（机械电子工程专业论文）环形打孔铣平面机的结构设计研究.pdf

摘要 组合机床是一种专门适用于特定零件和特定工序加工的机床，是组成自动化生产 线不可缺少的机床品种。工业生产中对大型回转盘、环梁等工件的钻孔与铣削，普通 机床的加工难度比较大，加工成本高，而且精度无法保证。环形打孔铣平面机主要针 对这类零件的特定工序所设计，回转臂可以3 6 0 。旋转，采用闭环控制系统，大大提高 了加工精度、自动化程度和生产效率。本文同时也对大型组合机床的设计方法进行一 些探索。 本文从设计环形打孔铣平面机的目的和意义入手，介绍了国内外制造业和组合机 床的发展概况，对机床进行了总体方案设计，分别对机床各部分进行了详细的设计校 核，并用三维造型软件c a t i a 建立了机床的实体模型。 有限元方法是现代工程分析与设计的一种快捷、有效的辅助工具。有限元分析及 结构优化等c a e 技术的应用，对缩短产品开发设计周期、降低产品制造成本、增强企 业竞争力具有重要的意义。本文利用有限元分析软件a n s y s 作为分析工具，对机床的 关键部件一一回转臂进行了静力分析与模态分析，求出了回转臂在静态载荷下的节点 应力云图及变形云图；在模态分析中列出了回转臂的前十阶模态频率、振幅与振型， 分析了结构的动态特性。通过以上分析，验证了机床回转臂结构符合设计要求，机床 设计方案可行，并进行了总体精度分析。 关键词：环形打孔铣平面组合机床有限元分析a n s y s 精度分析 a b s t r a c t a g g r e g a t em a c h i n et o o l sa r ed e s i g n e df o rs p e c i a lp a n sa n ds p e c i a lw o r k i n gp r o c e d u r e s t h e ya r ei n d i s p e n s a b l yi na u t o m a t i cp r o d u c tl i n e i nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o nt ol a r g e s c a l e w o r k p i e c e ，s u c ha st u r n t a b l ea n dr i n gb e a m ，t h ep r o c e s s i n go fd r i l l i n ga n dm i l l i n g ，g e n e r a l m a c h i n et o o l sa r em o r ed i f f i c u l t ，w i t hh i 【g hp r o c e s s i n gc o s t s ，b u tc a n n o tg u a r a n t e ea c c u r a c y a n n u l a rd r i l l i n ga n dm i l l i n gm a c h i n et o o li sd e s i g n e df o rt h e s ew o r k p i e c e sa n ds p e c i a l w o r k i n gp r o c e d u r e s ，t h ec r o s s - b e a mc a nr o t a t e3 6 0 ，a n du s e sc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m ， w h i c hg r e a t l yi m p r o v e dt h ep r e c i s i o no fp r o d u c i n gp a r t sa n dh a sm o r et h ed e g r e eo f a u t o m a t i z a t i o n ，w h i c hg o tah i g hp r o d u c t i v i t y t h et h e s i si st od os o m ee x p l o r i n gt om o d e m d e s i g nm e t h o do fa g g r e g a t em a c h i n et 0 0 1 i nt h i st h e s i s ，b e g a nw i t ht h ei n t e n s i o na n ds i g n i f i c a n c eo fd e s i g n i n ga n n u l a rd r i l l i n ga n d m i l l i n g m a c h i n et o o l ，i n t r o d u c e dt h e d e v e l o p m e n t s t a t u so fi n t e r n a la n do v e r s e a s m a n u f a c t u r i n ga n da g g r e g a t em a c h i n e - t o o l ，a n dd e s i g n e dt h eo v e r a l lp r o j e c to ft h em a c h i n e t o o l ，h a v ec o m p l e t e dt h ed e s i g na n de x a m i n a t i o nr e s p e c t i v e l yo nv a r i o u sp a r t so ft h e m a c h i n et o o l i nd e t a i l c a t i a , t h e3 一dm o d e l i n gs o f t w a r ei su s e dt oe s t a b l i s ht h es o l i d m o d e l so ft h er o a c h i n et 0 0 1 f e m ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) i saf a s ta n dg o o de f f i c i e n td e s i g nt o o li nm o d e m e n g i n e e r i n ga n a l y s i sa n dd e s i g n t h ea p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds t r u c t u r e o p t i m u me t cc a et e c h n o l o g yi ss i g n i f i c a n t i n s h o r t e n i n gt h ep e r i o do fp r o d u c t i o n d e v e l o p m e n t ，r e d u c i n gt h ec o s to ft h em a n u f a c t u r ea n di m p r o v i n gt h ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i v e a b i l i t y i nt h et h e s i s ，t h el a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t - a n s y si su s e dt os t a t i c a n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s o fm a c h i n eb o d yc r o s s - b e a mo fa n n u l a rd r i l l i n ga n dm i l l i n g m a c h i n et 0 0 1 i ns t a t i ca n a l y s i s ，t h ed e f o r m a t i o nf i g u r e ，s t r e s sf i g u r eo fc r o s s b e a mo f m a c h i n eb o d ya r el i s t e d i nm o d a la n a l y s i s ，t h ef i r s t t e n - s t e pf r e q u e n c i e s ，a m p l i t u d e so f v i b r a t i o na n dv i b r a t i o nm o d e sa r el i s t e d ，t h e nw ea n a l y s i si t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s b yt h e s t a t i ca n a l y s i s ，i ti sv e r i f i e dt h a tt h es t r u c t u r ed e s i g no fc r o s s b e a mm e e tt h ed e m a n d so f d e s i g na n dt h a tt h ed e s i g ns c h e m eo f t h em a c h i n et o o li sf e a s i b l e ，a n da n a l y z e dt h ep r e c i s i o n o ft h em a c h i n e k e ye o r d s ：a n n u l a r1 ) r m 曙a n dm 衄呜 p r e d s i o n 锄吻眵跹 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，环形打孔铣平面机的结构设计研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名i 宝丞塑型年月丝日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签名 年三月堡日 年三月卫日 1 1 国内外制造业发展概况 第一章绪论弗一早硒记 制造业是所有与制造有关的行业的总体，是国民经济的支柱产业，它一方面创造 价值，生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术 的进步与发展提供先进的手段和装备。在工业化国家，约有1 4 的人口从事各种形式的 制造活动，在非制造部门，约有半数人的工作性质与制造业密切相关。在大多数国家 和地区的经济腾飞中，制造业功不可没。 据估计，工业化国家约7 0 8 0 的物质财富来自制造业，因此许多国家特别是美 国，把制造业发展战略列为重中之重。美国认为，制造业不仅是一个国家国民经济的 支柱，而且对经济和政治的领导地位也有决定性的影响。可见制造业对一个国家的政 治和经济地位的影响多大。日本制造业仅次于美国，是以民用为主的“应用制造业 ， 日本是以制造业的“精、效取胜的经济大国，它对工业设计的重视以及工业厂家的 政治经济地位，推动了一个日本制造的全球时代。德国的制造业以精良的工艺技术著 称于世，具有很强的竞争力，正在力争成为欧共体的经济盟主。出于国内外市场竞争 加剧，科学技术发展迅速，产品更新换代速度加快及人们对产品多样化的需求增加， 使得机械制造业向多品种小批量生产方式发展。为适应这种情况的变化，美国、日本 等国开展了大量的对策研究，提出了许多新概念，先后诞生了许多先进制造技术与系 统，例如柔性制造系统f m s ( r e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、计算机集成制造系统 c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、并行工程c e ( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ) 、独立制造岛、精良生产l p ( l e a np r o d u c t i o n ) 、智能制造系统i m s ( i n t e l l i g e n t m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、敏捷制造系统a m s ( a g i l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、仿生制造系 统b m s ( b i o n i c sm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、全能制造系统、全球制造系统、虚拟制造系统 v m s ( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 等。美国自二十世纪9 0 年代以来对c i m s 的研究与 推广应用己有降温的趋势，面对这种情况，c i m s 应在实践的基础上认真总结经验，不 断吸收新思想、新观点、新技术，从而产生新一代c i m s 。同时，各主要工业发达国家 都在谋求对策，调整科技政策，各自制定了适合本国国情的制造业自动化发展计划， 如美国的s o n ( s h o p so f t h e9 0 s1 。日本也提出了智能制造系统i m s 的概念与智能制造计 划，而且该计划己成为制造领域最大的国际合作研究计划。 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。在现代制造系统 中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等 高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动 化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由 专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化 基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒 体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加 工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理； 在网络化基础上，c a d c a m 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的 群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，c n c 只能作为非智能 的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实 际加工前用手工方式或通过c a d c a m 及自动编程系统进行编制。c a d c a m 和c n c 之间没 有反馈控制环节，整个制造过程中c n c 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境 以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨 迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机 因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正c a d c a m 中的设定量，因而影 响c n c 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统c n c 系统的这种固定程序控制模 式和封闭式体系结构，限制了c n c 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制 造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。 2 1 世纪制造业的基本特征是高度柔性化、集成化、智能化和网络化。追求的目标 是提高质量及生产效率、缩短设计及制造周期、降低生产成本、最大限度的提高制造 业对市场的应变能力、满足用户需求n 1 。 从世界各国制造业的发展走向可以看出，世界主要国家现代制造业正向以下最新 趋势发展： ( 1 ) 市场的多样化和个性化。技术革命改变了传统的生产方式和生活方式，主要表 现为市场的多样化、分散化和个性化，产品的内涵从单一的扩展发展到为用户提供全 面解决方案。 ( 2 ) 制造业的全球化发展。制造业的资源配置由一国范围扩大到世界范围，制造业 正向生产全球化、销售全球化、融资全球化、服务全球化和研发全球化方向发展。 ( 3 ) 产业高技术化。制造业向智能化、网络化、虚拟化、敏捷化、清洁化和集成化 等方向发展。 ( 4 ) 制造业的集群化发展。在全球经济中，一国制造欲获得竞争优势，仅靠本国的 企业是不够的，更需要扎根于全球的中小企业集群，集群发展是现代制造业提升国际 竞争力的重要手段。 ( 5 ) 制造业的服务化。今天的制造业所考虑的绝不只是产品设计和制造，而应包括 从市场调研开始到售后服务直到产品报废回收的全过程，体现全方位为顾客服务。 ( 6 ) 重视发展制造业技术，全面提高基础零部件技术水平。零部件、元器件是制造 业发展的重要领域，没有一个强大的零部件产业的存在，制造业就难以发展。 ( 7 ) 制造业的可持续发展。制造业所提供的产品必须具有全寿命周期无污染、资源 低耗及可回收、可重用的特征，它涉及到环境、社会、经济综合性等问题。 2 ( 8 ) 世界制造业调整和转移规模加大。随着经济全球化趋势越来越强劲，发达国家 由于劳动力成本不断上涨，不得不放弃传统产业，专心从事高科技、金融、服务业发 展，而发展中国家利用自己廉价劳动力的优势，接纳发达国家产业的转移，加快经济 的发展。 2 1 世纪的制造业将面临进一步的市场分割、融合、变迁和深化等变化，技术的发 展和日新月异将导致产品、工艺的不断发生跳跃式变化；随之而来的生产组织也不断 变革，以适应生产和市场的变化；知识在经济增长中的作用越来越明显，资产投入， 知识化和无形化的趋势日益加强。所有这些变革可以概括为：产品的多样化、个性化； 市场的国际化、多层化；制造的虚拟化、柔性化；技术的数字化、集成化；组织的团 队化、协作化口1 。 1 2 国内外组合机床发展概况 1 2 1 组合机床的概念 专用机床是为一定的加工对象设计和制造的，用来专门完成一种工件的一道或几 道工序。这种机床通常是用很多刀具同时进行切削，且实现了辅助动作的自动化，故 生产效率高，能稳定地保证加工质量，同时还可减轻劳动强度。但专用机床是针对某 种特定零件的特定工序设计的，当产品更新或加工对象稍有改变时，它很难重新改装， 往往需要另行设计制造。组合机床是专用机床的一种重要类型，是由通用部件及少量 专用部件组合起来的高效率专用机床。 组合机床是一种自动化或半自动化的机床。无论是机械电气或液压电气控制的都 能实现自动循环。通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件 和辅助部件五类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。主要有动力 箱、切削头和动力滑台。支承部件是用以安装动力滑台、带有迸给机构的切削头或夹 具等的部件，有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。输送部件 是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转 工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。控制部件是用以控制机床的自动工作循环的 部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。 组合机床克服了一般专用机床的缺点。它概括分析了各种专用机床的构造，将其 划为若干具有一定功能的独立部件。一些独立的部件在配置各种不同结构型式的专用 机床时可以互相通用。 1 2 2 组合机床的特点 专用机床区别于普通机床的最基本的特点是，专用机床是随着汽车工业的兴起而 3 发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生 了组合机床。最早的组合机床是1 9 1 1 年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各 机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便 于用户使用和维修，1 9 5 3 年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商， 确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件 结构未作规定。 组合机床与一般专用机床相比较，具有如下优点： ( 1 ) 、设计与制造周期短。这是因为组合机床的通用化程度高，通用部件、通用零 件和标准件约占7 0 9 0 ，其中许多是预先制造好的，在制造新机床时可以根据需要选 用。需要设计、制造的只是少量专用零部件。 ( 2 ) 、组合机床的通用零部件，是经过生产实践考验多次反复修改定型的，因而结 构的可靠性和工艺性较好，使用性能较稳定，有利于稳定地保证加工质量。 ( 3 ) 、组合机床的通用零部件都己标准化、系列化，因而可以组织成批生产，这样 不仅可提高制造精度，而且可以降低机床的成本，加快专用机床制造的速度。 ( 4 ) 、组合机床自动化程度高，便于维修，通用的易耗易损件可以提前准备，必要 时甚至可以改换整个通用部件。 ( 5 ) 、便于产品更新。当改变加工对象时，通用部件可以重新利用，改装成新的专 用机床。 但由于组合机床的通用部件不是为某一种机床设计的，具有较广的适应性，而且 规格也有限，这样就使组合机床的结构较一般专用机床稍为复杂。组合机床改装时， 约有1 0 2 0 的零件不能利用，改装劳动量也较大 1 2 3 组合机床的应用范围 从生产规模方面考虑，由于组合机床是一种高效率自动化机床，并且能从多方面、 多工位对一个或多个工件同时进行多刀加工，因而特别适用于成批、大量定型产品的 加工。目前，我国组合机床已经越来越广泛地应用于汽车、拖拉机、内燃机、电机、 阀门、自行车、缝纫机、仪器仪表、机床制造及国防工业等部门。 从工艺内容考虑，组合机床的一个显著特点是加工时零件大都固定不动，由刀具 旋转及进给来完成加工循环。因此目前主要用于孔加工和平面加工，如钻孔、扩孔、 铰孔、沟槽及成型表面加工、铣端面、锪平面和螺纹加工。此外，还可进行短外圆车 削、平面磨削、拉孔和n d , 槽等加工，也可完成一些非切削加工，如简单的装配工序、 检查等。组合机床最适于加工箱体类零件，如气缸体、气缸盖、变速箱体、电机座及 仪器仪表壳体等。对于轮盘类、轴类、叉架类和盖板类零件也可以完成许多加工工序。 4 1 2 4 组合机床的发展概况 组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工 艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能 源、军工、轻工、家电等行业。我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、 电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件f 近 年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额1 ) ，完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各 种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。组 合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、 立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等；随着技术的不断进步，一 种新型的组合机床一一柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可 换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器( p l c ) 、数字控制( n c ) 等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组 合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机( 清洗机、装配机、 综合测量机、试验机、输送线) 等在组合机床行业中所占份额也越来越大1 。由于组合 机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设 计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。 我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需 的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投 资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工 艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性化方向发展，满足用户需 求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。随着市场竞争的加剧和对产品需求的提高，高 精度、高生产率、柔性化、多品种、短周期、数控组合机床及其自动线正在冲击着传 统的组合机床行业企业，因此组合机床装备的发展思路必须是以提高组合机床加工精 度、组合机床柔性、组合机床工作可靠性和组合机床技术的成套性为主攻方向。一方 面，加强数控技术的应用，提高组合机床产品数控化率；另一方面，进一步发展新型 部件，尤其是多坐标部件，使其模块化、柔性化，适应可调可变、多品种加工的市场 需求。 由于专用机床是一种“量体裁衣 产品，具有高效自动化的优点，是大批量生产 企业的理想装备。随着制造技术的进步，数控技术的普及，专用机床的数控化发展也 很快，专用机床在生产实践中占有一定的比重。据有关资料介绍，日本2 0 0 1 年专用机 床产值占机床产值的比达到8 8 9 6 ；我国台湾省这一数字达到6 9 ；而我国仅0 6 7 。 所以，在当前产品结构调整中，发展专用机床是行业发展中的一个值得注意的问题。 专用机床及其自动化生产线的制造，与大量生产汽车等性质不样，也与普通机 床的制造性质不一样，它具有两个极其鲜明的特征：一是集成性。用户订购专用机床 都是要求交钥匙工程，它集加工工艺( 含工艺方法及工艺参数) 、机床、夹具、工具( 包 含辅助) 的开发设计与选择，检验测量( 包括进入机床前的毛坯检验、加工中及成品 的检验测量) 物流的输送，切屑和冷却液的防护与处理等于一体。它不仅仅解决其中 的某一问题，而是要解决好涉及较宽的技术领域可能遇到的每一个问题。二是单一性。 专用机床几乎都是单台性生产，要根据用户提出的要求，进行一次性开发，一次性制 造，而且还要保证一次性成功h 1 。 1 3 本课题研究的内容、目的及意义 本课题研究的主要内容： ( 1 ) 根据环形打孔铣平面机的技术要求及加工工艺制定总体设计方案； ( 2 ) 对机床各零部件进行结构设计与校核，并用c a t i a 软件建立实体模型，根 据机床的装配关系建立机床总体装配模型； ( 3 ) 对机床关键部件回转臂进行a n s y s 有限元分析，全面分析其受力特点， 建立有限元模型，进行静力分析与模态分析，根据分析结果验证设计方案可靠性； ( 4 ) 对机床进行总体精度分析，验证设计方案所能达到的精度。 环形打孔铣平面机集钻孔、铣平面于一体，针对大型工件所研制，采用数控回转 工作台、环形磁栅尺进行分度定位，回转臂可以3 6 0 。旋转。在保证加工质量的同时， 提高加工效率，提高自动化程度，减轻劳动强度，降低加工成本。从工艺内容考虑， 组合机床的一个显著特点是加工时零件大都固定不动，由刀具旋转及进给来完成加工 循环。从生产规模方面考虑，由于组合机床是一种高效率自动化机床，并且能从多方 面、多工位对一个或多个工件同时进行多刀加工，因而特别适用于成批、大量定型产 品的加工。 随着计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展，制造业中有许多新概念、新观点 应运而生，集成化、网络化、敏捷化、数字化、虚拟化与智能化构成了当前制造系统 发展的主要特点。其中，数控技术作为现代制造技术代表，以其高柔性、高效率、高 质量的特点受到企业的青睐，各种数控产品在现在制造业中得到了广泛的应用。目前， 在世界市场上数控功能部件品种繁多，技术成熟，专业化生产，发展蓬勃迅猛。本研 究课题中将数控功能部件纳入组合机床功能部件范畴，通过对市场上现成的数控功能 部件进行必要的改造后结合其他传统的组合机床功能部件完成对机床的设计，提高了 机床的整体柔性，克服了传统组合机床刚性有余而柔性不足的缺点，对今后企业应用 组合机床技术具有一定的指导意义。 6 第二章环形打孑l 铣平面机的总体设计方案 2 1 机床的加工对象及工艺分析 2 1 1 机床的1 j n t 对象 l 、回转盘： ( 1 ) 、平面针齿轮轨道加工，直径5 0 0 0 1 2 0 0 0 m m ，宽度1 0 0 2 0 0 m m o ， ( 2 ) 、针齿轮加工：直径4 , 6 0 7 5 r a m ，孔深1 5 0 3 0 0 m m ，孔距精度0 5 5 r a m ； 2 、环梁： ( 1 ) 、水平滚轮轨道加工，垂直面，直径妒5 0 0 0 一9 0 0 0 m m ； ( 2 ) 、针齿轮加工：直径4 p 6 0 7 5 r a m ，孔深1 5 0 3 0 0 m m ，孔距精度0 5 5 r a m ； 3 、机台： 平面轨道加工，直径驴2 8 0 0 3 0 0 0 r a m ，工件高度6 0 0 2 5 0 0 m m ； 2 1 2 机床的组成 1 、数控回转工作台 数控回转工作台承载机床的大部分载荷，分度定位精度高，定位刚性好，分度所 需时间短，精度保持时间长，工作安全可靠是对回转工作台的要求。工作台由伺服系 统、减速器、齿轮回转支撑等几部分组成。 2 、钻铣回转臂 钻铣回转臂是机床的重要组成部分，为铣削动力头与钻削动力头提供支撑，可以 实现3 6 0 。旋转，完成对工件各种工序的加工。 3 、动力头进给部分 由伺服电机驱动，导轨与滚珠丝杠共同实现动力头的水平进给与垂直进给，同时 由磁栅尺进行计数。 4 、滚动支撑与电磁锁紧装置 电磁锁紧装置主要是保证加工过程中机床的平稳，提高加工精度，同时也对机床 的伺服系统提供一定的保护。 5 、环形导轨 支撑车在环形导轨上滚动，为回转臂提供支撑。 6 、通用部件 通用部件主要包括铣削动力头、钻削动力头以及切削液系统。切削液系统主要包 括切削液供给系统和切削液。切削液的主要作用是润滑、冷却、清洗、防锈等。 7 2 1 3 机床的加工工艺 一、分度钻孔： ( 1 ) 、数控回转工作台，由伺服电机、减速器、齿轮式回转支撑、回转工作台组成： 由数控系统实现分度回转，保证孔距精度0 5 5 r a m ，实现环形针齿轮的分度加工。在回 转工作台上安有环形磁栅尺，记录分度定位位置，形成闭环数控系统。 ( 2 ) 、回转臂上设置钻削动力头，由数控系统控制进行分度打孔，回转臂上设置移 动滑台，钻削动力头可在半径2 0 0 0 6 0 0 0 m m 范围内移动，保证妒4 0 0 0 。1 2 0 0 0 m m 范 围内的打孔要求。 ( 3 ) 、锁紧机构：在支撑车与导轨面之间设置电磁锁紧装置，在分度打孔时进行定 位锁紧。 二、铣削环形平面和内圆柱面： ( 1 ) 、数控回转工作台上安装回转臂，回转臂上安装动力头垂直进给机构。由垂直 进给机构实现动力头对不同加工工件高度的调整，调整行程可达1 2 m 。 ( 2 ) 、铣环形平面和内圆柱平面：铣削动力头的铣刀可以9 0 。回转，即可实现动力 头的垂直位置和水平位置变换。当加工平面时动力头垂直，加工垂直面时动力头水平。 2 2 机床的总体布局 根据加工对象的特点，通过对机床加工工艺的分析，本机床采用环形布局，可以 大大提高加工效率，降低劳动强度，总体布局简图见图2 - 1 。 图2 - 1 机床总体布局简图 机床由数控回转工作台、钻铣回转臂、垂直升降装置、环形导轨、铣削动力头、 钻削动力头、支撑动力车等几部分组成。数控回转工作台通过伺服电机驱动，由磁栅 尺保证精确分度，带动钴铣回转臂3 6 0 。转动。铣削动力头与钻削动力头可以在导轨上 水平移动，同时可以在垂直方向上移动，以确保零件) j l - r 要求。 8 地基采用钢筋混凝土结构，环形导轨安装在地基外圆的凸台上，地基内部呈放射 状铺设工字钢垫铁，放置工件。鉴于本机床属于大型机床，为了保证加工过程中的安 全稳定，在钻铣回转臂的外侧加装支撑滚动与电磁锁紧机构。 2 3 机床的主要技术参数 回转台伺服电机：2 0 4 k w 铣削动力头电机：7 5 k w 钻削动力头电机：7 5 k w 水平进给电机：0 7 5 k w 垂直进给电机：3 5 k w 磁力吸盘：7 2 w 总功率：4 3 9 k w 外形尺寸：1 3 1 3 x 3 m 2 4 机床的电气控制设计方案 机床的设计分为机械结构部分与电气控制部分，本文重点对机床的机械结构部分 展开研究论述，本节只对电气控制系统做简要概述。 2 4 1 数控系统的选择 鉴于本系统主要用于完成高精度分度的单轴数控系统，因此选用西门子s i n u m e r i k 8 0 2 c b l 数控系统，其主要特点如下： ( 1 ) 、结构紧凑，高度集成于一体的数控单元、操作面板和输入输出单元。 ( 2 ) 、机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易。 ( 3 ) 、简单而友好的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用。 ( 4 ) 、可独立于其他部件进行安装。坚固而又节省空间的设计，使它可以安装到最 方便用户的位置。 ( 5 ) 、操作面板提供了所有的数控操作，编程和机床控制按键以及8 英寸l c d 显示 器，同时还提供1 2 个带有l e d 的用户自定义键。工作方式选择( 6 种) ，进给速度修 调，主轴速度修调，数控启动与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作。 ( 6 ) 、可以达到4 层嵌套子程序功能，子程序运行可达9 9 9 9 次。 ( 7 ) 、2 5 6 k 超大容量掉电保护存储器，最大5 0 个程序的容量，确保复杂程序装载。 回转工作台采用西f - jt ：1 f f 6 高性能交流伺服电机与s i m o d r i v e 6 1 1 驱动，系统 定位采用性能优越的高精度全闭环控制方式。 9 2 4 2 逻辑控制方式 为便于远程调试和操作，该设备设置主辅两个操作站，主站和电气柜一起放置， 辅站随回转臂一起移动。逻辑i o 采用s i n u m e r i k8 0 2 c b l 数控系统内置的p l c 控制， 为弥补p l c 点数的不足，系统再配置一块3 2 输入3 2 输出的p l c 扩展模块。这样p l c 的总点数可以达到8 0 点输入和4 8 点输出，可以充分满足设备需求。此外，采用p l c 控制可以使接线大为简化，不但安装十分方便，而且工作可靠，降低了故障率，减小 了维修量，提高了工效。 2 4 3 电气定位精度 由于分度要求的精度高，而且钻铣回转臂较长，为保证系统的定位精度，考虑到 机床的工作环境，数控回转工作台采用圆磁栅作为位置反馈元件，圆磁栅安装在回转 臂回转支撑一端，随回转臂同步转动，与伺服电机形成闭环控制。动力头的进给采用 长磁栅作为反馈元件，读数头安装在动力头的移动支座上，进行进给控制与反馈。 2 5 本章小结 本章从机床的总体出发，根据机床的加工对象，对机床进行了工艺分析，同时对 机床进行了总体布局设计，确定了机床的相关配置，这为下面的进一步设计奠定了基 础。 1 0 第三章环形打孑l 铣平面机的机械结构设计 在总体方案设计的基础上，本章主要阐述环形打孔铣平面机机械结构部分的详细 设计过程。环形打孔铣平面机由数控回转工作台、钻铣回转臂、滚动支撑与电磁锁紧、 通用部件等几部分组成，如图3 1 所示。 图3 - 1 环形打孔铣平面机总体结构图 卜底座2 一推力轴承3 一箱体4 一大齿轮5 一环形导轨6 一主轴7 一回转支撑8 一圆磁栅9 一回转臂 1 0 一长磁栅1 1 - 导轨1 2 - 滚珠丝杠1 3 一滚珠丝杠1 4 - 铣削动力头1 5 - 伺服电机1 6 一滚珠丝杠 1 7 - 导轨1 8 - 伺服电机1 9 - 滚珠丝杠2 0 - 导轨2 1 - 钻削动力头2 2 一伺服电机2 3 - 伺服电机 2 4 一电磁锁紧2 5 - 滚动支撑2 6 - d 齿轮2 7 一小轴2 8 一行星减速器2 9 - 伺服电机 3 1 数控回转工作台的设计 数控回转工作台承载机床的大部分载荷。分度定位精度高，定位刚性好，分度所 需时间短，精度保持时间长，工作安全可靠是对回转工作台的要求。工作台由伺服系 统、减速器、齿轮回转支撑等几部分组成。 3 1 1 伺服系统的组成 转台伺服系统由以下几部分组成： ( 1 ) 、上位机系统：提供用户一个人机界面，向下位机发送转台工作状态参数并显 示转台的工作状况。 ( 2 ) 、运动控制系统：包括使转台按照一定的运动规律转动的伺服电机、伺服驱动 单元、角度检测单元及实时控制计算机，它们组成一个位置闭环控制系统，可以精确 地控制电机的转角，从而保证转台的运动规律及稳定在任意角度和连续跟踪。 ( 3 ) 、机械系统：传动机构( 减速器) 、执行机构( 转台) 。 3 1 2 伺服电机的选择 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电 信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类， 其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。常 用的伺服电机有三类：直流伺服电机，交流伺服电机，步进电机畸。 直流伺服电机具有体积小、转矩大、功率重量比大、功率体积比大、稳定性好等 优点，缺点是维护性不好，散热不好。交流伺服电机特点是高可靠性、低维护保养要 求，散热容易，转子转动惯量小，快速性好，功率体积比更大，同时克服了直流伺服 电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负 荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。交流伺服要好一些，因为是正弦波 控制，转矩脉动小。步进电机转子的运动位移取决于脉冲的个数，速度取决于脉冲的 频率，优点是误差不会长期积累，它的最大缺点在于容易失步，特别是在大负载和速 度较高的情况下，失步更容易发生。直流伺服电机的维护费用高，且无法保证长时间 运转，故本系统不宜选用直流伺服电机；步进电机用于开环伺服系统，所研制的系统 为闭环控制系统，也不适合选为该系统的执行电机；转台伺服系统对所用的伺服电机 要求如下：灵活方便的位置控制，定位准确精度高；可靠性好，方便计算机控制；响 应快，换向性能好；能长时间连续工作不需要维护。交流伺服电机控制技术很成熟， 市面上有很好的产品，从性能上完全满足本伺服系统的要求，故本伺服选用了交流伺 服电机。 根据负载惯量来选择电机型号引，由c a t i a 软件建立实体模型，计算出最大负载 惯量约为5 x 1 0 4 k g m2 ，选取行星减速器传动比为1 0 0 ，圆柱齿轮减速比为7 ，负载的转 动惯量转换到伺服电机惯量约为： j 。冬。! 塑氅；o 1 0 2 k g i i l ： ( 3 1 ) i 2 ( 7 1 0 0 ) 。 为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求，负载惯量应 限制在2 5 倍的电机惯量之内，故伺服电机的转动惯量应 j m 西j = 4 。8 1 0 - 3 k g m 2 ( 3 2 ) 本设计选用西门子1 f t 6 交流伺服电机。该型号电机特性如下：高功率、小体积； 如图3 - 2 所示，电机参数见表3 1 ： 1 2 表3 - 1 伺服电机参数 额定功率额定扭矩额定转速转动惯量 电机型号 ( k w )( n m ) ( r p m )( 1 0 3 k g m 2 ) 1 f t 6 1 3 4 6 s b 72 0 4 1 3 01 5 0 05 47 3 1 3 减速器的选择 图3 - 2 伺服电机外形图 减速器采用行星减速器行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度 较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。 减速器减速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但要注意不 能超出减速器额定扭矩。减速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。 奉设计中选用泰星减速机股份有限公司生产的n g w 4 2 a 型行星减速器，传动比为1 0 0 3 1 4 圆磁栅尺的选择 为了记录分度位置，保证定位精度，回转臂安装圆磁栅尺，与伺服电机形成闭环 控制。磁栅传感器由磁栅、磁头和检测电路组成。磁尺是用非导磁性材料做尺基，在 尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜，然后录上一定波长的磁信号而制成的。 磁栅尺测量的工作原理：如图3 - 3 所示磁栅尺是在非导磁材料上涂一层1 0 - 2 单m 的磁胶。这种磁胶多足镍合金高导磁性材料与树胶相混合制成的，其抗拉强度要高一 些，不易变形。然后在这条磁性带上记录磁极n 极和s 极相间变化，在磁带e 录成 n 极和s 极是用录磁磁头来制成的，将相等3 7 口e ( 常为2 0 0 m 或5 吮m ) 周期变化的电信 号以磁的方式记录到磁性尺上，用它作为测量位移的基准尺在检测位移时，用拾磁磁 头读取记录在磁性标尺上的碰信号，通过检测电路将位移帚用数字显示出来或送入位 置环。测量用的磁栅与普通的磁带不同。测量用的磁栅磁性标尺的等距，录磁的精度 】3 要高，需在高精度的专用录磁设备上对磁栅标尺进行录磁。当磁尺与抬磁磁头之间的 相对运动速度很低或处于静止状态时，也能进行位置测量，测量只与位置有关，与速 度无关。 3 1 5 主轴的设计 图3 4 磁栅尺结构图 轴足机床中的重要零件，它的功能是用来支撑机器中旋转零部件，如带轮、齿轮、 蜗轮、链轮、联轴器、离合器、滚动轴承等，使其定位，并传递运动和转矩。轴的失 效形式与轴的廊力性质和大小、轴材料的力学性能、轴的结构形状、轴的加工方法及 轴的工作环境等因素有关。 轴常见的失效形式有：疲劳断裂、塑性变形或脆性断裂、过大的弯曲变形或扭转 变形、高速工作振幅过大等。 主轴的结构如图3 5 所示： 户垮h ，i o o 】2 1 a b l 拶鄢 i 哆a 一 、 0 1! 霸 ，、 ：墨0 苎 昌昌暑三d 口 + 毒 b o 卜、 百 7300 7 09 03 一 1 0 0 二 ，ab5 0 一 1 6 0 0 图3 5 主轴结构简图 3 151 主轴的强度校核 轴的强度计算主要有三种方法：许用切应力计算，许用弯曲应力计算，安全系数 校核计算。 许用切应力计算只需知道转矩的大小，方法简便，但计算精度较低。它