高速五轴开放式实验加工装置的机械结构研发

摘要

随着全球装备制造业的快速发展，市场对高精度、高效率的先进机床的需求量越来越大，而高速五轴数控机床又是先进机床的典型代表之一。高速五轴数控机床在结构设计以及进给驱动方面需要解决一系列关键技术问题。目前，机床驱动主要以旋转电机—滚珠丝杠为主，而这种驱动存在着联轴器和变速装置等中间环节，难以实现高速、高加速度运动。现阶段高速超精密机床多数由X、Y轴直线电机和Z轴旋转伺服电机构成， Z轴也采用直线电机驱动的却很少。直线电机驱动具备响应敏捷、轴加速度大、精度高等优点。Z轴采用直线电机可以提高Z向的运动速度，对实现高速切削至关重要，同时提高了生产效率，所带来的经济效益也很可观。 本文对高速五轴开放式实验加工装置进行技术攻关，提出了总体的机床结构设计方案，对高速运动驱动装置提出了多直线电机驱动的总体运动方案，打破了单一加工模式，并利用开放式硬件和软件系统，实现了加工与测量的多功能一体化，解决了高速下振动引起的结构不稳定以及硬软件系统兼容性问题。本文通过对加工装置机械结构的研发为高精密加工机床制造提出一些构想。 本文综合对比国际同类设备参数并结合市场需求，考虑本加工装置的整体刚性、性能、制造成本等因素，提出以大理石为基本构架的龙门式结构总体布局方案。通过滚动直线导轨副、反馈光栅以及氮气平衡缸配重来实现多直线电机驱动，其优点是动态响应性能敏捷、精度高。通过多端口传感器接口更换不同传感器以及开放式数控系统实现硬软件开放，以达到兼容性好的优势。横梁立柱床身均采用致密性好、稳定性好的大理石材料，其目的是有效避免共振，使机床整体结构稳定，刚性增强。本文通过对本加工装置进给系统的理论分析，计算校核三向直线电机初次级部件型号及数量。通过分析主轴形式并确定主传动系统主要参数，确定主传动功率对电主轴进行计算选型。对加工装置各部件原理分析并利用UG软件完成了主体结构、进给系统、电主轴、数控转台、外观造型的模型设计。最后，对横梁整体结构、滑板、床身、支承柱等关键部件进行ANSYS有限元分析，保证各部件的合理性，以及加工装置的稳定性。 目前，本实验加工装置的整体构架已经初步完成，经过静、动态有限元分析其结构满足设计的各种性能的要求。

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