龍門加工中心頭庫結構設計【3張CAD高清圖紙、文檔所見所得】

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and aerospace manufacturing.It integrates many Advanced machine tool manufacturing technologies.So industrial developed countries implement the export license limit on it and lay an embargo on five axis simultaneously controlled machine for military purpose.Therefore,focused on the field of machine tools,develop the precision five axis machining center for our national aerospace,military,scientific research,precision instrument and medical apparatus industries by US to have the important theories meaning and the application values Based on the analysis and comparison of design technologies of five axismachining centers and advanced machine structures，the existent problems and the development trends are analyzed.Some key technologies and methods,such as precision high-speed fiveaxis machining centers general layout，main function unit design，machine accuracy maintain and dynamic performance analysis of machines high-speed motion,are studiedThe designing methods of five axis machining center are analyzed and compared in detail.After modeling and calculating lots of engineering restriction functions,the machineS general layout plan is worked outFurthermore，some main function units that include machine spindle，feed system and driving unit are finishedKeywords：Five-Axis Simultaneously Controlled Machining Center；Structural Design；Performance StudyII目 錄摘 要IAbstractII緒 論11頭庫結構設計的理論基礎21.1頭庫結構設計國內外發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢21.2本課題主要工作42頭庫結構設計52.1頭庫整體結構布局簡介52.2托板傳動系統(tǒng)導軌副選用計算92.3托板傳動系統(tǒng)氣缸選用計算及氣動控制回路143交換控制邏輯163.1 PLC控制邏輯173.2 NC控制邏輯193.3交換過程中的銑頭松開/夾緊監(jiān)控223.3.1 流量計簡介233.3.2 監(jiān)控原理243.4 交換過程中Z軸異常負載監(jiān)控25結 論26致 謝27參考文獻28緒 論性能高效高速數(shù)“控加工機床多采用系列化、標準化和模塊化設計制造技術，允許用戶在標準型機床基礎上通過選配包括不同特性主軸銑頭或和電主軸在內的模塊化部件，以使同一機床能適應不同需求的加工應用和自動化水平，呈現(xiàn)了較好的應用柔性。但對終端制造業(yè)用戶而言，這仍然是一種專用型”的機床，因為一旦選配了某種確定特性的主軸銑頭或電主軸，這時該機床的加工能力也就被確定在某種確定的范圍內，仍然呈現(xiàn)為專用性的特征。 為此，機床制造商開發(fā)了可實現(xiàn)主軸銑頭自動交換功能的數(shù)控加工機床，以便隨時根據(jù)實際需求可自動選擇相應的主軸銑頭裝載到機床主軸上，從而有效擴展了機床的加工能力和適用性，使終端用戶真正可獲得一種“通用型”的，或者說“高性能”的高效高速數(shù)控加工機床。實際上，可交換主軸銑頭應用已有一段歷史了，不同的僅是現(xiàn)代此類數(shù)控加工機床的技術水平、自動化程度和可靠性更高而已。該設計涉及五軸龍門加工中心領域，具體為一種銑頭可交換直驅式高速龍門五軸加工中心，專門用來加工航空透明件模具及汽車工業(yè)中的模具制造。傳統(tǒng)的五軸龍門加工中心多采用齒條或絲杠傳動，對于齒條傳動來說，具有力量大的優(yōu)點，但是精度低。而絲杠傳動時，絲母對絲杠施以扭力，當絲杠長度過長時會產生晃動現(xiàn)象，從而影響工件的形狀及尺寸精度，并且長期使用或受異物污染時，易磨損影響機床的精度。該設計的目的在于提供一種可快速交換主軸頭的高速五軸龍門加工中心，解決現(xiàn)有技術中存在的精度低等問題。11頭庫結構設計的理論基礎1.1頭庫結構設計國內外發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢 大型龍門五面體加工中心是現(xiàn)代裝備制造業(yè)的急需設備，隨著我國經濟的不斷成長，我國許多重要行業(yè)，如發(fā)電設備( 水電、風電、核電)、航空、航天、船舶、汽車制造業(yè)也都需要高精、大型數(shù)控龍門裝備。自動換頭頭庫機構，是與龍門加工中心相對獨立的部件，是機床的重要部件之一。該結構的合理與否，直接影響了機床的加工效率、加工范圍、精度和精度保持性；龍門加工中心如果具有自動換頭頭庫，就能夠減輕工人的勞動強度，提高機床自動化程度，同時也是保證機床加工精度的最重要因素之一，而加工精度正是影響機床應用范圍的主要因素。隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，風電船舶葉片、大型柴油機機體等大型復雜零件的加工通常需要很多自動分度附件頭，特別是大型柴油機機體的加工，對使用附件頭的自動化程度及附件頭的數(shù)量有了更高的要求，因此對自動附件頭頭庫容量的要求也越來越高；所以龍門五面體加工中心的頭庫必須具有合理的布局、較高的自動化程度、高精度以及良好的可靠性才能適應市場的需求。目前現(xiàn)代龍門五面體加工中心使用的換頭頭庫主要有以下幾種： (1)如圖1.1所示，固定在工作臺后部：此種結構自動頭庫安裝在工作臺面的，受臺面及兩立柱之間寬度的影響，頭庫容量有一定的限制，而且影響機床的X軸方向的加工范圍。頭庫跟著工作臺面移動，長時間定位精度會受到影響，故頭庫需要定期調整。此外，對于一些有高壓冷卻的加工中心，由于在加工范圍內切削液飛濺，因此頭庫的密封要求比較高，這樣就降低了自動頭庫的可靠性。圖 1.1 頭庫固定于工作臺后部 0 (2)如圖1.2所示，安裝在立柱正面：自動頭庫安裝在立柱面上，一般分為上下兩層，上面一層為附件頭保護蓋，下面一層為直角銑頭或者萬能銑頭。通過驅動Y軸拖板和Z軸方滑枕定位到頭庫位置進行自動換頭。頭庫通過氣缸或者液壓驅動保護蓋支架移動或者翻轉來實現(xiàn)保護蓋和附件頭的交替轉換。由于受立柱面大小的影響，故頭庫只能容納保護蓋和一個附件頭，這樣就大大縮小了加工中心的加工范圍。再者立柱面安裝了頭庫加大了加工中心全防護的安裝難度，對機床Y軸方向加工范圍有所影響。圖 1.2 頭庫安裝在立柱正面 (3)如圖1.3所示，采用換頭小車完成換頭工作：在左立柱的前面，在地面上安裝有換頭的位置，每次換頭通過驅動Y軸拖板和Z軸方滑枕定位到頭庫位置進行換頭；地面上有縱向和橫向的軌道，當需要更換不同的附件頭時，換頭小車通過地面上的軌道推到換頭位置進行換頭，完成換頭后再將小車推走。一個附件頭放在一個小車里，幾個附件頭就需要幾個小車。這種換頭結構雖然可以實現(xiàn)能使用多個附件頭，但換頭時必須用人工來推動小車到換頭位置，才能完成換頭工作，這樣就不能實現(xiàn)全自動換頭。圖1.3 頭庫采用換頭小車換頭1.2本課題主要工作 由上分析可知，五軸聯(lián)動加工中心是國家發(fā)展航天航空軍事等領域的重要技術裝備，本次設計完成了銑頭可自動交換的高速五軸聯(lián)動龍門加工中心的頭庫部分結構設計以及PLC控制邏輯設計。頭庫設計采用前文1.1中描述的第一種方式固定于工作臺的后部，并設有防護間等結構。在銑頭交換過程中由氣缸將需要使用的頭庫從防護間中推動出來并進行交換，整個設計主要內容如下： （1）依據(jù)目前現(xiàn)代龍門五軸加工中心使用的換頭頭庫中的三種，采用了固定式的方式，完成了頭庫結構設計。 （2）依據(jù)西門子840D系統(tǒng)選擇編碼器的技術原則及原理，完成了PLC控制邏輯的設計。 （3）完成裝配圖及相關零件結構圖的設計，其內容包括： 托板零件圖 托板座零件圖 主軸庫裝配圖 （4）整體布置如圖1.4所示：圖1.4 機床整體結構示意圖2頭庫結構設計2.1頭庫整體結構布局簡介 主軸庫放置在機床的后部，由氣缸將主軸庫推到需要換置的主軸點，通過滑枕的上下運動及主軸快換液壓松/夾機構來實現(xiàn)換主軸，其中換頭行程為550mm。 圖2.1 頭庫結構立體圖圖2.2 頭庫結構布局拆分圖表2.1 頭庫結構布局拆分簡介表序號圖名數(shù)量1氣缸22直線導軌及滑塊23主軸14主軸15主軸支承座16拖鏈27接近開關68地腳調整螺釘89地腳810板411板212壓板413導向銷214塊115板216墊片217氣缸支架218壓塊8019拖鏈支架220撞塊支架221塊122拖鏈支架223撞塊224調整墊825焊接底座226焊接上座227主軸支座1 頭庫正視圖見圖2.3，主軸頭在交換過程中的定位除了由Y軸和X軸的定位精度保證外，還由粗定位銷（如圖2.4）和精定位座（如圖2.5）來保證的，在Z軸下降到左視圖或右視圖中的減速接近開關時，Z軸進行減速，同時主軸端面的定位孔與粗定位銷開始結合。然后，Z軸繼續(xù)減速下降到設定位置，此時與精定位座已經完全結合，主軸進行刀具加緊動作，夾緊完成后主軸從銑頭中進行脫離（銑頭松開），Z軸上升進行下一步操作。圖2.3 頭庫正視圖圖2.4 粗定位銷圖圖2.5 精固定座圖在主軸進行交換的過程中，頭庫的托板定位是由前后安裝的兩個接近開關來實現(xiàn)的，如圖2.6及2.7所示，托板的有效行程為552mm。圖2.6 頭庫左視圖及右視圖 圖2.7 頭庫俯視圖2.2托板傳動系統(tǒng)導軌副選用計算 頭庫托板的前進/后退動作是由氣缸來推動的，選用滾動導軌做為傳動機構。 滾動直線導軌副的每個滑塊所受的負載受以下各種因素影響：導軌副的配置形式（水平，豎直等），工作臺的重心和受力點的位置，切削阻力的作用，運動時的加速度等。下圖2.8-2.11為幾種情況下作用于滾動直線導軌副的各個滑塊上負載的計算。圖2.8 垂直受力分析圖2.9 水平軸向受力分析圖2.10 水平徑向受力分析圖2.11 加速受力分析 可以根據(jù)所選導軌副的配置形式計算滾動直線導軌副的每個滑塊所承受的載荷，然后根據(jù)后面提供的壽命計算方法來計算導軌副的壽命。摩擦阻力受導軌副的結構形式、潤滑劑的粘度、所受的載荷以及運動速度的影響而變化，預緊后，摩擦阻力將會有所增大。 摩擦力可按下式計算： LG、LM系列： LGS系列： LGR系列： -法向載荷（N），-密封件阻力（N） 在相同的工作條件下，使一批相同構造和尺寸的導軌組件分別運行，在其中90%的導軌組件尚未出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象之前，滑塊相對于導軌運動距離的總和或一定運動速度下的工作小時數(shù)。 在實際的導軌系統(tǒng)中，為了充分發(fā)揮滾動直線導軌副的性能，與鋼球接觸的滾道表面的硬度應在HRC5864之間。若滾道表面硬度較低，則額定動載荷減少，導軌的額定壽命將會降低。因此，導軌的額定動載荷、額定靜載荷應乘以硬度系數(shù)。圖2.12左圖所示為對應不同的滾道面硬度時的硬度系數(shù)。 導軌系統(tǒng)的溫度超過100時，與在常溫使用場合相比，額定動載荷降低，額定壽命縮短，因此導軌的額定動載荷、額定靜載荷應乘以溫度系數(shù)。圖2.12右圖所示為對應不同溫度時的溫度系數(shù)。圖2.12 導軌性能與各參數(shù)的對應關系圖 在計算額定壽命時，還應考慮外部作用載荷及使用場合的影響，物體的重量、運動速度所引起慣性力的變化，為此引入載荷系數(shù)。不同使用條件下取值，見下表2.2。表2.2 各場合取值表使用條件無外來沖擊載荷、振動 (15m/min)1.01.5無顯著沖擊載荷、振動 (163管路爆裂 通過合理使用流量計，在PLC中進行脈沖數(shù)監(jiān)控，保證了銑頭在自動交換過程中松開和加緊的可靠性。3.4 交換過程中Z軸異常負載監(jiān)控 在銑頭自動交換過程中，裝卸銑頭時，Z軸向下運動過程中，若定位不準或錯誤，可能會出現(xiàn)撞擊或阻擋的情況。若沒有Z軸異常負載檢測，Z軸就會按指令向下運動，直到驅動系統(tǒng)報警為止。這樣很可能已經造成了硬件的損壞而帶來損失。使用840D系統(tǒng)提供的固定點停止功能可以實現(xiàn)Z軸力矩限制，進行異常負載檢測功能。在銑頭交換子程序中可以加入以下控制：N0640 G90 600N0645 M9l；抓頭前位置檢測N0655 M536；銑頭松開M代碼N0660 G153 Z=POSZl+80N0665 FXSTZ=80；Z軸力矩限制值（根據(jù)實際調整）N0670 FXSWZ=2；Z軸力矩限制監(jiān)控，窗口值(根據(jù)實際調整)N0675 G90 G01 F=1000N0680 G153 Z=POSZ1 FXSZ=1；Z軸力矩限制打開直到定位到POSZl位置N0685 M537；銑頭夾緊 在設定完固定點停止的相關參數(shù)后，通過以上控制，當Z軸在移動過程中，負載超過設定的檢測值時，軸就會立即停止移動。保證了相關部件的安全。結 論 五軸聯(lián)動加工中心是機床設計中較難掌握的機床設計，本論文在綜合分析國外五軸聯(lián)動加工中心技術的基礎上，綜合國內同行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，積極運用國外先進機床設計結構和設計分析手段，采用設計和實驗相結合的方法，系統(tǒng)的對精密高速五軸聯(lián)動加工中心的機床總體布局、主要功能部件的設計、保持機床精度的研究和機床高速運動的動態(tài)性能分析等內容和關鍵技術進行了深入研究，完成了銑頭可自動交換高速龍門加工中心的頭庫部分結構設計與控制邏輯設計，本結構設計合理，其特點內容如下： （1）該機床是用于航空透明件模具粗、精加工的高速龍門五軸加工中心。具有響應速度快，加工精度高，實現(xiàn)五軸曲面加工的特點。 （2）該機床其雙直線電機直接驅動橫梁在左右橋梁上移動，消除了傳動環(huán)節(jié)。 （3）該機床其Y軸橫梁使用直線電機直接驅動，利用了直線電機主次極見的吸引力，減少了導軌所承受的力矩和壓力，降低了導軌副的摩擦力，提高其剛性及壽命。 （4）該機床在滑板內部開有方孔，將平衡油缸安裝在其內，節(jié)省了空間，使機床整體結構更合理。 （5）該機床是一種由交流永磁同步內轉子力矩電機驅動的可交換A軸的雙擺銑頭 （6）該機床結構精簡，AC擺頭頭庫創(chuàng)造地利用斜面和A軸刀柄定位。使得定位準確，換頭靈活。致 謝 本課題的全部工作都是在導師徐兆成老師的悉心指導下完成的。在畢業(yè)設計工作過程中，導師以他深厚的理論基礎、豐富的實踐經驗、對問題獨到的見解以及良好的工作作風使我受益匪淺，借此論文完稿之際，我由衷像徐兆成老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。在今后的工作工程中我將以老師為榜樣。 在設計工作過程中，我的同學也給了我許多熱心的幫助，在此，向指導、幫助過我的老師和同學表示最誠摯的感謝！ 參考文獻1 張曙.數(shù)字化制造機床工業(yè)的未來.2005:48-1322 佟璞瑋.發(fā)展中的國產五軸聯(lián)動數(shù)控機床.2003:33 鄒家祥.現(xiàn)代機械設計理論與方法.1990:14-69 4 趙宏林.機床總體方案設計技術.2004:105-1985 甘屹.高速切削加工發(fā)展及需求.2003:88-1136 周凱.數(shù)控機床的數(shù)字化的全閉環(huán)控制.1998:55-977 孫靖民.機床機構計算的有限元法.1998:24-688 漢斯格羅斯.機床電力進給驅動裝置.1984:57-1099 遲建山.金屬切削機床設計.1980:59-12310 羅輝國.高速加工的實現(xiàn)與應用.2001:18-7226