双轴回转工作台 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

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。

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。

图1五轴联动加工的特点

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:

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

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

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

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

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

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BT50

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FMS的控制器来指挥运行。

五.双轴回转工作台的发展[9][10][11][12][13]

装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品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。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前

苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间谍船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。

五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力，堪称“制造业之灵魂”。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、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。

而提高五轴联动数控机床的科技含量、精密度的重要手段之一就是提高双轴回转工作台的精密度。要在不断提高双轴回转工作台工作性能，才能在实质上提高我国五轴联动数控机床的整体水平，使我国装备制造业得到长足发展。

参考文献

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