摘 要

本文进行了五轴数控加工中心的X,Y,Z轴进给系统的设计，数控加工中心作为一种多方面高技术集成的产品,在机械制造业中必不可少。五轴数控加工中心的五个坐标轴可以实现联动，能够很好地解决现今机械制造中结构复杂、技术要求精密、生产批量小和多变的零件的加工问题,同时还能够稳定产品的加工质量,大幅度提高生产效率。论文中主要对数控机床X,Y,Z轴伺服进给系统的设计进行，文中详细描述了小型五轴数控加工中心直线进给系统的设计方法,包括设计整个传动系统，选择合适的滚珠丝杠副以及伺服电动机等,最后验算精度和刚度。在本文中运用软件Solidworks做出伺服进给系统的零部件，以及将各个零部件进行装配，二维工程图出图，运用autocad对二维图进行调整和修改。

关键词：小型五轴数控加工中心；X,Y,Z进给系统；滚珠丝杠副；伺服电动机

Abstract

In order to solve the problem of gear fatigue damage detection and diagnosis, this paper has carried on the acoustic emission extraction and the research analysis. Using the time domain and frequency domain parameters, the acoustic emission signal is processed by MATLAB software, and the characteristic parameters of the acoustic emission signal can be selected to represent the damage amount. Finally, the selected parameters are used as the input of the neural network to identify the gear fatigue damage amount and compare the recognition rate of each network.

In this paper, two sets of single-factor variables are designed to change the gear loading torque and gear speed. The torque range is 100N · m to 3000N · m, and 900rmp and 1000rmp are set. The test equipment is gear fatigue testing machine, with two sets of gears, respectively, in the A gear box and B gear box. From the physical point of view, the beginning of the test two sets of gears for the new state. After the end of the test, it was found that the working tooth surfaces of the two gears had different degrees of surface damage, and the gear damage in the B gearbox was more serious. From the analysis results of the characteristic parameters of the acoustic emission signal, the kurtosis of the time domain parameter is very sensitive to the development of the damage amount. At the end of the experiment, when the torque loading is large, the amplitude of the acoustic emission signal of the B gear box is obviously larger than that of the A The Compared with the results of neural network pattern recognition, it is found that the parameters used as the input of the neural network can well recognize the size of the damage, and the effect of the input recognition is small.

Key Words：Gear Fatigue; Acoustic Emission; Single Parameter Analysis; Neural Network

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外五轴联动加工中心的发展现状 1

1.3 小型五轴数控加工中心X,Y,Z进给系统的研究现状 1

1.4 研究目的及意义 2

1.5 本论文研究任务 2

第2章 X,Y,Z轴进给系统整体结构设计 3

2.1引言 3

2.2 X,Y,Z轴进给系统的工作原理 3

2.3 X,Y,Z轴进给系统的整体方案设计 3

2.4 X,Y,Z轴进给系统的主要参数确定 5

第3章 X轴进给系统选型及设计 6

3.1 滚珠丝杠副的选型设计 6

3.1.1 载荷确定 6

3.1.2 确定滚珠丝杠副的导程 6

3.1.3 丝杆支承方式选定 6

3.1.4 丝杆外径选定及校核 7

3.1.5 计算最大轴向载荷 7

3.1.6 轴向允许载荷计算 7

3.1.7 寿命计算及校核 8

3.2 电机选型 9

3.2.1 转速的计算 9

3.2.2 驱动扭矩计算 9

3.2.3 计算角加速度 10

3.2.4 电机所需的加速扭矩 10

3.2.5 计算各种运动状态下点检所需要的驱动扭矩 10

3.2.6 电机转动惯量要求 11

3.3 滚珠丝杠副的支承的设计 11

3.4 导轨的选择 13

第4章 Y轴进给系统选型及设计 14

4.1 滚珠丝杠副的选型设计 14

4.1.1 载荷的确定 14

4.1.2 确定滚珠丝杠副的导程 14

4.1.3 丝杆支承方式选定 15

4.1.4 丝杆外径选定及校核 15

4.1.5 计算最大轴向载荷 15

4.1.6 轴向允许载荷计算 16

4.1.7 寿命计算及校核 16

4.2 电机的选型 17

4.2.1转速的计算 17

4.2.2驱动扭矩计算 17

4.2.3计算角加速度 18

4.2.4电机所需的加速扭矩 19

4.2.5计算各种运动状态下点检所需要的驱动扭矩 19

4.2.6 电机转动惯量要求 19

4.3 滚珠丝杠副的支承的设计 19

4.4 导轨的选择 21

总结 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1 引言

五轴联动加工中心，顾名思义是指机床的五个坐标轴能够联动，以此来对空间结构复杂及任意轮廓的零件进行加工，而且还有一个优点是工件完成一次装夹，能够进行大量的加工工序操作，从而确保零件在加工精度上的各个要求；同时也减少因工件装夹带来的生产效率的降低。随着加工技术以及加工工艺等发展，对机床有了越来越高的要求。对于五轴联动加工中心，要求其可以实现多轴联动，完成更多种类型的零件加工，也要求机床主轴能具备更高的转速，将其打造成多方面高技术集成的产品。

1.2 国内外五轴联动加工中心的发展现状

世界上第一台加工中心出现于1958年，五轴联动机床出现于上世纪80年代开始，从国外五轴联动加工机床的发展看，机床已经逐渐成为工厂自动化生产系统的组成单元，而不再仅仅是一台加工设备。随着科学技术的日益进步，市场对五轴联动加工机床的要求越来越高。最后目的是依靠并应用各种技术，在一定程度上提高产品的生产效率。

国内五轴加工机床中，大型、普通精密级五轴联动加工中心有很好的发展。这些加工中心包括立式、卧式、龙门式和落地式，可以完成尺寸各异、形状复杂多变的零件的加工。除此之外，五轴联动铣床、大型镗床铣床以及车铣中心等在我国也有很好的发展，设备的发展对应于市场上需求。在国内，江苏多棱、济南二机、北京机电研究院、桂林机床、北京一机这些企业生产的五轴加工机床广受欢迎；在国际上，这些机床在精度以及五轴数控技术的开发上跟国外相比，依然存在不小的差距。由于技术水平上的限制和缺乏生产五轴联动加工中心产品的经验，导致高精度五轴联动加工中心产品在国内比较少见，其中还有一部分原因是对五轴数控技术的掌握上与国外仍然存在差距。由此可见，我国在高精密五轴联动加工中心的研究及发展上有一定空白。

1.3 小型五轴数控加工中心X,Y,Z进给系统的研究现状

进给系统是一台机床的核心部件，因为进给系统是数控加工中心数控系统的重要组成部分，也是机械传动部件连接的环节。进给系统的性对于数控加工的反应快速性、运行稳定性和加工精确性有重要的作用，是其决定性因素。绝大多数机床都会有直线进给系统，与传统机床相比，要求数控中心的进给系统有较高的定位精度和良好的动态响应特性。我国目前对于直线进给系统的研究已经比较成熟。但是目前，随着需求增加，对机床的性能提出了更高的要求。对于一台机床来说提高性能首先就要提高进给系统的精度。

1.4 研究目的及意义

制造业反映了一个国家的生产力水平，是一个国家工业的基石。中国目前已是制造大国，但是行业不强，自主创新能力差，创新产品推广困难。目前已有的数控机床性能和发达国家之间存在着很大的差距，高端产品依赖进口严重。机床的研发与现有技术对于一个国家的工业发展有十分重要的意义，西方工业发达国家始终不会向中国进口五轴联动数控机床系统这类的高精密仪器设备。此外，五轴联动加工中心的进口成本高，不能大量进口，而且维护成本昂贵，进而增加了制造业的成本。因此，研究五轴加工中心的关键技术，开发国内高品质的五轴数控机床，以满足整个制造业的需求，是国内制造业发展的迫切需要。

1.5 本论文研究任务

本次设计的内容是数控加工中心X,Y,Z轴进给系统方案设计，其中包扩进给系统的结构设计及绘制装配图、典型零件绘制及外文资料文献翻译，并撰写毕业设计论文。在设计中通过查阅相关资料，计算数控加工中心的切削力，进一步根据切削力的大小，确定数控车床伺服进给系统的各种运动参数及传动方案，然后通过参数的选定来计算当量动载荷，进而选择滚珠丝杠副，通过计算最大切削负载转矩、负载惯量选择伺服电动机。最终完成进给系统的整体布局设计。

第2章 X,Y,Z轴进给系统整体结构设计

2.1引言

本章主要介绍了五轴数控加工中心X,Y,Z轴进给系统的工作原理，讨论了进给系统的布局方式，对整体参数进行了确定，对X,Y,Z轴进给系统的关键部件进行了选型和计算。

2.2 X,Y,Z轴进给系统的工作原理

X,Y,Z轴进给系统主要由立柱、底座、Y轴拖板、工作台拖板和滚珠丝杠副等部件组成。主轴箱在立柱上实现Z轴方向的进给，Y轴拖板在底座上实现Y轴方向的进给，工作台拖板在Y轴拖板上实现X轴方向的进给，从而对零件实现了X,Y,Z三轴方向的进给加工。X,Y,Z轴的运动均是由交流伺服电动机带动滚珠丝杠副进行驱动，带动各个方向的部件进行运动。当进给部件接收到数控系统的指令后，首先启动交流伺服电机，根据数控指令要求确定工作台的位移、速度等参数。在丝杠尾部装有圆光栅，用以实现闭环控制，提高切削时的定位精度。

2.3 X,Y,Z轴进给系统的整体方案设计

加工中心的进给伺服系统采用交流伺服电机驱动。进给系统采用滚珠丝杠螺母进行传动。采用“双推—支承”丝杠支承方式。X,Y,Z轴分别用独立电机驱动。电机与丝杠联轴器直接联接。联轴器采用波纹管联轴器，。反馈系统采用闭环控制系统 ，因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。