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沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
摘 要
介紹了一種銑頭可自動交換的橋式高速龍門五軸加工中心的總體設(shè)計(jì)方案，對現(xiàn)在國內(nèi)外存在的功能相似的機(jī)床的性能指標(biāo)一一作出對比，其中，主要描述了機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)、性能和主要零部件的設(shè)計(jì)和選擇，對三個(gè)直線軸驅(qū)動的方法、兩個(gè)擺動軸驅(qū)動方法和數(shù)控操作系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)選擇逐一作出分析和討論，其中主要展示了強(qiáng)推力直線電機(jī)的使用和雙擺銑頭自動交換技術(shù)的使用；為強(qiáng)推力直線電機(jī)的使用以及快速龍門機(jī)床的設(shè)計(jì)研究給出了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本發(fā)明提供一種大型龍門五軸加工中心，包括工作臺、左橋梁、右橋梁以及在左右橫梁上移動的橫梁，其X，Y向采用直線電機(jī)直接驅(qū)動，滑板內(nèi)部放置平衡油缸。Z向雙電機(jī)重心驅(qū)動滑枕。自制AC雙擺頭，根據(jù)加工需求實(shí)現(xiàn)A軸可自動交換。兩橋梁分置兩套刀庫，容納32把刀具。頭庫放置在工作臺后面，可方便的實(shí)現(xiàn)A軸擺頭的自動交換。系統(tǒng)懸掛安裝在機(jī)床前方右橋梁上。本發(fā)明使用直線電機(jī)驅(qū)動，運(yùn)行平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，適用于航空，航天，汽車等模具的精密加工
關(guān)鍵詞：龍門五軸加工中心；銑頭；自動交換；直線電機(jī)；高速加工
Abstract
An overall design proposal for High -Speed Gantry -Type 5 -Axis Machining Center with milling head exchangeable is introduced and a detailed comparison in performance is made with the similar existing machine at home and abroad, in which mechanical structure，characteristics as well as designing and choosing of key components are expounded.And further analysis and discussion are made in the drive type of three liner axis，two rotary axis as well as the designing and choosing of CNC operating system.Especially the application of high thrust linear motor and automatic -exchangeable technology of double rotary milling head are focused on, which provides important theoretical basis and practical experience for the application of high thrust linear motor，design and research of high-speed gantry-type machine.The present invention provides a large gantry five axis machining center, including the workbench, Bridges, bridge right and left in the beam and around the X, Y to adopt linear motor direct drive, skateboard internal placed balance cylinder. Z focus to the two motor drives the ram. Homemade AC double pendulum head, according to the processing requirements to achieve A shaft can be automatic switching. Two sets of knife library, two Bridges division to hold 32 knife. Head library placed behind the workbench, easy to the realization of A shaft head automatic switching. Suspension system is installed on the machine right in front of the bridge. The present invention USES linear motor drive, smooth operation, stable performance and is suitable for the aviation, aerospace, automobile mold and precision machining
Keywords: Gantry-type5-axismachiningcenter；High-speed machining
目 錄
摘 要 I
Abstract II
緒 論 1
1銑頭自動交換技術(shù)簡介 1
1.1 本課題主要工作 2
2 銑頭自動交換原理 3
2.1 銑頭自動交換高速龍門加工中心簡介 3
2.2 A軸自動交換原理 5
3 銑頭自動交換系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6
3.1 電、液、氣快換 6
3.2 定位夾緊及扭矩傳遞 7
3.3 自鎖拉釘?shù)倪x用 8
3.3.1 拉釘工作原理 9
3.3.2 拉釘自鎖條件 10
3.4 A軸編碼器選用 12
3.4.1 基于西門子840D系統(tǒng)編碼器類型選擇及參數(shù)設(shè)置 12
3.4.2 基于海徳漢iTNC530系統(tǒng)編碼器類型選擇及參數(shù)設(shè)置 14
3.5 交換狀態(tài)監(jiān)控 15
3.5.1 流量計(jì)簡介 16
3.5.2 監(jiān)控原理 17
4 機(jī)床的總體方案設(shè)計(jì) 18
4.1 機(jī)床總體機(jī)械結(jié)構(gòu)布局形式 18
4.2 機(jī)床設(shè)計(jì)及分析方法 18
5 機(jī)床的主要性能指標(biāo)及對比 19
6 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及選擇 21
6.1 直線軸進(jìn)給驅(qū)動的設(shè)計(jì)及選擇 21
6.1.1 X、Y 軸驅(qū)動的設(shè)計(jì)及選型 21
6.1.2 Z 軸驅(qū)動的設(shè)計(jì)及選型 21
6.2 擺動軸驅(qū)動的設(shè)計(jì)及選擇 21
結(jié)論 23
致謝 24
參考文獻(xiàn) 25
IV
沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
緒 論
GMC2550u快速龍門的五軸加工中心主要使用于汽車產(chǎn)業(yè)的工業(yè)中模具生產(chǎn)和航天航空產(chǎn)業(yè)的復(fù)雜零件生產(chǎn)，是航天、航空、模具制造，機(jī)動車制造業(yè)等產(chǎn)業(yè)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要加工設(shè)備。其中研究的數(shù)控機(jī)床的重點(diǎn)針對生產(chǎn)加工難度相對較大的航天透明體模具設(shè)計(jì)的，此機(jī)床可以滿足對透明體注射成形模具粗加工、精加工的要求，確保加工準(zhǔn)確度和加工表面高質(zhì)量的技術(shù)要求。
1銑頭自動交換技術(shù)簡介
參考論文“雙擺頭自動交換技術(shù)研究”、“高速精密五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究”、“自動交換主軸銑頭的三高數(shù)控加工機(jī)床”、“國外龍門加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及先進(jìn)性能”五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心與五面加工中心常常被混淆，但事實(shí)上它們卻是截然不同的東西，這倆個(gè)加工中心都是能在一次裝夾后完成除裝夾面之外；另外那些面的加工內(nèi)容，但對于五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心，準(zhǔn)確的說應(yīng)該稱它為五坐標(biāo)坐標(biāo)數(shù)控加工中心，機(jī)床的五個(gè)坐標(biāo)軸能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動，然后就可以滿足空間中的曲面和任何輪廓的加工，可以讓工件在一次裝夾后加工工序大量的完成，確保零件的精確度；此外，加工工藝的快速發(fā)展，航空領(lǐng)域的加工工藝要求的特別嚴(yán)謹(jǐn)，如航天航空領(lǐng)域所說的“薄壁掏空”工藝，其中針對五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心提出多軸聯(lián)動的同時(shí)，機(jī)床軸的高轉(zhuǎn)速也是要求之一，所以在五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心上還采用了例如高速主軸、高速控制系統(tǒng)、先進(jìn)刀具技術(shù)等，使其成為一種多方面高技術(shù)集成的產(chǎn)品。
雙擺頭為五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心的主要功能部件，此應(yīng)用能夠滿足復(fù)雜曲面、復(fù)雜型腔及特殊工序的加工，使工件在每一次裝卡后，能夠完成所以工序或大部分工序，大大地提升了加工效率和準(zhǔn)確度，并擁有可自動交換功能的雙擺頭，從而使從粗到細(xì)的加工能夠在一臺機(jī)床上完成，發(fā)展了機(jī)床的應(yīng)用范圍，提高了機(jī)床的效率和提高了機(jī)床的使用價(jià)值。龍門加工中心銑頭自動交換技術(shù)存在機(jī)電液耦合技術(shù)、交換狀態(tài)監(jiān)測、銑頭夾緊牢靠性低等技術(shù)難題。針對這些難題采用電、液、氣快插快換結(jié)構(gòu)、液壓夾緊自鎖機(jī)構(gòu)、液壓流量監(jiān)測諸多的解決方案，實(shí)現(xiàn)銑頭自動交換的可靠性與安全性。
圖1.1 雙擺頭示意圖
1.1本課題主要工作
本課題主要對雙擺頭自動交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括交換結(jié)合處的機(jī)電液耦合及快插快換、交換過程中的自鎖拉釘選用、交換狀態(tài)液壓流量監(jiān)控等均進(jìn)行了相關(guān)研究及應(yīng)用。最終設(shè)計(jì)了安全可靠的雙擺頭自動交換系統(tǒng)，并取得了良好的應(yīng)用效果。
2 銑頭自動交換原理
2.1銑頭自動交換高速龍門加工中心簡介
該設(shè)備滿足于航空和汽車工業(yè)中的模具制造、原型制造、大型鋼模和鑄鐵模具的制造以及航空航天工業(yè)中的復(fù)雜零件加工，是航空、航天、模具和機(jī)車等高科技領(lǐng)域的關(guān)鍵加工裝備。其主要工作性能指標(biāo)如下：
1、工作臺面：5000×2500mm
2、X/Y/Z行程：5000×2500×1400mm，A/C軸轉(zhuǎn)角范圍：±110°/±360°
3、A/C軸雙擺銑頭：主軸可自動交換
4、主軸轉(zhuǎn)速：高速主軸24000rpm，低速主軸9000rpm
5、主軸扭矩：72Nm（高速），303 Nm（低速）
6、X/Y/Z定位精度：0.018/0.018/0.013mm，A/C軸定位精度：10”
7、X/Y/Z重復(fù)定位精度：0.009/0.009/0.007mm，A/C軸重復(fù)定位精度：5”
8、X/Y/Z快進(jìn)速度：50/50/30m/min，A/C軸快進(jìn)速度：60r/min
9、系統(tǒng)：SIEMENS 840D/HEIDEHAIN ITNC530
機(jī)床整體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，圖中第7部分即為可自動交換A軸及主軸的A/C軸雙擺頭，第8部分為供交換過程中用于放置主軸頭的頭庫裝置。
圖2.1 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)示意圖
序號
說明
1
工作臺
2
左橋梁
3
右橋梁
4
橫梁
5
滑板
6
滑枕
7
AC雙擺頭
8
頭庫
9
左刀庫
10
右刀庫
2.2 A軸自動交換原理
A /C 軸雙擺角銑頭是中、大規(guī)格五軸聯(lián)動加工中心的核心功能部件，常用于加工具有復(fù)雜曲面的大型精密零部件。為了有效保證待加工工件的加工精度，避免因二次裝夾等因素引起的加工誤差，通常需要在一臺加工中心上完成從粗加工到精加工的全部工序，即現(xiàn)在的機(jī)床設(shè)計(jì)中倡導(dǎo)的“Done in one 理念”，這樣的加工背景需要A /C 軸雙擺角銑頭應(yīng)當(dāng)具有A 軸自動交換功能。如圖2.2所示，A /C 軸自動交換接口包括16 對液壓快接插頭、4 對電氣快接插頭、4 對拉釘、2 個(gè)定位銷以及1 對齒盤，一共5 種對接元件。在A 軸自動交換時(shí)，必須遵循這樣一套原理: C 軸首先將欲換下的A 軸放到銑頭庫的相應(yīng)位置上并松開，然后滑枕帶動C 軸上移并移動到即將換取的A 軸正上方，此時(shí)，必須保證C軸與A 軸所有的對接元件在對接之前的位置一一對應(yīng)，不允許有錯(cuò)位的現(xiàn)象發(fā)生，否則會損壞對接元件;在定位準(zhǔn)確之后，滑枕帶動C 軸緩慢下移開始抓取A軸，在抓取A 軸時(shí)，C 軸與A 軸交換接口中對接行程長的元件先對接，對接行程短的元件后對接; 當(dāng)C 軸完成抓取A 軸時(shí)，所有的對接元件同時(shí)完成對接。C 軸完成抓取A 軸后，滑枕帶動雙擺角銑頭上移脫離銑頭庫，此時(shí)，完成了A 軸自動交換的全部過程。
圖2 .2A/C軸雙擺頭自動交換接口
3 銑頭自動交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1電、液、氣快換
一般直驅(qū)式雙擺頭A軸部分包括驅(qū)動A軸的力矩電機(jī)、A軸抱閘、電主軸、軸承等。這些全部的各個(gè)部件的水、油、氣、電都要滿足是能夠通斷的。所以就必須考慮水、油、氣、電等等這些的快換接頭的應(yīng)用和安裝問題。
A軸頂面一般放置水、油、氣的快換接頭，可以滿足A軸部分的冷卻、潤滑、密封、夾緊要求。水、油、氣的通用必須采用同一系列的快換接頭，同時(shí)在快換接頭的安裝要求上維持一致，利于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)氣壓、流量等等各個(gè)方面能夠滿足水、油、氣的要求。設(shè)計(jì)開始的時(shí)候應(yīng)該思考到雖然一個(gè)快換接頭的安裝公差的要求不是特別嚴(yán)苛，但十多個(gè)頭一起相結(jié)合的時(shí)候與A軸交換，所以要逐個(gè)嚴(yán)格要求每一個(gè)快換接頭的公差來符合整體的結(jié)構(gòu)要求，保證在A軸交換時(shí)快換接頭能順利結(jié)合。
強(qiáng)、弱電在A軸部分也必須通過快換接頭來斷開與接通。A軸的頂部必須采用電快換插頭，這樣的設(shè)計(jì)能夠防止其他一些液體、雜質(zhì)污染電快換插頭引起事故。要求電的快換接頭擁有可靠穩(wěn)定的接觸、優(yōu)秀的抗震動性能、低插拔力、高插拔次數(shù)，同時(shí)擁有不同規(guī)格型號滿足強(qiáng)電弱電的不同要求?，F(xiàn)在市場上擺頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒有專門的電快換接頭，此安裝存在相對的問題。此次設(shè)計(jì)采應(yīng)歐度的重載連接器作為電快換接頭并設(shè)計(jì)如圖1的結(jié)構(gòu)來解決安裝問題。按照電快換接頭本身結(jié)構(gòu)上有一個(gè)法蘭面，設(shè)計(jì)應(yīng)用螺釘來擰緊兩個(gè)兩板焊件夾住快換接頭，固定軸向位置，同時(shí)利用開槽平端緊定螺釘來固定快換接頭的轉(zhuǎn)動。在兩鈑焊件之間放置尼龍軟性材料調(diào)整快換接頭高度和防止安裝調(diào)試時(shí)擰緊螺釘力量過大損壞快換接頭。
A軸部分的快換接頭在A軸放置的時(shí)候有可能被污染，所以在C軸與A軸結(jié)合的同時(shí)最好有氣體來清潔結(jié)合面。
圖3.1電快換接頭安裝示意圖
1- 鈑金件 2-尼龍墊片 3-鈑金件 4-快換接頭 5-槽平端緊定螺釘
3.2定位夾緊及扭矩傳遞
定位夾緊技術(shù)，扭矩傳遞需要幾個(gè)部件來共同完成這一過程，這包括粗定位銷、拉釘、端齒盤等。
在A軸的互換過程中來粗定位滿足水、油、氣、電的快換接頭可以結(jié)合是粗定位銷的作用。采用C軸的孔與粗定位銷的配合確保這一過程，但是此C軸的孔和粗定位銷的配合尺寸公差需高于水、油、氣、電快換接頭結(jié)合的公差要求。然后需要拉釘?shù)睦o，拉抓不但要提供足夠的拉力而且拉緊后還需要自鎖，確保斷電等意外情況發(fā)生時(shí)A軸不會意外掉落。在拉釘拉緊時(shí)端齒盤開始相結(jié)合。由于端齒盤的自動定心作用和高重復(fù)準(zhǔn)確度的特點(diǎn)，在使得C軸與A軸同心在拉釘拉緊時(shí)得到確保。
圖3.2雙擺頭A軸部分結(jié)構(gòu)
1-粗定位銷 2-支承軸 3-雙擺頭A軸上部 4-雙擺頭A軸下部
圖3.3雙擺頭A軸部分上部結(jié)構(gòu)
1-拉釘 2-水、油、氣快換接頭 3-電器快換接頭 4-端齒盤
3.3自鎖拉釘?shù)倪x用
在交換過程中選用Hydrodock拉釘進(jìn)行銑頭的鎖緊，Hydrodock拉釘擁有一定的可靠性的自鎖特點(diǎn),在拉緊銑頭時(shí)由于拉釘自鎖可以擁有非常高的安全性, 而且銑頭的松緊進(jìn)行自動化控制能有依靠控制壓力油進(jìn)行，已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)的銑頭手動交換過程中的動作繁瑣、重復(fù)定位精度差以及效率低下的缺點(diǎn)。
圖3.3 Hydrodock拉釘
3.3.1拉釘工作原理
拉釘包括2種工作狀態(tài)：松開狀態(tài)與拉緊狀態(tài)。當(dāng)拉釘呈松開狀態(tài)時(shí),表示機(jī)床滑枕已經(jīng)松開下方的銑頭。此時(shí)，可以在銑頭庫中自動交換新的銑頭。當(dāng)拉釘呈拉緊狀態(tài)時(shí)，表示機(jī)床滑枕已經(jīng)交換完成新的銑頭，可以立刻進(jìn)行下一步的工件切削工序。
圖3.3拉釘內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
1、松開狀態(tài)
壓力油從拉釘?shù)撞克砷_進(jìn)油口進(jìn)入后，油腔內(nèi)的油推動活塞進(jìn)行向左的運(yùn)動，當(dāng)活塞的根部的凹槽與拉釘?shù)捻敳恳约盎钊捻敳颗c拉釘?shù)闹行目椎牡撞客粫r(shí)間接觸后，推動拉釘、自鎖塊共同向左運(yùn)動，當(dāng)整體向左運(yùn)動到自鎖塊與拉釘殼體的斜面緊密貼合后，整個(gè)機(jī)構(gòu)向左自鎖，該動作稱為松開狀態(tài)正行程。由于活塞可以向右運(yùn)動，因此，松開狀態(tài)反行程不自鎖。在松開狀態(tài)正行程動作過程中，拉爪在拉釘摩擦力的帶動下會向左滑動，為防止拉爪從拉釘上脫落， 在拉釘殼體內(nèi)壁上安裝有擋圈，可以通過擋住拉爪根部的法蘭從而限制拉爪向左的移動。
2、拉緊狀態(tài)
當(dāng)油從拉釘拉緊進(jìn)油口進(jìn)入后， 活塞在油的力的作用下向右運(yùn)動，自鎖塊與拉釘通過活塞帶動著的斜面一同向右運(yùn)動，向右運(yùn)動一段路程，拉釘左側(cè)凸起部位推動拉爪共同向右運(yùn)動，當(dāng)拉爪勾住左側(cè)的拉釘端蓋后，整個(gè)機(jī)構(gòu)停止向右運(yùn)動。該動作稱為拉緊狀態(tài)正行程，正行程不發(fā)生自鎖現(xiàn)象。正行程結(jié)束后，機(jī)床滑枕完成了自動交換銑頭的拉緊動作。在拉緊狀態(tài)反行程過程中，只有一個(gè)移動副，而自鎖塊處于拉釘端蓋與活塞兩個(gè)斜面之間，兩兩互相貼合，緊密相連，向左完全自鎖。所以，整個(gè)拉釘機(jī)構(gòu)在拉緊狀態(tài)反行程自鎖，自鎖的特殊性很大程度上增加了銑頭自動拉緊的安全性。
3.3.2拉釘自鎖條件
拉釘松開狀態(tài)正行程與拉緊狀態(tài)反行程均自鎖。下面通過機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率理論來分別求解松開狀態(tài)正行程與拉緊狀態(tài)反行程的自鎖條件。
松開狀態(tài)正行程自鎖條件
如圖所示，在松開狀態(tài)正行程時(shí)，自鎖塊的驅(qū)動力就是油壓的推力。同時(shí)，自鎖塊受拉釘殼體的反作用力以及拉釘?shù)姆醋饔昧?，自鎖塊在力的作用下呈自鎖狀態(tài)。
圖3.3松開正行程自鎖狀態(tài)局部受力圖
如圖所示，可推出：
其中油壓的推力與拉釘殼體對自鎖塊的反作用力；拉釘對自鎖塊的反作用力；為拉釘殼體與自鎖塊之間的摩擦角；自鎖塊與拉釘之間的摩擦角；為拉釘殼體斜面與水平線之間的夾角；拉釘斜面與水平線之間的夾角。
可進(jìn)一步得：
當(dāng)不計(jì)算自鎖塊與拉釘、拉釘殼體之間的摩擦力時(shí)，
此時(shí)，松開狀態(tài)正行程的機(jī)械效率為：
若松開狀態(tài)正行程自鎖, 即，則松開狀態(tài)正行程的自鎖條件為：
拉緊狀態(tài)反行程自鎖條件
此圖顯示，當(dāng)拉緊狀態(tài)反行程時(shí)，自鎖塊的驅(qū)動力為銑頭的拉力，此時(shí)，自鎖塊分別受到拉釘與拉釘殼體對其的反作用力，自鎖塊在每個(gè)方向力的作用下顯示自鎖狀態(tài)。
圖3.3拉緊狀態(tài)反行程自鎖局部受力圖
此圖顯示，同樣用自鎖塊作為研究的對象，此時(shí)可由正弦定理推出可得拉緊狀態(tài)反行程的機(jī)械效率為：
式中銑頭的拉力為，拉釘斜面與水平線之間的夾角為。
若拉緊狀態(tài)反行程自鎖, 即，則拉緊狀態(tài)反才了程的自鎖條件為
通過對研究拉釘工作原理，研究了拉釘松開狀態(tài)正行程和反行程與拉緊狀態(tài)正行程和反行程的工作過程。分別計(jì)算松開狀態(tài)正行程和拉緊狀態(tài)反行程機(jī)械效率，最后求出松開狀態(tài)正行程和拉緊狀態(tài)反行程自鎖條件。
3.4A軸編碼器選用
因?yàn)樵谧詣咏粨Q雙擺銑頭時(shí)，需要同時(shí)更換擺頭中相應(yīng)軸(如本文范例機(jī)床中的主軸與A軸)的電機(jī)與編碼器，在對數(shù)控系統(tǒng)的類型不同的情況下，同時(shí)互換編碼器與電機(jī)時(shí)，對編碼器類型的采用是有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)要求的，數(shù)控系統(tǒng)的類型不同對于編碼器的類型也不相同，有一些組合是能夠?qū)崿F(xiàn)自動交換雙擺銑頭，但是有一些組合是沒有辦法實(shí)現(xiàn)自動交換的。
3.4.1基于西門子840D系統(tǒng)編碼器類型選擇及參數(shù)設(shè)置
第一，應(yīng)該注意的問題是，在自動交換雙擺銑頭的過程中，要同一時(shí)間交換編碼器和交換電器，對于電機(jī)來說的話，相同類型的電機(jī)間能行進(jìn)交換，就是同步電機(jī)與同步電機(jī)之間互相交換，異步電機(jī)與異步電機(jī)互相交換，同步電機(jī)與異步電機(jī)是無法進(jìn)行交換的。
其次，對于實(shí)現(xiàn)自動交換雙擺銑頭，必須重新激活并應(yīng)用“新更換機(jī)床軸”相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，為了達(dá)到此目的，西門子系統(tǒng)準(zhǔn)備了4組電機(jī)參數(shù)，分別對應(yīng)的存儲在1000，2000，3000，4000系列范圍的參數(shù)中，PLC通過改變“驅(qū)動控制字”中的電機(jī)位(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4)，發(fā)出準(zhǔn)備交換電機(jī)的請求，并同時(shí)選擇并激活了對應(yīng)的上述4組電機(jī)參數(shù)。
在參數(shù)設(shè)置方面，有一個(gè)重要的參數(shù)MD1013(ENABLE_STAR_DELTA)，該參數(shù)是控制電機(jī)交換使能及電機(jī)交換類型的，當(dāng)參數(shù)MD1013=0時(shí)，系統(tǒng)電機(jī)交換功能關(guān)閉，當(dāng)參數(shù)MD1013=1時(shí)，系統(tǒng)可最多可交換4組電機(jī)與編碼器，并且每組電機(jī)都擁有自己的相應(yīng)參數(shù)設(shè)置。
下面用交換雙擺銑頭的電主軸和A軸為例，介紹西門子840D 系統(tǒng)選擇編碼器的技術(shù)原則及原因，交換過程中需要通過以下步驟與狀態(tài)(擺頭1是當(dāng)前激活并工作的，現(xiàn)將擺頭1交換為擺頭2)：
圖3.4 交換雙擺銑頭示意圖
1、把雙擺頭準(zhǔn)確定位到擺頭1庫中的還擺頭位置，準(zhǔn)備把擺頭1還回庫中，此時(shí)A=0,C=0,如上圖1所示：
2、PLC通過改變“驅(qū)動控制字”中的電機(jī)位，發(fā)出準(zhǔn)備交換電機(jī)的請求(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4)
3、驅(qū)動控制器將“驅(qū)動狀態(tài)字”設(shè)置成“交換激活”的狀態(tài)，并取消主軸1及A軸的“脈沖使能”
4、驅(qū)動控制器通過“PLC狀態(tài)字”的“脈沖使能位”來通知PLC主軸1及A軸的“脈沖使能”已經(jīng)取消(DB3x.DBX93.7)
5、控制器來開啟主軸2及A軸相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置
6、控制器通過電機(jī)位來通知PLC主軸及A軸已經(jīng)生效
7、PLC通過840D申請“parking軸”生效
DB3x.DBX1.5/ DB3x.DBX1.5=0
DB3x.DBX2.1=0
8、840D通過“驅(qū)動控制字”申請“parking軸”生效
9、驅(qū)動控制器通過“驅(qū)動狀態(tài)字”通知PLC“parking軸”已經(jīng)生效
($VA_POSCTRL_MODE[Axis]=3 : “parking軸”生效)
10、PLC斷掉主軸連接，PLC等候自動交換雙擺銑頭執(zhí)行命令過程，如圖3.4所示：
圖3.4交換雙擺銑頭示意圖
11、PLC連接主軸2及A軸的電壓供給及編碼器等，如圖3.4所示：
圖3.4交換雙擺銑頭示意圖
12、PLC通過840D終止“parking軸”
DB3x.DBX1.5/ DB3x.DBX1.5=1
DB3x.DBX2.1=1
13、840D通過“驅(qū)動控制字”終止“parking軸”
14、驅(qū)動控制器通過“驅(qū)動狀態(tài)字”通知PLC“parking軸”已經(jīng)終止
($VA_POSCTRL_MODE[Axis])
15、PLC通過“PLC控制字”(DB3x.DBX21.5)通知驅(qū)動控制器“電機(jī)交換完成”
16、驅(qū)動控制器將“驅(qū)動狀態(tài)字”中的“交換激活”狀態(tài)刪除，并激活主軸2及A軸的“脈沖使能”
17、驅(qū)動控制器通過“PLC狀態(tài)字”的“脈沖使能位”來通知PLC主軸2及A軸的“脈沖使能”已經(jīng)激活(DB3x.DBX93.7)
3.4.2 基于海徳漢iTNC530系統(tǒng)編碼器類型選擇及參數(shù)設(shè)置
采用海徳漢iTNC530系統(tǒng)進(jìn)行自動交換雙擺銑頭，其中交換的物理過程和上面所說的的西門子840D系統(tǒng)類似，不在重復(fù)敘述，以下重點(diǎn)介紹在自動交換銑頭的過程中系統(tǒng)軟件的處理過程和特點(diǎn)，和產(chǎn)生對編碼器類型選擇的影響。如圖3.4所示：
圖3.4自動交換銑頭的子參數(shù)文件設(shè)置
3.5交換狀態(tài)監(jiān)控
機(jī)床上液壓卡緊松開輔助動作很多，如：主軸松卡刀，伺服軸抱閘松卡，交換托盤時(shí)拖盤的松卡，交換雙擺頭時(shí)雙擺頭的松卡等。而執(zhí)行卡緊松開動作的油缸多植入在各功能部件內(nèi)部，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，很難在內(nèi)部直接安裝接近開關(guān)或位移傳感器以獲取位置進(jìn)行到位信號。有些功能部件在結(jié)構(gòu)允許的情況下，將活塞位移動作傳遞到功能部件外部再進(jìn)行檢測，如主軸松卡刀、轉(zhuǎn)臺松卡等。但旋轉(zhuǎn)軸環(huán)形抱閘、托盤卡緊拉釘、雙擺頭交換拉釘?shù)龋褂脮r(shí)需將卡緊機(jī)構(gòu)插裝在機(jī)械體內(nèi)部，由于結(jié)構(gòu)所限就無法直接測得位移信號。通常做法是采用壓力信號來代替位移信號，即松卡壓力達(dá)到設(shè)定值不變標(biāo)志著活塞運(yùn)動停止，從而間接判斷松卡動作已完成，原理圖如圖2所示。但如果由于某些原因?qū)е掠透自谥虚g位置卡死時(shí)，就會發(fā)出錯(cuò)誤信號，造成機(jī)床誤動作，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。
高速龍門五軸加工中心的研制中，雙擺頭交換是由4個(gè)自鎖拉釘實(shí)現(xiàn)雙擺頭松卡。為了解決上述問題，在液壓松卡回路中設(shè)置了流量計(jì)，作為卡緊松開到位檢測元件。流量計(jì)可以通過檢測通過的油量，真實(shí)地檢測到油缸卡緊松開是否到位。由于流量計(jì)設(shè)置在回路上，不受機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸所限制，成功地解決了雙擺頭松卡到位檢測的問題。其原理圖如圖3所示。
圖3.5 壓力開關(guān)檢測松/夾到位原理圖
圖3.5流量計(jì)檢測松/夾到位原理圖
3.5.1流量計(jì)簡介
流量計(jì)種類較多，功能原理大不相同，應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。齒輪流量計(jì)是根據(jù)齒輪馬達(dá)原理，兩圓柱齒輪在測量腔內(nèi)由液流驅(qū)動無接觸運(yùn)行；齒輪的運(yùn)動由位于蓋板內(nèi)的兩個(gè)無接觸的傳感器檢測，在傳感器室和計(jì)量環(huán)室之間，裝有一非磁性抗壓隔板；當(dāng)計(jì)量機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動一個(gè)齒時(shí)，傳感器發(fā)出一脈沖信號，對應(yīng)一個(gè)齒的油量AV通過流量計(jì)，通過前置放大器，把信號轉(zhuǎn)換為一方波信號；兩通道檢測，可有更高的分辨率，并確認(rèn)流量方向。齒輪流量計(jì)，精度較高，黏溫特性好，工作壓力高，價(jià)格相對較低，適合在機(jī)床液壓系統(tǒng)中應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖3.5齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
3.5.2監(jiān)控原理
設(shè)每個(gè)拉釘卡緊所需油量，卡緊動作所需總油量為，選取德國KRACHT公司VC0.2型號齒輪流量計(jì)，齒輪幾何容積，即每發(fā)出一個(gè)脈沖信號齒輪流量計(jì)通過0.245mL油量，則完成卡緊動作所需脈沖數(shù)為：
拉釘松開時(shí)，流量計(jì)測量同一油腔的油量，脈沖數(shù)與卡緊動作相同，但方向相反。因而，執(zhí)行拉釘松卡動作后，通過檢測流量計(jì)接收的脈沖數(shù)是否達(dá)到相應(yīng)數(shù)值(檢測脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系見表1)，來判斷該動作是否正確完成，雙通道脈沖信號可以檢測出流量計(jì)轉(zhuǎn)動方向，從而判斷是松開還是卡緊動作。
表3.5.1檢測脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系
最大檢測時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)
拉釘狀態(tài)
0
保持松開或縮緊狀態(tài)
1～3
流量計(jì)與拉釘之間管路有泄漏
163
松開或卡緊到位
>163
管路爆裂
通過合理使用流量計(jì)，保證了銑頭在自動交換過程中松開和加緊的可靠性。
參考“可交換式雙擺頭設(shè)計(jì)過程中編碼器類型的選擇”、 “Hydrodock拉釘自鎖原理及其在銑頭自動交換技術(shù)中的應(yīng)用”、 “齒輪流量計(jì)在機(jī)床液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用”、“直驅(qū)式雙擺頭交換A軸相關(guān)結(jié)構(gòu)的研究”、“端齒盤的參數(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用”
4 機(jī)床的總體方案設(shè)計(jì)
4.1機(jī)床總體機(jī)械結(jié)構(gòu)布局形式
如圖 1 所示。GMC2550u 加工中心采用龍門框架結(jié)構(gòu)，工作 臺和左右橋梁固定，橫梁、滑板和滑枕在直線電機(jī)的驅(qū)動下在
兩橋梁上前后移動做 X 向運(yùn)動，滑板和滑枕通過直線電機(jī)驅(qū)動在
橫梁上左右移動做 Y 向運(yùn)動，滑枕通過滾珠絲杠副驅(qū)動在滑板 中上下移動做 Z 向運(yùn)動；A/C 軸雙擺銑頭繞 Z 軸轉(zhuǎn)動（±360）°為 C 軸，A/C 軸雙擺銑頭繞 X 軸擺動（±110）°作為 A 軸；A/C 軸雙擺 銑頭采購的是某公司的可換銑頭形式的產(chǎn)品，C 軸部分固定在滑 枕內(nèi)，可以通過頭庫來選擇兩個(gè)不同的 A 軸銑頭，以便滿足粗加 工和精加工的要求，整個(gè)交換過程自動化。
1
X 軸的 4 條重載導(dǎo)軌分兩組分別布置在左右橋梁上，直線 電機(jī)初級與橫梁相連接，次級布在每組導(dǎo)軌的中間位置，如圖 2 所示。Z 軸采用滾珠絲杠副雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床可靠性及精度穩(wěn) 定性。各軸采用光柵尺全閉環(huán)控制，確保機(jī)床的定位精度及精度 的穩(wěn)定。A、C 軸與 X、Y、Z 3 個(gè)直線軸五軸聯(lián)動就可加工出復(fù)雜的 空間曲面。該機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局適合大型航空透明體模具高速加工 中的需要，更適合于大型飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高速加工中的需要。
1
圖 4.1 GMC2550u 高速龍門五軸加工中心結(jié)構(gòu)示意圖
1.左橋梁 2.橫梁 3.滑板 4.工作臺 5.頭庫 6.雙擺頭 7.滑枕 8.右橋梁
4.2機(jī)床設(shè)計(jì)及分析方法
機(jī)床采用先進(jìn)的動態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到產(chǎn)品的系列化，主要部件均采用模塊化設(shè)計(jì)理念，用PRO/E 軟件進(jìn)行三維 設(shè)計(jì)，用 ADAMS 軟件對機(jī)床（尤其是 A/C 軸雙擺頭）進(jìn)行運(yùn)動模擬計(jì)算，用ANSYS 軟件對機(jī)床整體和關(guān)鍵基礎(chǔ)大件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整臺機(jī)床剛性高、振動小、運(yùn)動部件質(zhì)量小，從而可以改善動態(tài)性能和快移速度；整機(jī)設(shè)計(jì)重視工作區(qū)域的優(yōu) 化設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)。
直線導(dǎo)軌 直線電機(jī)初級 移動部件
圖 4.. 2 X/Y 軸直線電機(jī)的布置示意圖
通過對關(guān)鍵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械加工整機(jī)裝配精度工藝保證方法的研究，整機(jī)剛度特性測試與分析，以及動力學(xué)特性對加工精度性能的影響規(guī)律的研究和機(jī)床智能化技術(shù)的研究，包 括熱變形及溫度補(bǔ)償技術(shù)，自適應(yīng)加工技術(shù)，五軸變換功能中 RTCP（Rotation Tool Centre Point 旋轉(zhuǎn)刀具中心編程）自動補(bǔ)償技術(shù)的研究，保證機(jī)床的精度。
5 機(jī)床的主要性能指標(biāo)及對比
GMC2550u 銑頭可自動交換的高速龍門五軸加工中心產(chǎn)品與德國 Zimmermann F38 和法國 Forest-line TH 系列高速龍門五 軸加工中心進(jìn)行主要技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)對比，如表 5所示。
表 5主要技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)對比
6 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及選擇
6.1直線軸進(jìn)給驅(qū)動的設(shè)計(jì)及選擇
6.1.1X、Y 軸驅(qū)動的設(shè)計(jì)及選型
X、Y 軸采用西門子直線電機(jī)驅(qū)動，由于 GMC2550u 型機(jī)床 X/Y 軸的移動質(zhì)量非常大，所以均選用推力最大的 1FN3-900 型 號的直線電機(jī)。
1FN3 電機(jī)是永磁同步直線電機(jī)，特點(diǎn)是功率大，超負(fù)載能 力強(qiáng)，具有模塊冷卻功能，此電機(jī)是以內(nèi)裝式電機(jī)構(gòu)件的形式提 供的，如圖 4 所示[1]。它由初級部構(gòu)芯和次級部構(gòu)芯構(gòu)成，根據(jù)精 密度要求的不同，電機(jī)可以配精密冷卻器或次級部構(gòu)芯冷卻器， 初級部構(gòu)芯有固定尺寸；而次級部構(gòu)芯包含了各種不同的構(gòu)芯半 體，這些構(gòu)芯半體可以被組合起來產(chǎn)生一個(gè)所需要的移動軌道。 通過幾個(gè)電機(jī)并聯(lián)工作，驅(qū)動力可以擴(kuò)展的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。機(jī)床的 X 軸是橫梁加上滑板滑枕框架移動，整個(gè)框架重達(dá)18t，項(xiàng)目選用瑞士某公司的 MR65 型號重載滾柱導(dǎo)軌和 MRB65型號的滑塊，滾動導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)小，非常適合龍門框架移動的動靜剛度要求。導(dǎo)軌的滑塊選用加長加寬型，每個(gè)滑塊的額定靜態(tài)承載量 C 可達(dá)到 295000N，額定動態(tài)承載量 C0 可達(dá)到
530000N[2]。考慮到安全系數(shù)，每根導(dǎo)軌安裝 4 個(gè)滑塊。Y 軸是滑板 和滑枕組合體移動，重量達(dá)到 8t，同樣選用瑞士某公司的 MR65 型號重載滾柱導(dǎo)軌和 MRB65 型號的滑塊，每根導(dǎo)軌安裝 3 個(gè)滑 塊。每根導(dǎo)軌上均安裝有防止機(jī)床高速共振的阻尼塊和用來緊急 制動的液壓箝制器（日本產(chǎn)品）。
6.1.2 Z 軸驅(qū)動的設(shè)計(jì)及選型
Z 軸采用了滾珠絲杠副雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床可靠性及精度穩(wěn)定性，雙驅(qū)動電機(jī)位于滑枕兩側(cè)，呈對稱排布，電機(jī)選用 SIEMENS 的 1FK7 型號電機(jī)，與 SHUTON 絲杠通過 KTR 聯(lián)軸器直聯(lián)；同時(shí)，在滑枕上左右各配置一個(gè)液壓缸，利用雙液壓缸平衡 部分滑枕滑板以及雙擺頭的重力（70～80）%，以保證Z 軸的動態(tài) 性能。Z軸驅(qū)動重量是滑枕和雙擺頭的重量之和，重約 6.5t，選用瑞士某公司的 MR65 型號重載滾柱導(dǎo)軌和 MRD65 型號的滑塊，每根導(dǎo)軌安裝3個(gè)滑塊。
6.2擺動軸驅(qū)動的設(shè)計(jì)及選擇
A/C 軸雙擺銑頭是本項(xiàng)目最關(guān)鍵的零部件之一，雙擺頭繞 Z 軸轉(zhuǎn)動±360°為 C 軸，繞 X 軸擺動（±110）°作為 A 軸；A/C 軸雙擺 銑頭的 A、C 軸均為力矩電機(jī)驅(qū)動。
兩個(gè)可交換的銑頭分別選用德國某公司的 G30 系列重型銑 頭，其中低速重切時(shí)選用：功率 42kW，轉(zhuǎn)數(shù) 7000r/min，最大扭矩400Nm，刀柄系統(tǒng)為 HSK100A 的銑頭；高速時(shí)選用：功率 34kW， 轉(zhuǎn)數(shù) 24000r/min，最大扭矩 72Nm，刀柄系統(tǒng)為 HSK63A 的銑頭。 兩個(gè)銑頭備有頭庫裝置，如圖6.2所示。
圖 6. 2 銑頭頭庫
擺頭的 A 軸部分可以通過拉緊機(jī)構(gòu) CyTeb 和快速接頭 CyFit 的組合應(yīng)用進(jìn)行自動交換，快速接頭 CyFit 是某公司的一種 非?？煽康木_的氣路、油路快速對接系統(tǒng)，它結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)在 高流速的情況下具備低阻抗的優(yōu)點(diǎn)，保證了最小的壓力損失；拉 緊機(jī)構(gòu) CyTeb 具備方位偏差補(bǔ)償功能，它允許對接件更大范圍的誤差和不準(zhǔn)確，甚至不需要其他螺紋連接或?qū)蜓b置。結(jié)構(gòu)如圖6 .2所示。
圖 6.2 快速換頭機(jī)構(gòu)示意圖
結(jié)論
基于大型航空透明件模具對數(shù)控加工裝備的要求與目前國際航空數(shù)控裝備的發(fā)展趨勢，通過對高速龍門五軸加工中心設(shè)備的研制，掌握直線電機(jī)應(yīng)用、自動交換雙擺銑頭等關(guān)鍵技術(shù)，以提升我國機(jī)床行業(yè)在五軸、高速加工等設(shè)備方面的自主研制能力，對“高、精、尖”數(shù)控裝備國產(chǎn)化具有重要意義。另外，該設(shè)備的研制成功將滿足國家重點(diǎn)型號飛機(jī)的研制需求，國防意義重大；同時(shí)將突破大尺寸、高精度模具制造瓶頸，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。采用了二次調(diào)節(jié)的液壓電梯調(diào)速系統(tǒng)，很好的解決了節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的弊端。由于使用了蓄能器，不但能使電梯下行時(shí)釋放的能量得以回收再利用，而且能使電梯上行減速時(shí)，將制動能量回收，大大減輕了泵的負(fù)荷，達(dá)到了節(jié)能的效果，采用電反饋回路提高了系統(tǒng)的控制精度，此外，由于恒壓變量泵多為柱塞泵，必然存在輸出壓力波動，蓄能器則可在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)吸收壓力脈動，保證定壓網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定輸出，從而進(jìn)一步提高了二次調(diào)速系統(tǒng)的控制精度。因二次調(diào)速系統(tǒng)無節(jié)流損失，故工作效率高。應(yīng)當(dāng)注意，二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)油源中的恒壓變量泵一般按平均功率選配，這樣可以降低成本，提高效率；蓄能器在選配時(shí)，其動態(tài)響應(yīng)速度應(yīng)高于恒壓變量泵的壓力波動速度，這樣才能很好地吸收壓力脈動。
致 謝
通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)使我重新拾回了那些學(xué)過卻被遺忘的知識，同時(shí)在設(shè)計(jì)過程學(xué)到了為接觸過的知識，也在這過程得到了很多人的幫助。首先，衷心感謝我的指導(dǎo)老師在我畢業(yè)論文選題、調(diào)研、草案、定案及總結(jié)等方面做出的指導(dǎo)和幫助，在畢業(yè)開題時(shí)指導(dǎo)著進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題及講解，在設(shè)計(jì)過程中給予意見與指導(dǎo)，作為一名本科畢業(yè)生，在設(shè)計(jì)方面難免會考慮不周全，感覺老師在我的設(shè)計(jì)過程給予的建議，指導(dǎo)，才使得能順利完成本次的設(shè)計(jì)。在此，再次衷心感謝老師的耐心教導(dǎo)。
其次，感謝在設(shè)計(jì)過程幫助過的同學(xué)，在我疑惑時(shí)能給予我一定幫助，在繪制圖形方面做出的指導(dǎo)，本次設(shè)計(jì)的完成也離不開同學(xué)的幫助。
最后，感謝百忙中審閱本文的各位老師，你們的意見將變成我寶貴的經(jīng)驗(yàn)，感謝我的母校——沈陽工學(xué)院四年來對我的大力栽培。
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