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尺寸。[7]

[7] 上海交通大学，沈阳机电学院，华南工学院等.数控机床.上海：上海科学技术出版社，1982（3）

在本课题设计的机床结构中，主轴箱（滑枕）安装在托架上悬挂于立柱的一侧，使得立柱受到一个扭转力矩和一个弯曲力矩；同时滑枕置于托架上实现Z轴直线运动，加工过程中由于悬伸量的改变，滑枕必然产生不同程度的下垂，从而导致工件加工精度降低。所以，滑枕和立柱的结构对机床整机刚度影响比较大，为了提高XH7710型加工中心整机的结构刚度，我们在第五章中利用有限元方法对滑枕悬伸进行了动静态特性分析，为滑枕的结构提出优化和改进方案，提高了滑枕的静动态刚度；另外也对几种不同截面形状的立柱结构进行动力学分析，通过比较选择一种最佳的立柱结构。

2.3 立卧自动转换铣头结构特点分析

在五轴联动数控机床设计过程中，其中最关键的技术就是万能自动镗铣头的设计。万能自动镗铣头在五轴数控机床中是第一关键部件，也是五轴数控机床制造企业市场竞争的焦点之一。在有些国外厂商的产品售价中，万能自动镗铣头占有高达30%的比率，因而国际合作开发难度较大。

万能自动镗铣头可分为万能式镗铣头和摆动式镗铣头。在用于五轴联动时，要求双回转轴(A/B或A/C)都有联动功能。如用于多(或五)面加工，只能采用有级分度的万能式镗铣头，不需要五轴联动(即3+2轴加工方式)。[3]

[3] 我国数控机床技术离世界先进水平有多远？ http://www.e-works.net.cn，2002.7.13

本课题设计的立卧自动转换铣头的功能主要实现五面加工，能够在一次装夹工件的条件下完成多种空间角度的铣、镗、钻等多种工序的加工。图2-5为该加工中心立卧自动转换万能铣头的结构简图。该铣头壳体结构复杂，并且要求高精度和高刚度，另外还包括精密弧齿锥齿轮副，精密细齿鼠牙盘，精密分度夹紧等关键零件，由于铣头内部零部件比较多，并且受空间尺寸及布局的限制，在结构上要实现立卧自动转换和主轴回转等功能，技术难度是相当大的。

图2-5 立卧自动转换铣头结构简图

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XH7710型加工中心立卧自动转换铣头结构特点为：铣头左侧壳体联接在滑枕上，滑枕（主轴箱）上控制电机驱动主轴通过齿轮轴1、齿轮轴2以及刀具主轴上的锥齿轮之间的传动，实现主切削运动。通过液压油缸推动水压盘啮合与松开带动中间壳体和右侧壳体分别夹紧与松开，同时通过齿轮啮合驱动中间壳体和右侧壳体围绕齿轮轴1和齿轮轴2的轴线旋转，这两个运动的合成则实现铣头立卧自动转换，最终实现工件五面体加工。

铣头中间壳体和右侧壳体的夹紧和松开依靠压力油驱动液压油缸来实现，图2-6为液压油路工作原理图，具体工作机理如下所述。

图2-6 铣头液压油路工作原理图

立面夹紧：压力为55bar的高压油从17号孔进入，通过零件351和350，到达17号型腔，在型腔内产生5157kg的夹紧力，推动活塞352向左运动，带动铣头右侧壳体021向左移动，使立面夹紧。

立面放松：高压油从18号孔进入，通过零件351和350，到达18号型腔，在型腔内产生807kg的松开力，使活塞352向右移动，同时带动铣头中间壳体021向右移动，使立面松开。

45度面夹紧：高压油从19号孔进入，通过零件351、350、352、021、366，到达处于铣头中间壳体的19号型腔，在型腔内产生5157kg的夹紧力，使活塞381向左上方运动，带动铣头右侧壳体020一起向左上方移动，使45度面夹紧。

45度面松开及松刀：高压油从20号孔进入，通过零件351、350、352、021，到达处于铣头中间壳体的20号型腔，在型腔内产生807kg的松开力，使活塞381向右下方运动，带动铣头右侧壳体020一起向左下方移动，是45度面松开。由于中间体的20号型腔和主轴体上部的20号型腔是相连的，此时在主轴体上的20号型腔最大产生1495kg的松刀力，而碟形弹簧的拉刀力为1500kg，活塞363不能推动松刀弹簧，只能使活塞363下移4～5mm的空行程，刀柄并不能松开，铣刀安全。当高压油的压力增加到85bar时，在主轴体的20

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号型腔内产生的松刀力为2315kg，大于蝶形弹簧的拉刀力1500kg，此时刀具将松落。由于85bar的高压油产生的松开力为1677kg小于45度面的夹紧力5157kg,所以45度面松不开，仍处于夹紧状态。

冷却液通道：冷却液从81号孔进入，通过零件351、350、352、021、366、380到达铣头右侧壳体020的冷却液铜管。

吹气通道：压缩空气从21号孔进入，通过零件351、350、352、021、366、381、020、364、362、363，从主轴内孔吹出，以吹掉加工时产生的切屑。

排气通道：气孔53，中间壳体上的53腔和右侧主轴壳体上的53腔都是相同的，保证了以上两个壳体不会是死腔，同时在主轴头部的53腔内产生一个0.5bar的气帘，以阻挡灰尘进入轴承。

2.4 加工中心的虚拟动态优化设计方法

现代数控加工中心日益向高速度、高刚度和高精度（工件加工精度）的方向发展，其机构日趋复杂，对其工作性能要求也越来越高，不仅要具有高速度、高刚度和高精度的要求，而且还要有多坐标复杂曲面的加工功能。为了使XH7710型立卧自动转换加工中心的设计满足这样的技术要求，我们采用了以设计为中心的虚拟制造技术为理论依据，以机床动态优化设计方法为主的设计思想设计开发该加工中心。

根据XH7710型立卧自动转换加工中心的结构特点分析，在本论文中，以设计为中心的的虚拟制造技术是在设计阶段为工程师提供产品的虚拟设计工具和环境，它主要集中在机床二维图纸的设计以及以此为基础的三维模型设计，通过产品虚拟建模和虚拟装配仿真来优化产品的设计方案，及时发现产品设计潜在的装配干涉、装配顺序以及装配工艺等问题，评估产品设计方案。

在本论文另一部分中，机床动态优化设计方法与虚拟设计理论是相互结合的，它是在虚拟设计的基础上，依据一定的准则简化机床虚拟模型，建立机床有限元分析模型，在计算机虚拟环境中对机床部件进行动力学分析，实现动态优化设计。

对于加工中心这样复杂的机械设备来说，要实现整机设计参数的真正优化是很困难的，因此，一般采用主要部件优化实现整机的集成优化。对主要结构部件的优化往往采用对多种结构方案的比较优越进行。但是应该注意的是，对各优化结构进行优选集成整机时，应考虑各个部件的前几阶模态频率的分离，如果各个主要部件之间的模态频率相同或者相近，整机结构的激励频率与部件模态频率也相近时，那么就会导致整机受到激励时结构振动幅值会成倍增加。为此，必须选择相互之间模态频率分离的主要装配部件作为整机集成的优选部件，以使整机结构的动态特性得到提高。根据模态频率分离原则，通过对部件结构的反复设计和修改，找出最佳的机床部件组合，从而实现加工中心的动态优化设计。

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第三章 XH7710型立卧自动转换加工中心虚拟建模及装配仿真

3.1 XH7710型立卧自动转换加工中心虚拟建模

3.1.1 虚拟建模技术理论

虚拟制造技术是借助计算机技术在多维信息环境中利用数字化模型代替实物模型完成产品的设计、修改、制造、装配、测试和使用，在实际产品生产出来之前预测产品的性能，提高产品一次性开发的成功率。因此建立产品数字化模型是虚拟制造技术的首要内容，它将直接影响产品性能的评估水平，虚拟制造技术要求产品的数字化模型能够提供几何模型、运动学分析模型、动力学模型、CAE模型、装配模型、工艺模型等等，直到最后的加工模型。其中几何模型是所有模型的关键，通过在几何模型上添加其它信息就可以得到相应的分析模型。

目前，产品虚拟建模方法比较多，本课题利用美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC公司）开发的Pro/ENGINEER软件平台，采用目前应用最为广泛的建模技术——基于特征的参数化建模技术建立加工中心的虚拟模型。

基于特征的参数化建模技术是从产品整个生命周期各个阶段的不同需求来描述产品，完成全面地描述产品信息使得各应用系统可以直接从零件模型中抽取所需信息。

特征是组成零件实体模型的基本元素，它是具有属性，与设计、制造活动相关并包含工程意义的基本几何实体或信息的集合。特征应该满足三个条件：（1）特征是包含几何形状、精度、材料等与设计活动和制造方法有关的属性的几何实体；（2）特征是参数化的几何实体，修改特征参数，可以用有限的特征构建出无限个零部件实体模型；（3）特征是特征设计和特征识别的桥梁，能够体现产品的功能和工程含义，反映设计和制造的意图。

在基于特征的参数化建模技术中，特征主要包括几何特征和辅助特征。几何特征是创建特征的主要部分，它是描述零件几何形状、尺寸相关的信息集合。辅助特征是进行基于特征的参数化建模设计的辅助工具，并不是实体模型的组成部分。还有其它一些特征如材料特征和精度特征，主要用于描述零件材料信息以及零件各要素的尺寸公差、形状公差、位置公差等精度信息。图3-1描述了产品虚拟建模技术中特征的分类。[8]

[8] 高航，陆颖.虚拟设计中基于特征的零件实体建模技术研究.计算机辅助设计与制造，2001，9

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