí)間;④考慮加工工藝和加工設(shè)備，成本及裝配工藝等。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。我們?cè)O(shè)計(jì)的銑床的整體結(jié)構(gòu)是接近正方體的，最初需要的銑床機(jī)架的尺寸為1000 mm×1000 mm×1000 mm，采用鋁合金型材搭建銑床的機(jī)架，設(shè)計(jì)成一個(gè)正方體的結(jié)構(gòu)。

在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)中，有兩個(gè)轉(zhuǎn)軸是分開設(shè)計(jì)的，其中一個(gè)轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)在主軸上，另外一個(gè)設(shè)計(jì)在滑臺(tái)上。也有的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸都是設(shè)計(jì)在主軸上面，其優(yōu)點(diǎn)是所占空間少，但是難度大，考慮因素較多。在這里我們所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)是搖籃式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，考慮到由于此銑床的整體結(jié)構(gòu)是正方體的，為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊和加工中的穩(wěn)定性，將轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成搖籃式的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形狀如圖3所示。

機(jī)械加工是機(jī)械生產(chǎn)中最重要的部分。在現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備的條件下，運(yùn)用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的數(shù)控加工中心以及數(shù)控車床等機(jī)械設(shè)備，對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的三向進(jìn)給系統(tǒng)的底板以及固定步進(jìn)電機(jī)的固定板進(jìn)行加工，加工完成后，按照機(jī)械裝配圖進(jìn)行裝配。加工零件及裝配圖如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

本文旨在降低中小型企業(yè)和大專院校五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床成本，促進(jìn)五軸數(shù)控技術(shù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，成功開發(fā)了基于UG的教學(xué)型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床原型樣機(jī)。將大型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床微型化后搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，讓更多學(xué)生更好地掌握五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的加工原理與機(jī)床結(jié)構(gòu)[5]，

教學(xué)經(jīng)濟(jì)型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，兩項(xiàng)實(shí)用新型專利、一項(xiàng)發(fā)明專利;學(xué)生創(chuàng)辦重慶志飛智能科技有限責(zé)任公司，取得重慶市璧山區(qū)第二屆創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

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