第一篇：文献综述-五坐标机床用两座回转联动工作台的设计
文 献 综 述
机械工程系
班级：机
0205
学号：08
姓名：祝生
指导教师：王科社
北京信息科技大学（筹）
2006.3.17
文献综述
班级：机0205 姓名：祝生
指导教师：王科社
通过大学四年的学习，我掌握了许多机械方面的理论知识，对各种机器有了大概的了解，大四后半学期的毕业设计是对大学所学内容的系统体现，因此需要以综述的形式把所选毕业设计课题的设计必要性及需要达到的设计效果做一具体阐述，通过文献综述材料的描述可以明了所设计内容在当前的发展状况及具体的设计要求，更可以体现设计者在此设计方面的知识程度。下面是对所设计内容的具体文献综述。
两坐标回转联动工作台作为五面体或五坐标加工中心的主要组成部分，其性能和可靠性的高低对加工中心的加工效率有决定性的影响，作为高效机床的典型代表，各国机床设计者和使用者都已对此给与了高度重视。由此，在对两坐标回转联动工作台的开始发展之时，我对相关资料做了了解和整理，通过所学专业知识，试行来对五坐标机床两坐标回转联动工作台进行设计。
两坐标回转联动工作台，能作为一个功能部件，安装在现有的立式或卧式加工中心上的工作台上，使其成为五面体或五坐标加工中心。数控转台为加工中心和数控铣床提供了回转坐标，通过第四轴、第五轴驱动转台或分度头完成等分、不等分或连续的回转加工，完成复杂曲面加工，使机床原有的加工范围得以扩大。
对于五坐标机床，不管是哪种类型，它们具有两个回转坐标。相对于静止的工件来说，其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内任意控制，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力。因此，五坐标加工又可以获得比四坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果，特别适宜于三维曲面零件的高效高质量加工以及异型复杂零件的加工。采用五轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅加工表面粗糙度低，而且效率也大幅度提高。
加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心，立式加工中心（三轴）最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展，五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。如配置上五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适宜像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。立式五轴加工中心的回转轴有两种方式，其一就是工作台回转轴。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+30度至-120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。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。近年来，用户对金属加工机床的技术要求越来越高，市场对机床生产厂家的压力也越来越大。机床生产企业必须在尽可能短的时间内为用户提供高质量的机床，以经济性的价格占领市场。为机床用户提供高质量、经济性的加工设备是机床生产企业在当前和未来的发展目标，只有通过增加生产能力和提高产品质量才能达到这一目的。因此，要求数控钻-铣机床和数控加工中心必须能在一次装夹中完成从粗加工到精加工直到抛光加工的全部加工工序。五轴数控加工中心可以在一次装夹中完成工件的全部机械加工工序，满足从粗加工到精加工的全部加工要求，即适用于单件小批量生产也适用于大批量生产，减少了加工时间和生产费用，提高了数控设备的生产能力和经济性。
国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲零件加工而出现的。随着机床复合化技术的新发展，在数控车床的基础上，又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，CIMT99展会上，国产五轴联动数控机床登上机床市场的舞台。自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。目前我国数控转台市场主要被大陆和台湾地区的生产厂家所占领，少量高端产品由日本公司占领，国内产品主要以中档产品为主。烟台环球机床附件集团有限公司有丰富的设计制造经验，是中国生产机床附件产品的骨干企业。主要生产各种型号的数控刀架、数控分度头、数控转台、数控自定心中心架、机械分度头、机械转台等机床附件及多种数控专用机床。其产品TK13系列数控立卧回转工作台，填补了国内此领域先进产品的空白。还有，武汉重型机床厂为发电设备制造业提供了一大批重型关键加工设备，为上海电机厂的主机配备了数控回转工作台，面积为4×8m，承重140t，这是国内目前承重最大的数控回转工作台。
随着计算机数控技术在机械领域的广泛应用，许多文献资料及专业书籍都对此有详尽的专业技术描述，如：
(1)张建民主编的《机电一体化系统设计》(第二版)(2)李福生主编的《实用数控机床技术手册》
(3)赵松年、张奇鹏主编的《机电一体化机械系统设计》(4)何玉安主编的《数控技术及其应用》
(5)袁哲俊等编写的《五坐标端铣数控加工计算理论分析》
这说明随着人们使用的需要，对机械加工的精度要求会越来越高，在使用上也要求越来越智能化，这就好比原先用尺丈来衡量的，今天已小到纳米级了。通过计算机设备的精确计算功能，可以使人们免去繁琐的数据计算过程，并且能使加工结果更加可靠。对于回转工作台的操作就是要通过计算机数控技术使精确加工更方便、更准确。
此外，在数控回转工作台应用中还广泛引进了液压技术和电子设备，这样便可在操作控制方面更容易实现。液压技术和电子技术在机械加工方面中的应用已日趋成熟，国内外都有大量的资料可以查阅。我通过图书馆查阅了一些相关的篇章，如：
(1)章宏甲、黄谊主编的《液压传动》
(2)王继文等编著的《浅析普通机床的数控改造，机床与液压》(3)宋学义主编的《袖珍液压气动手册》(下册)(4)徐灏主编的《新编机械设计师手册》(下册)(5)郭庆鼎、王成元等著的《直线交流伺服系统的精密控制技术》
液压技术被引入工业领域已经有一百多年的历史了，随着工业的迅猛发展，液压技术更日新月异。伴随着数学、控制理论、计算机、电子器件和液压流体学的发展，出现了液压伺服系统，并作为一门应用科学已经发展成熟，形成自己的体系和一套行之有效的分析和设计方法。不仅如此，当前的液压技术及其设备已能够完成许多以前不可能完成的任务，为机械加工业的发展开辟了新篇章。另外，通过数模转化实现了电子电路控制功能，并且对数控技术的使用是相当大的支持。近年来像AutoCAD、Pro/E等绘图软件的普遍使用，更是大大方便了人们对机械的设计加工。
再有，随着回转工作台功能的不断完备，人们对回转工作台的设计和操作更多的开始考虑环保因素和使之更加人性化、系统化，并由此转化成为一种设计思路，从而使设备在整体结构上的配置更加细致、更加符合人们的需要。不难发现在此方面继续发展的潜力非常大，国内外在此领域的许多大型设计生产厂商也相继引入了这一理念，其相关资料有：
(1)陈继平、李元科编的《现代设计方法》(2)黄靖远等编写的《机械设计学》（第2版）(3)朱龙根主编的《机械系统设计》（第2版）(4)郝静如主编的《计算机辅助工程》
(5)牟致忠、朱文予主编的《机械可靠性设计》
现在的机械设备是越来越实用化，对人们所需进行的加工任务更是实现的淋漓尽致。由于对设备的要求越来越苛刻，因此也促使今后所设计生产的设备更加完善，更符合先进化要求。
伺服系统的应用已十分广泛，其组成及性能特点也各不相同，工程上对伺服系统的技术要求也有差别。伺服系统的主要技术指标包括两个方面，一是对系统基础性能的要求，包括对系统稳态性能和动态性能两方面的要求；二是对一般系统的要求，包括工作方式、可靠性、使用寿命、工作环境、外形、重量以及经济性等。
但是，目前两坐标数控回转工作台的性能水平和可靠性都不很高，并且工艺水平也较为滞后。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。编程复杂、难度大。因为有两个旋转运动参与，其所形成的合成运动的空间轨迹非常复杂和抽象，一般难以想象和理解。如为了加工出所需的空间自由曲面，往往需通过多次坐标变换和复杂的空间几何运算，同时还要考虑各轴运动的协调性，避免干涉、冲撞，以及插补运动要适时适量等，以保证所要求的加工精度和表面质量，编程难度就更大了。对数控及伺服控制系统的要求也较高。由于合成运动中有旋转运动的加入，这不仅增加了插补运算的工作量，而且由于旋转运动的微小误差有可能被放大从而大大影响加工的精度，因此要求数控系统要有较高的运算速度和精度。
由此看出，数控转台的未来发展趋势是：在规格上向两头延伸，即开发小型和大型转台；在性能上将研制以钢为材料的蜗轮，大幅度提高工作台转速和转台的承载能力；在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。对两个回转部件，既要求其结构紧凑，又要具有足够大的力矩和运动的灵敏性及精度。
通过以上的阐述，可以大体上对回转工作台的发展状况及设计需要有所了 解。虽然所述内容算不上十分详尽和深入，但相信会对此方面的毕业设计课题有所帮助。
参考文献 赵松年,张奇鹏主编.机电一体化机械系统设计.北京：机械工业出版社,1998 2 王继文,景顺,志强.浅析普通机床的数控改造,机床与液压,2001-6-2 3 章宏甲,黄谊主编.液压传动.北京：机械工业出版社,2000 4 宋学义主编.袖珍液压气动手册.北京：机械工业出版社,1995 5 李福生主编.实用数控机床技术手册.北京：北京出版社,1993 6 郭庆鼎,王成元等著.直线交流伺服系统的精密控制技术.北京：机械工业出版社(2000)1-25,40-58 7 张建民主编.机电一体化系统设计.北京：高等教育出版社,2001 8 何玉安主编.数控技术及其应用.北京：机械工业出版社,2004 9 《机床设计手册》编写组编.机床设计手册,第一册,部件、机构及总体设计.北京：机械工业出版社,1996 10 陈继平,李元科编.现代设计方法.武汉：华中科技大学出版社,1997 11张春良,陈子辰,梅德庆.直线电机伺服进给系统及其关键技术问题,组合机床与自动化加工技术.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 徐灏主编.新编机械设计师手册(下册).北京：机械工业出版社,1995 15 郝静如主编.计算机辅助工程.北京：航空工业出版社,2000 16 机电一体化技术手册编委会.机电一体化技术手册.北京：机械工业出版社,1994
点击咨询 