毕业设计(论文)-龙门式可换头五轴加工中心的3D设计.doc
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1、毕 设 论 文提供全套毕业论文图纸,欢迎咨询第一章 概 述第一节 概 述五轴联动数控加工中心是数控机床产品中技术难度极高的产品,这种机床可用于复杂曲面的加工,可进行任意角度的加工,易于实现高速加工,广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车、模具等制造领域,被发达国家列为禁止出口产品。在五轴联动数控加工中心的开发过程中,自动万能铣头是关键技术,目前国内只有很少数几个厂家正在开发和生产自动万能铣头,主要还处于搜集技术资料和研究阶段,而国外一些发达国家中,自动万能铣头已经普遍应用于立式和龙门式数控铣床以及数控加工中心,研究开发五轴加工中心要求具有较高的性能技术指标,不仅要具有多坐标复杂曲面的加工功能,而且
2、还要满足高速度、高刚度和高精度的要求,因此,五轴联动数控加工中心的研究开发是一个难度比较高的项目。目前,我国机床行业正在致力于对这一项目的研究开发,为了尽快研制出五轴联动数控加工中心,本课题采用虚拟制造技术进行开发,在设计阶段实时并行地模拟出加工中心在实际制造过程遇到的问题,预测加工中心的各种性能以及可制造性、可装配性等,根据虚拟设计和仿真分析的结果,不断修改原始设计,将设计结果用于实际产品制造,尽量消除样机的试生产过程,使生产的第一个产品就是最优产品。本课题所研制的国产高性能五轴联动数控加工中心将填补国内空白,在我国制造业领域有着重大的应用价值。我组的毕设论文的题目是龙门式可换头五轴加工中心
3、的3D设计,我承担其中的自动分度镗铣头的三维建模设计及装配运动仿真。在五轴联动数控加工中心中自动万能铣头是核心部件,数控加工中心性能的优劣主要看自动万能铣头的开发是否成功。自动万能铣头结构复杂,功能强,性能要求高,是数控机床产品中的高技术难度产品,同时也是难于加工出来的机械产品,并且能体现一个国家的机械加工业水平,自动万能铣头结构紧凑,加工范围大,但是可利用的设计空间很有限。因此如何在有限的空间里实现机床的动作功能和工作特性,是机床设计研究的关键技术。本课题的数据主要来源于桂林机床股份有限公司XK2316/4-5X五轴联动数控机床,1999年底,北京机械工业学院、北京航天航空大学和桂林机床股份
4、有限公司开始共同开发研制五轴联动数控加工中心,为了使该加工中心有高精度、高速度和高刚度,该项目引进了计算机辅助设计与制造技术(CAD/CAM)、虚拟制造技术(VM)、网络化制造技术(NM)、计算机辅助工程技术(CAE)及产品数据管理技术(PDM)等现代设计和制造技术,本课题是该项目的一部分,即虚拟制造技术在五轴联动数控加工中心开发中的使用,帮助企业以最快的速度、最好的质量和最低的成本完成该项目,赢得市场竞争。五轴联动数控加工中心基本数据:(长度单位:):工作台面积(宽长):16004000工作台纵向行程:4000滑枕行程: 横向:1000;纵向:2500主轴断面到工作台面的距离:最小:95;最
5、大:1095主电机功率:28 机床主轴转速范围(rpm):010000A(B)轴摆角100、C轴转角180、刀库容量40机床体积(长宽高):940043003900工作台最大承受重量:10000第二节 课题的当前技术现状一、虚拟制造的技术现状: 随着计算机技术与信息技术的迅猛发展,经济全球化成为全球经济发展的必然趋势,导致了产品市场竞争国际化,在制造业中,为了能够以更短的产品开发周期(Time)、最优质的产品质量(Quality)、最低廉的制造成本(Cost)和最好的技术支持与售后服务(Service)来赢得市场与客户,加强竞争力,企业就必须提出新的制造体系和模式,使企业的生产活动具有高度的柔
6、性。虚拟制造是90年代在计算机集成制造系统(CIMS)和并行工程(CE)基础上提出来的新技术。虚拟制造技术这一先进的制造技术,它是以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持,在高性能计算机及高速网络中,采用群组协同工作,通过虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题,在虚拟环境下实现产品制造的全过程,包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验,并进行过程管理与控制。综合国内外学者们已有的观点,都认同把虚拟制造分为三类:以设计为中心的虚拟制造(Design-Centered VM)、以生产为中心的虚拟制造(Production-Centered VM)和以控制为
7、中心的虚拟制造(Control-Centered VM)。其中,由于CAD技术的应用和发展,以CAD为基础的以设计为中心的虚拟制造得到了更快、更广泛的应用,同时,也更容易获得实际效果。尽管对虚拟制造技术的研究只有短短的几年,但它对制造业起着革命性的影响,成为制造业领域研究的热点之一。在国外,典型的例子有波音777,其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的,使其开发周期从过去8年时间缩短到5年。近几年,工业发达国家均着力于虚拟制造的研究与应用。在美国,美国国家标准局NIST(National Institute of Standards andTechnology)
8、正在建立虚拟制造环境(称之为国家先进制造实验基地National Advanced Manufacturing Testbed), 波音公司与麦道公司联手建立了机械设计自动化所,在德国, Darmstatt技术大学 Fraunhofer计算机图形研究所,加拿大的Waterloo大学,比利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构,开展虚拟制造技术的研究。在我国,清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作目前我国虚拟制造应用的重点研究方向还是在我国传统工业的基础之上,进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真,主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样
9、机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。随着研究的不断深入和相关技术的发展,在对产品性能具有高科技含量要求的行业中,如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域,虚拟制造必将得到日益广泛的应用。在虚拟制造的应用方面,南京南分成套分析仪器有限责任公司就是典型的“虚拟制造”企业,广东东莞市推出力量虚拟制造协作网(CMC网)用于鞋业的设计与制造。二、五轴加工中心的技术现状:随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,各工业发达国家投入巨资,对现代制造技术进行研究开发,提出了全新的制造模式。高技术、高性能数控机床是发展国民经济和加强国防建设的重要条件,数控机床发
10、展趋势是高精度、高速度、高效率化(精度、速度和效率是机械制造技术的关键性能指标)、柔性化、工艺复合性和多轴化、实时智能化。五轴数控机床和三轴数控加工相比,能够实现更复杂型面工件的加工,得到更好的表面加工质量。随着机床制造技术的发展,五轴机床越来越多的应用于国家重要工业的各个领域。近年来,在国外一些发达国家中,五轴联动已经普遍应用于数控滑枕铣床、数控龙门铣床和数控加工中心,实现四面和五面加工,大大提高了铣床的自动化水平和工艺范围以及工作效率,目前主要有西班牙、意大利、瑞士、德国、法国等国家,在这些国家中自动万能铣头以广泛应用于数控滑枕铣床、数控龙门铣床中,使机床达到五轴以上联动,实现四面及五面加
11、工,由于主轴转速较高,大大提高了机床的自动化水平、加工领域和工作效率,也扩大了机床的加工范围,提高了机床的使用价值。在国内五轴联动数控加工中心的开发中,目前已有厂家开发和生产,但是对于自动万能铣头目前国内还没有厂家开发和生产,主要还处于搜集技术资料和研究阶段。在国内,通过合作生产、引进技术、合资、自主开发,数控机床取得了可喜的进步.普及型数控机床基本满足国内需要。但是,对于汽车工业、航天航空工业、船舶工业、兵器工业急需的高速、高精、复合、多轴联动的数控机床,如五轴联动的立卧转换加工中心,高速加工中心,精密加工中心,五轴龙门加工中心,高精度数控机床,高性能车削中心,高精度电加工机床等等,有的处于
12、攻关阶段,有的正处于试制和试生产阶段,与国外同类产品相比尚有不小差距。高性能数控机床是发展我国国民经济和加强国防建设的重要条件,国际上发达国家常把它作为战略物资实行出口许可证制度,对社会主义国家实行禁运,限制其国防军事工业发展、高技术发展和综合国力的提高。近年来,高速铣及高速加工中心;五面体龙门加工中心及龙门仿型加工中心成为两大进口热点,反映了面临入世的中国机床市场需求结构升级。五轴加工中心可实现多轴结构,可用于更复杂曲面的加工,工业用途范围大,使用灵活,易于实现高速,是一些产品加工必须使用的机床设备,也是数控机床产品中的高技术难度产品。国内机床行业一直在寻求开发这种结构的加工中心。研究开发五
13、轴加工中心要求具有较高的性能技术指标,接近国际先进水平。机床不仅要具有多坐标复杂曲面的加工功能,而且还有高速度、高刚度和高精度的要求。因此,机床的研究开发是一个难度很大的任务。第二章 技术基础第一节 虚拟制造技术为了适应变化迅速的市场需求,为了提高竞争力,现代的制造企业必须解决TQCS难题,即以最快的上市速度(T-Time to Market),最好的质量(Q-Quality),最低的成本(C-Cost),最优的服务(S-Service)来满足不同顾客的需求。80年代初,先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS,Computer Integrated Manufacturin
14、g System)开始得到实施;80年代末,以过程集成为核心的并行工程(CE,Cocurrent Engineering)技术进一步提高了制造水平;进入90年代,先进制造技术进一步向更高水平发展,出现了虚拟制造(VM,Virtual Manufacturing)、精益生产(LP,Lean Production)、敏捷制造(AM,Agile Manufacturing)、虚拟企业(VE,Virtual Enterprise)等新概念。在这些诸多新概念中,“虚拟制造”引起了人们的广泛关注,不仅在科技界,而且在企业界,成为研究的热点 之一。原因在于,尽管虚拟制造的出现只有短短的几年时间,但它对制造业
15、的革命性的影响却很快地显示了出 来,已经出现了许多成功的应用范例。二十多年来的实践证明,将信息技术应用于制造业,进行传统制造业的改造,是现代制造业发展的必由之路。由于虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量,也不生产实际产品,而是产品的设计、开发与实现过程在计算机上的本质实现,与实际制造相比较,它具有如下主要特征: 1、高度集成 :产品与制造环境是虚拟模型,在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试,甚至设计人员 或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作,而不依赖于传统的原型样机 的反复修改。因此,应综合运用系统工程、知识工程、并行工程系统仿真和人-机工程等多学科先进技术, 实现
16、信息集成、知识集成、串并行交错工作机制集成和人-机集成。2、支持敏捷制造开发的产品(部件)可存放在计算机里,不但大大节省仓储费用,更能根据用户需求或市场变化 快速改型设计,快速投入批量生产,从而能大幅度压缩新产品的开发时间,提高质量,降低成本;3、分布合作可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作,相互交流,信息共 享,减少大量的文档生成及其传递的时间和误差,从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。因此,虚拟制造从根本上讲就是要利用计算机生产出虚拟产品, 把制造信息引入到整个的设计过程,利用仿真来优化产品设计。以生产为核心的虚拟制造是在生产过程模型中加入仿真技术
17、,以此来评估和优选生产过程,例如组织与重组织技术;以控制为中心的虚拟制造是将仿真加到控制模型和实际处理中,可“无缝”地仿真使得实际生产优化。虚拟制造虽然不是实际的制造,但却实现了实际制造的本质过程,为实际制造提供了一种参照,使实际制造的一次成功率大大增加,同时降低了成本,提高了企业的竞争力。 总之,虚拟制造是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题的技术。它为工程师们提供了从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境,使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地,发展到了全方位预报的新阶段。虚拟制造技术的主要手段是在高性能计算机及高速网络的支持下
18、,采用计算机仿真与虚拟现实技术,采用群组协同工作,在计算机上实现产品制造的本质过程,包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验,并进行过程管理与控制。第二节 自动分度镗铣头对于五轴加工中心的核心部件,即自动万能铣头,目前国内正在研制,在国内对万能铣头的研究最早的是上海交通大学,清华大学,其次是天津大学和北京机械工业学院。对万能铣头的开发较成功的有北京机械工业学院与中捷友谊厂的合作开发及北京机械工业学院与桂林机床股份有限公司的合作开发。尤其是北京机械工业学院应用虚拟仿真技术,与桂林机床股份有限公司合作,成功的完成设计开发,并形成了产品,填补了国内空白。如下图1所示是是北京机械工业学院
19、应用虚拟仿真技术对万能铣头模型进行的三维仿真:图1万能铣头模型的三维仿真研制的铣头按功能可分为实现五面加工的铣头和实现五轴联动的铣头两类,按结构可分为机械式的铣头和电主轴式的铣头两类。采用机械传动铣头时,转速范围在1206000rpm,使用电主轴铣头主轴转速可达10000rpm以上。目前,三个直线运动和两个回转运动均在工作台上实现的五轴加工中心(如图2所示)在国内已经能够自己设计制造,但是,另一种在铣头上具有C轴和A(B)轴回转功能的五轴加工中心(如图3所示)在国内还不能生产。本课题采用在铣头上实现C轴和A(B)轴回转功能来实现五轴联动的机械式铣头,转速范围为12010000rpm,可以满足相
20、当大范围的零件加工,可以进行大切削量的粗加工和精加工。 图2 在工作台上实现回转的五轴加工中心图3 在铣头上实现回转的五轴加工中心如下图4所示是自动万能铣头的原理图,其结构分为两部分,即部分和部分。部分固定在滑枕上,部分通过轴E左端的锥柄和部分的主轴的右端锥孔相联结,可以快速更换。主电机驱动主轴通过齿轮传动,实现主切削旋转运动;控制电机控制整个部分围绕轴线E的旋转运动,另有一驱动铣刀主轴和主轴座部分围绕轴线F旋转,这两个运动的合成实现了五面体加工。主电机转速范围为120-10000rpm,可以满足相当大范围的零件加工,可以进行大切削量的粗加工和精加工。该主轴系统的部分是通用的,可以连接高速电主
21、轴万能铣头或机械传动万能铣头,也可以实现五轴联动曲面加工。图4 数控自动万能铣头的简化结构图第三节 Pro/Engineer软件简介Pro/Engineer软件是美国PTC(Parametric Technology Corporatin参数科技公司)的旗舰产品,它是一套概念性的设计工具,其主要的功能是在于进行参数化的实体设计,它所提供的功能包括实体设计、曲面设计、建立工程图、零件装配、简单的有限元分析、模具设计、电路设计、装配管件设计、加工制造及逆向工程等等。Pro/E功能强大,它目前广泛应用于工业设计、机械设计、辅助制造、数据管理等领域。在迈向机械设计自动化方面,Pro/ENGINEER通
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