（机械电子工程专业论文）bd2510型数控龙门移动式三维钻床的研制.pdf

中文摘要 国产数控三维钻床的加工能力小，加工效率低，智能化水平与国外产品相比也有较 大差距，不能满足高速发展的数控加工行业的需要。研制出具有良好动静态特性，加工 范围大的数控三维钻床，与进口产品形成真正的竞争是目前的数控钢结构加工设备行业 的迫切需求。本文根据山东省创新项目“数控龙门移动式大截面型钢高速钻孔设备的研 究与开发”，针对当前我国大截面型钢加工设备的不足，设计开发了b d 2 5 1 0 型数控龙 门移动式三维钻床，并运用有限元分析软件a n s y s 对床身底座进行了动静态分析和结构 优化。主要内容如下： 1 首先对整机结构进行了研究，根据机床的主要功能，对机床的机械系统和控制系 统两部分进行整体方案设计，确定了机床的总体布局。 2 设计了机床床身、龙门机架和动力头等主要机械部件，利用三维实体建模软件 p r o e 对机床各部件进行了三维实体建模和装配，并进行了主传动、伺服传动和龙门齿 轮齿条传动设计计算和选型。 3 床身是数控龙门移动式三维钻床的基础部件，床身结构的好坏对整个机床性能起 到至关重要的影响。为了保证该设备床身的结构合理和优化，对床身的主要组成部件床 身底座进行了有限元分析，有限元分析软件采用的是目前比较通用的a n s y s 。利用a n s y s 对床身底座进行了静力分析和模态分析，预测机床工作过程中的受力和变形情况。在 a n s y s 中得到了床身底座的静态变形量以及前五阶的固有频率和振型，并且根据振型找 出床身的薄弱环节。根据前面的分析结果提出了三种改进方案，对床身的结构进行了改 进设计，并确定了较优的改进方案，为将来机床的改进或产品的系列化提供了参考依据。 4 针对数控龙门移动式三维钻床的加工特点，设计了一种基于p l c 的三维钻床控制 系统。根据数控龙门移动式三维钻床控制系统的加工任务要求，分析了机床控制系统的 主要原理，给出了控制系统的硬件结构和软件流程。建立了p l c 与定位模块间的信息通 讯模式，设计了定位模块与伺服系统之间的连接线路。给出了基于c p u 、定位模块、i o 模块的伺服驱动系统的硬件设计，进行了龙门运动的同步检测，实现了机床龙门和动力 头的运动控制。 关键词：三维钻床：建模；有限元分析；结构优化；p l c r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fb d 2 5 1 0 c n cg a n t r y 。m o v i n gt y p e t h r e e d i m e n s i o n a ld r i l l i n gm a c h i n e a b s t r a c t d o m e s t i ct h r e e d i m e n s i o n a ld r i l l i n gm a c h i n e sc a p a c i t yi ss m a l l ，p r o c e s s i n ge f f i c i e n c yi s l o w a i l di n t e l l i g e n c ec o m p a r e dw i t ht h ef o r e i g np r o d u c t sh a s al a r g eg a p ，s oi tc a n tm e e tt h e h i 曲s p e e dd e v e l o p m e n to f n u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n gi n d u s t r yn e e d s d e v e l o p e dt h en e w t h r e e d i m e n s i o n a ld r i l l i n gm a c h i n et h a tn o to n l yw i t hg o o dd y n a m i c a n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c b u ta l s oh a sp r o c e s s i n gc a p a c i t y , a n df o r m e dr e a lc o m p e t i t i o nw i t hi m p o r t e dp r o d u c t sa r et h e u r g e n tn e e d so ft h ec u r r e n tc n c s t e e ls t r u c t u r ep r o c e s s i n ge q u i p m e mi n d u s t r y i nv i e wo f c u r r e n ts h o n a g eo ft h eg r e a t s e c t i o ns t e e lp r o c e s s i n ge q u i p m e m ，t h eb d 2 5 10 t y p e g a n t r y m o v i n gt y p et h r e e d i m e n s i o n a ld r i l l i n gm a c h i n ew a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d i nt h i s p a p e rt h a ta c c o r d i n g t ot h es h a n d o n gp r o v i n c ei n n o v a t i v ep r o j e c t _ r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n to ft h eg r e a ts e c t i o n s t e e lh i g h - s p e e dn u m e r i c a lc o n t r o ld r i l l i n ge q u i p m e n t f u n h e n l l o r et h ed y n a m i ca n ds t a t i ca n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no f t h el a t h eb e db a s e w a sp r o c e s s e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 1 f i r s t l yt h e w h o l es t r u c t u r ew a ss t u d i e d m a c h i n e ，m e c h a n i c a ls y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m s o f t w a r ea n s y s m a i n l ya sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h em a i nf u n c t i o n s o ft h e d e s i g n e da n dt h eg e n e r a ll a y o m d e t e r m i n e d 2 t h em a i nm e c h a n i c a lc o m p o n e n t ss u c ha sl a t h eb e d ，l o n g m e nf r a m ea n dp o w e ru n i t w e r ed e s i g n e d t h et h r e e d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e l i n gw e r ef o u n d e du s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a l e n t i t ym o d e l i n gs o 脚a r ep r o e c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no fm a i nt r a n s m i s s i o n , s e r v o d r i v e a n di o n g m e ns u p e r - m o d u l u sg e a r t r a n s m i s s i o nw e r ep e r f o r m e d 3 t h el a t h eb e dw a st h ef o u n d a t i o np a r to ft h r e e d i m e n s i o n a ld r i l l i n gm a c h i n e ，a n di t s s t r u c t u r eh a de x e r t e ds i g n i f i c a n ti n f l u e n c et ot h eq u a l i t yo f t h em a c h i n ep e r f o r m a n c e c a r r y o naf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h el a t h eb e db a s e ，i no r d e rt oe n s u r ea r a t i o n a ls t r u c t u r ea n d o p t i m i z i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eu s e dt h ea n s y sw h i c hw a s a tp r e s e n tm o 陀 业e n e r a i a n s y sw a su s e dt om a k eb e dt h eb a s es t a t i ca n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i sa n d i o r e c a s ts t r e s sm a dd e l b r m a t i o ni nt h ew o r kp r o c e s so f t h em a c h i n e t h es t a t i cd e f o r m a t i o n q l i a n t i t ya n dt h e6 r s tf i v eo r d e r n a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d eo fl a t h eb e db a s ew e 陀 g o ti na n s y s a n da c c o r d i n gt ot h em o d et of i n do u tt h ew e a kl i n k so ft h el a t h eb e d t h el a t h e b e ds t r u c t u r ew a sp u tf o r w a r dt h r e ei m p r o v e m e n ts c h e m e sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff r o n t a n a l y s i sa n di t ss t r u c t u r ew a si m p r o v e dd e s i g n t h eb e s ti m p r o v e m e n tp l a nw a sd e t e r m i n e d a n di tw a sp r o v i d e dar e f e r e n c ef o rt h ef u t u r eo fm a c h i n e si m p r o v e m e n to rs e r i a l i z a t i o no f p r o d u c t s 4 a i m i n ga tp r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c so fg a n t r y - m o v i n gt y p et h r e e d i m e n s i o n a ld r i l l i n g m a c h i n e ，ac o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db a s e do np l c a c c o r d i n gt ot h e p r o c e s s i n gt a s kr e q u i r e m e n tf o rm a c h i n e ，t h em a i np r i n c i p l e o ft h ec o n t r o ls y s t e mw a s a n a l y z e da n dt h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r ep r o c e s sw e r ed e s i g n e di nt h ep a p e r t h e i n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o nm o d eb e t w e e np l ca n dt h eo r i e n t a t i o nm o d u l ew e r ee s t a b l i s h e d ， a n dt h ec o n n e c t i o n so fo r i e n t a t i o nm o d u l ea n ds e r v os y s t e mw e r ef o u n d t h eh a r d w a r ed e s i g n o fs e r v o s y s t e mw a sm a d eb a s e do nh i g h p e r f o r m a n c ec p u ，o r i e n t a t i o nm o d u l ea n di 0 m o d u l e t h em o v e m e n ts y n c h r o n i z a t i o no fg a n t r yw a sd e t e c t e d ，a n dm o t i o nc o n t r o lo f g a n t r y m o v i n ga n dp o w e ru n i tw a si m p l e m e n t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e st h a tt h e c o n t r o ls y s t e mi sr u n n i n gr e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o n a ld r i l l i n gm a c h i n e ；m o d e l i n g ；f i n i t e - e l e m e n ta n a l y s i s ； s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ；p l c l 前言 1 1 研究背景 、 当今世界的建筑行业越来越关注环保、节能和高效，因此具有规划简单、发运及时， 能够跟踪生产等优点的钢结构，已经成为建筑设计师和建筑公司的首选。由于钢结构建 筑造型比砖混结构建筑具有明显优势，钢结构在建筑结构中所占的比例越来越重，如鸟 巢体育场、中央电视台、北京电视台、国家大剧院等都是钢结构。钢结构中的h 型钢、 箱型梁等大截面型钢是所有现代民用和工业建筑中的支撑框架，应用最广的就是h 型钢。 数控钢结构加工设备是钢结构规模生产质量保证的关键，在1 9 9 8 年前这类加工设 备主要依赖进口，目前国产数控钢结构加工设备的技术水平还比较落后，进口装备仍然 占据市场主导地位。由于长期以来对新技术的应用相对滞后，国内机床产品的总体技术 水平比之先进国家同类机床还有着相当的差距，劳动生产率低下，在国际市场中竞争力 不足，经济效益不高。面对这一严峻的形势，尽快应用先进的设计技术，快速开发出结 构合理、自动化水平高、加工精度高、低振动、低成本的机床新产品响应市场，我们的 机床工业才有出路( 倪向阳，2 0 0 5 ) 。 钢结构行业的发展对钢结构加工设备也提出了更高的要求，建筑用h 型钢截面大多 在1 0 0 0 5 0 0 m m ( 腹板x 翼宽) 以下，选用中小型钢结构加工设备可以满足要求，但是超 高层的商用建筑，型钢的截面尺寸较大，如上海环球金融中心的箱型柱竟达 2 0 0 0 x1 0 0 0 m m ，普通类机床很难实现高精度高效钻孔作业。数控龙门移动式三维钻床就 是针对当前我国大截面型钢行业数控钻床加工尺寸小、精度差等问题研制开发的一种专 用的大型数控钢结构加工设备，主要面向超高层的商用建筑用的大截面型钢，最大加工 截面尺寸可达2 5 0 0x1 0 0 0 m m 。 1 2 国内外钢结构加工设备的研究现状 1 2 1 国外研究现状 德国、日本和美国等发达国家钢结构装备的使用已非常普遍。据不完全统计，目前 国外生产钢结构装备的厂家己有3 0 多家，这还不包括一些著名厂家在其他国家的子公 司或分厂。国际钢结构数控加工设备生产厂商在全球市场份额较大的主要有意大利 f i c e p 公司；德国k a l t e n b a c h 公司；法国v o o r t m a n 公司：v e r n e tb e h r i n g e r 公司和美 国p e d d i n g h a u s 公司；日本大东精机公司( d a i d o u ) ，西班牙的s a a b i 等。这几家公司 b d 2 51 0 型数控龙门移动式三维钻床的研制 都具有近百年以上的历史，代表着该领域在世界上最高的技术发展水平。国外对于h 型 钢的加工，始于六七十年代，1 9 6 9 年f i c e p 公司生产了钢结构加工的第一条数控生产 线，1 9 7 5 年同本大东精机开发了用于钢结构加工的数控钻床。 随着数控技术、液压气动技术、运动元件及计算机等相关技术的发展，数控三维钻 也有了很大的发展，性能不断地提高，功能逐步地增强。网络技术和数控系统的发展将 使制造厂家对其遍布世界各地的机床进行远程诊断和维修成为现实。同时网络化和智能 化程度也是体现产品优劣的重要评定标志。各个厂家的产品不断地推陈出新，这既是为 了规避己有专利技术，也是展示个性技术，以便争夺市场。 欧美国家的产品发展趋势就是向高效率、网络化、智能化方向发展，设备的可靠性、 精度的稳定性、复合多功能、柔化性、智能化程度高。但由于国外产品价格非常昂贵， 实力雄厚的钢结构加工企业也难下决心购买，因此，他们目前的主要市场还是欧美等发 达国家。在亚洲地区，日韩的数控钢结构加工设备发展较好，但产品主要是均采用工件 运动的数控送料结构，加工工件尺寸受限制，加工能力较小。 1 2 2 国内研究现状 我国钢结构数控加工设备起步在八十年代初，主要以冶金、铁道、电力、船舶、机 械等重型钢结构制造行业从国外引进和技术改造的制造装备。钢结构数控加工设备的制 造在我国虽然起步较晚，但是发展的势头迅猛。1 9 9 8 年以后国内专业生产的h 型钢在品 种、规格、交货期、质量方面已渐趋国际水准，蜂拥而起的h 型钢专业生产，也为钢结 构构件成套加工设备的推广起到积极的推动作用( 马云祥，2 0 1 0 ) 。2 0 0 4 年以前，国内市 场主要由国外公司占领，随着我国该领域多家企业的快速崛起，国外公司产品在中国的 市场份额已逐年大幅减少。国内钢结构加工设备与国外产品相比具有自己的技术特点， 目前已形成了较强的配套能力。国产数控加工装备产品系列能够对热轧型钢( 工、槽、 角钢及圆管、方矩管) 及各种钢结构件进行切割、焊接、冲孔、钻孔、切断、铣切、打 标记等一系列加工以数字式操作程序进行作业。数控三维钻，转角带锯、卧式万能钻铣 床、数控冲割复合机等产品与国外同类型产品相比具有良好的性价比，逐渐取代了进口 设备。 随着我国数控机床行业的发展，提高钢结构加工设备的数控化水平对提高生产率、 改进产品加工质量以及改善劳动条件起到了关键性的作用。近年来，随着我国的机床工 业的迅速发展，人们开始越来越广泛地重视机床的工作效率，加工精度，并要求机床设 2 计合理、结构简单、性能可靠、操作简单，调整维修方便。尽管如此在钢结构数控加工 设备的规格、加工工艺、满足各种用户的需求方面欧美一些发达国家相比仍有一定的差 距。国产化比率逐步提高，零部件的加工效率、加工质量以及加工精度的提高，对配套 加工设备也提出了更高的要求，例如生产焊接h 型钢的牛产线所用设备，部分是数控设 备，大多数设备采用人工控制，自动化程度依然低。 1 3 国内外数控钻孔设备的研究现状 1 3 1 国外研究现状 数控钻孔设备中，最早成批牛产数控钻床是美国的p w 于1 9 6 1 年，现在c i n c i n n a t i 、 吉田、兄弟等都能牛产高性能数控钻床、数控转塔钻床和钻削中心。v 6 3 0 型数控三维钻 床是v o o r t m a n 公司加工型钢的最先进设备，对于钢结构行业，v 6 3 0 在整体性能和产品 设计方面都做出了完善。该设备装有三个钻削动力头，能在水平和垂直方向进行灵活加 工。大马力主轴可完成各种钻头的快速钻孔过程，加工工件的最大截面尺寸为1 2 5 0 1 0 5 0 m m ( 腹高翼宽) 。 近几年，意大利f i c e p 公司推出的多轴h 型钢钻床，满足了在中小型h 型钢的自动 加工过程中的各种加工要求，确保加工的高质量、高精度、高效率及高灵活度。多轴h 型钢钻床，拥有上、左、右三个方向的独立动力头，每个动力头都有刀库，可完成磨削、 攻丝、扩孔和标记等各种功能，集成化高。 日本大东精机的c s d 、d n f 、d n e 系列数控三维钻，具有独特的三主轴x - y 定位方法， 定位精度高。另外德国k a l t e n b a c h 公司的k d 系列钻床，法国v e r n e tb e h r i n g e r 公司 的h d 系列，美国p e d d i n g h a u s 公司的b d l 系列，c o n t r o l l e da u t o m a t i o n 公司的d r l 系列，都是新一代的数控三维钻床，这些产品结构各异，但是都在钻孔的基础上，附加 了多功能刀库，产品的自动化、集成化程度高。 目前，国外的数控钻孔设备已经呈现出大功率、多丰轴、高效率等技术特点，其加 工范围大，从技术角度而言，性能优越：国外产品在核心传动部件的运行速度、精度与 可靠性，以及整个机床的制造工艺水平与质量，比国内产品有较大优势。但是与其它产 品一样，其高昂的价格是国内用户无法接受的，其高性能在国内也往往不使用。 1 3 2 国内研究现状 近几年我国大多数厂家牛产的数控钻孔设备的产品，床身较小，丰轴不多，不能完 全替代进口产品。因此对于要求加工精度高的大型钢材，如大型的h 型钢、槽钢、箱型 b d 2 51 0 型数控龙门移动式三维钻床的研制 梁、十字梁上的联接孔在国内的加工方式一般为，先按要求加工钢板上的孔，然后将带 孔的钢板焊接成h 型钢、槽钢、箱型梁、十字梁，不但加工精度低而且孔的定位精度差， 严重影响产品质量。而进口数控机床，价格昂贵，安装周期长，不易维修，并不一定适 合中国的国情。 目前国产c n c 数控三维钻床和卧式数控万能钻铣床是国内大截面型钢作业中先进的 加工设备。c n c 数控三维钻床，可广泛用于建筑、桥梁、电站锅炉等行业。尤其适用于 钢结构中h 型钢、箱形梁( b o x 梁) 和长条平板上孔的钻削，同时利用其测量功能，可为 下道工序( 焊接、锯切) 提供位置标记。它可加工的最大截面尺寸为1 2 5 0 6 0 0 m m ( 腹板 翼宽) 。 山东法因数控机械股份有限公司生产的b d l 0 1 0 3 和b d 2 0 0 3 型龙门移动式三维数 控钻床是应用于大型h 型钢的专用钻孔设备，可以在h 型钢和箱形梁的三个面同时钻孔， 加工工件的最大长度为1 8 m ，是目前加工型钢的最大钻孔设备。但是这两种设备，加工 能力较小，最大截面尺寸只有1 0 0 0 1 0 0 0 m m ，还不能够满足超高层商用建筑用的型钢的 要求。 卧式数控万能钻铣床丰要用于在变截面、超大截面钢构件上孔的加工。该设备还可 用于角钢、槽钢、方钢管，长条平板及变截面h 型钢和箱形梁各种孔的加工。但是该设 备只能在一个方向上进行加工，不能同时对h 型钢的腹板和翼板加工。 u d 系列万能数控钻、p d 3 0 型数控平面钻也可以用于钢结构加工行业大截面型钢的 加工。虽然这两种设备可以力n - r _ 大截面h 型钢，但是它们不是加工h 型钢的专用设备， 如果应用这两种设备进行h 型钢加工，费时费力，而且加工效率低。 钢结构的应用面很广，对钢结构成套加工设备需求有所不同：立体车库使用型钢截 面较小，大多在7 0 0 m m 4 0 0 m m ( 腹高翼宽) 以下，选用较小型二次加工设备即可：对 于建筑钢结构而言，h 型钢截面大多在1 0 0 0 x5 0 0 m m ( 腹板翼宽) 以下，选用这几种设 备都可以满足要求，但是对于超高层的商用建筑来说，其型钢的截面尺寸较大。上述几 种设备存在的主要问题是，加工工件的尺寸小，不是专门用于加工大截面型钢的设备， 很难实现高精度高效钻孔作业。 国产数控三维钻的生产加工效率较慢，智能化水平与国外产品相比也有较大的差 距，不能满足现代企业的生产管理需要。现在机械行业大部分设备仍然是六、七十年代 的设计制造水平，受多种因素的制约，提高企业的装备水平，不可能靠简单的再投入来 实现。开发与国外产品相当的高技术含量的数控钢结构加工设备，与进口产品形成真正 4 的竞争，是数控加工行业的迫切需求。通过对比国内外市场现有几种同类型数控机床， 不难得出这样一个结论：国内的几种型钢加工设备，机床加工范围有限，而且普遍不具 备大扭矩切削能力，如果仪从技术角度比较，国内现有产品在短期内根本无法满足市场 需求。 1 4 基于有限元法的机床结构设计分析与理论基础 近年来，由于机床振动和结构分析理论的迅速发展，先进的动态试验和分析技术的 不断出现，机床设计思想不断进步。随着信息技术的发展，计算机在控制、计算、分析 处理、仿真和管理等方面的广泛应用，使机床的设计方法和手段日渐丰富。国内在机床 结构优化领域的研究比较活跃，机床结构优化设计的内容十分丰富，涉及内容很多，包 括静力学，结构非线性分析，拓扑优化，模态分析，动力学分析等。 在机床设备中，机床床身等支承件的重量要占车床总重量的很大比重，这种大件结 构的材料和制造工艺费用在设计中必须加以考虑。目前对普通车床床身的设计缺乏有效 的理论依据，许多厂家靠类比进行定性的设计，这显然是难以满足要求的，且床身的设 计不尽合理，结构设计上存在不少缺陷。此外，机床结构件的设计，对保证静、动态加 工精度有着非常重要的意义。针对这些因素，有必要进行以减重为目的的床身结构优化。 目前机床的结构分析主要以有限元法为主，一般采用工程有限元软件进行几何建 模，并适当简化，建立有限元模型，结合实验测试数据确定模型的载荷。根据初步分析 的结果，对结构尺寸进行优化设计，根据优化分析结果修正有限元模型，确定机床的最 终结构尺寸( 刘涛等，2 0 0 2 ) 。有限元方法在机床结构设计中的应用主要有以下几个方 面( 杨永亮，2 0 0 6 ) ： ( 1 ) 静力学分析。这是对二维或者三维机床零件承载后的应力和应变的分析，是有 限元在机床设计中最基本、最常用的分析类型。 ( 2 ) 模态分析。这是动力学分析的一种，用于研究结构的固有频率和各振型等振动 特性。进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷 ( 3 ) 谐响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属于动力学分析，用于研究机床 对周期载荷和非周期载荷的动态响应。 ( 4 ) 热应力分析。用于研究结构内部温度的分布，以及机床内部的热应力。 ( 5 ) 接触分析。用于分析两个结构件接触时的接触面状态和法向力。 随着机床向着高速度、高精度高效率和轻量化的方向发展，机床的设计方法也从过 5 b d 2 5 1 0 型数控龙门移动式一i 维钻床的研制 去的经验设计，到有限元法的使用和数值模拟技术的引入，从不同方面对机床进行结构 分析和优化，取得了一定的成果。 兰州理工大学的王富强以v m c 7 5 0 立式加工中心床身为例，对影响精密机床床身动 态性能的因素进行了探究。建立床身的有限元模型，并对其进行动态分析和结构优化设 计，找出床身的薄弱环节，对其进行优化设计，提高床身的动态性能( 王富强，2 0 0 7 ) 。 东南大学和无锡机床股份有限公司对内圆圆磨床m z l 2 0 a 床身结构进行有限元分析 ( 伍建国，2 0 0 2 年) ，得到床身前几阶固有频率和振型，分析床身的内部筋板布置对结 构动态特性的影响。 山东大学郭明飞运用p r o e n g i n e e r 建立磨床有限元模型，导入a n s y s 软件进行了 床身的静态、模态分析，并在此基础上进行了床身结构的稳态热分析( 郭明飞，2 0 0 2 ) 。 吉林大学王义强以沈阳f i d i a 数控机床有限公司牛产的d 1 6 5 型高速铣床为研究对 象，对其进行了虚拟样机建模，并对床身进行了静、动态特性的分析与优化( 王义 强，2 0 0 6 ) 。 王艳辉、伍建国等人在确定精密机床床身合理结构的基础上，利用a n s y s 有限元软 件提供的a p d l 参数化设计语言和优化设计方法，以床身的肋板布置和肋板厚度为设计 参数，对床身进行结构设计参数的优化，确定了床身结构的合理参数。不仅大大提高了 床身的动态性能，而且节省了材料，降低了生产成本( 王艳辉等，2 0 0 3 ) 。 综上分析可知，在机床床身的研究上，已从静态向动态上发展，而且应用了各种各 样的技术。有限元法的使用和数值模拟技术的引入对床身进行模态分析和动态响应分 析，使床身的设计水平有很大的提高。 1 5 课题来源及主要内容 1 5 1 课题来源 本项目来自山东省技术创新项目“数控龙门移动式大截面型钢高速钻孔设备的研究 与开发 ( 项目号2 0 1l1 0 1 0 9 0 2 2 ) ，由山东农业大学和泰安山鹰数控机械有限公司共同 承担。 1 5 2 主要内容 ( 1 ) 根据机床的主要功能，设计了主要机械结构和部件，利用三维实体建模软件 p r o e 对机床各部件进行了三维实体建模和装配，试制了样机。 ( 2 ) 利用有限元分析软件a n s y s 对床身底座进行了静力分析和模态分析，得到了床 6 一山红i 丛业厶坐丝! ：兰丝淦幺 身底座的静态变形量以及前五阶的固有频率和振型，针对其薄弱环节，对床身底座的结 构进行了改进设计。 ( 3 ) 针对数控龙门移动式三维钻床的加工特点，设计了一种基于p l c 的三维钻床控 制系统。 7 b d 2 51 0 型数拧尼f 多幼武- f f i ：钻床的研：叫 2 机床总体方案的确定 本课题的研究对象是b d 2 5 1 0 型数控龙门移动式三维钻床，根据同内外的市场需求， 依照高效、可靠、方便的原则，同时消化吸收了国外同类产品的一些优点设计开发了该 数控龙门移动式三维钻床。该钻床适用于钢结构中h 型钢、槽钢、箱型梁、十字梁及长 条平板上联接孔的钻削。 b d 2 5 1 0 型数控龙门移动式三维钻床由机械系统和控制系统两部分构成。控制部分主 要介绍了p l c 控制系统的软、硬件设计，包括三个钻削动力轴和龙门横向移动的伺服控 制系统。在保证机床的足够刚性的情况下，尽量减少运动惯量。轴的移动采用精密的线 性导轨和滚珠丝杠，采用全数字交流数字驱动技术，有良好的动态响应特性和宽广的工 作适应性，是精密高速加工的技术保证。 2 1 机械系统 机械部分包括龙门、机床床身和动力头等。大型型钢移动速度太慢，移动所需的功 率太大，不宜于采用工件移动的方式，因此数控龙门移动式三维钻床采用工件固定，龙 门移动方式。龙门的运动采用齿条传动，配合双电机全闭环来实现精度定位。 图2 1 机饿系统 f i g 2 - im e c h a n i c a ls y s t e m 钻削系统具有三个独立运行的钻削动力头，即垂直、左、右钻削头，每个钻削动力 头均有两个数控轴驱动。三个方向钻削动力头可对h 型钢的腹板和翼板同时钻孔，动力 头的移动和进给运动均采用伺服控制。各钻头既可单独，又可同时完成其钻孔作业。经 一次装夹，可自动完成h 型钢孔组内( 包括腹板和两翼板) 所有孔的加工。钻削动力头不 仪能在垂直于工件送进的方向上数控定位移动，而且可以在工件送进的方向上数控准确 移动。所以，当h 型钏翼板和腹板上的孔不处于同一横截面时，仍可实现同时钻孔，比 钻削动力头不能沿工件送进方向上移动的三维钻床，提高效率5 0 9 6 以上。其机械系统如 图2 - 1 所示。 2 2 控制系统 控制系统由计算机、数控系统、伺服电机、光电编码器、p l c 等构成。只需输入工 件尺寸，自动生成i j n t _ 程序，可按件号随时存储、调用、显示和通讯。此外电气控制， 既可实现各加工参数单独的手动调整控制，又可实现全过程自动控制加工。 机床采用八个点位控制数控轴和三个均采用变频无级调速的自控行程钻孔主轴，h 型钢一次通过设备三个面上的孔均可加工完毕，效率高，孔位精度高。利用三维钻的数 控测量功能，并且还可以为钢构件3 n - r 的后道工序提供测量基准，即在钢构件上制作标 记( m a r k ) ，以便确定锯切位置。同时液压快速夹紧、自控行程动力头、c a d c a m 转换、 实时监控、远程诊断等新技术的运用使得该设备有效替代了同类数控设备的进口。数控 龙门移动式三维钻床具有腹板和翼板变形监测系统，可以将误差反馈给计算机自动修正 钻孔位置。h 型钢腹板钻孔时的变形，还具有增强h 型钢腹板刚度的液压多点支撑装置。 其中控制系统如图2 - 2 所示： 图2 - 2 挣制系统 f i g 2 2c o n t r o ls y s t e m 9 b d 2 5 1 0 型数控龙j 移动式：绷钻床的研：i | 4 3 机床机械结构设计及三维实体建模 木文采用三维造型软件p r o e 进行建模。p r o e 软件是美同p t c 公司的产品。p t c 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管 理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。p r o e 系统用户界面简洁，概念清晰，符合 工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。 p r o e n g i n e e r 还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。由于 p r o e n g i n e e r 是一个基于特征的三维建模系统，所以在p r o e n g i n e e r 中，所有模型的 建立都是通过一个一个的特征的建立来实现的。首先通过基本特征的建立，经有机结合 后形成零件模型，通过多个零件模型的装配组合，建立起部件甚至整个产品的三维模型。 在包括装配和工程图在内的所有模式中，p r o e n g i n e e r 零件特征都可以根据工程人员的 设计意图改变而变化。有了零件或装配体的模型后就可以生成平面工程图。此外，可以 根据模型生成数控程序，甚至进行模拟加工，还可以进行工程分析以及一些其他的应用。 p r o e 系统主要功能如下： ( 1 ) 支持大型、复杂组合件的设计( 规则排列的系列组件，交替排列，p r o p r o g r a m 的各种能用零件设计的程序化方法等) 。 ( 2 ) 具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。 ( 3 ) 参数化( 参数= 尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等) 真正的全相关性， 任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方。 ( 4 ) 具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。 ( 5 ) 容易使用，可以极大地提高设计效率。 由此可见，三维c a d 软件p r o e 由于具有全相关性和参数化驱动功能，可以实现三 维结构快速建模和修改。 3 1 机床整机模型的建立 用p r o e 建立数控龙门移动式三维钻床的整机模型时，首先建立所有零件模型，然 后按照装配关系进行装配。b d 2 5 1 0 型数控龙门移动式三维钻床的总装图，如图3 一l 所示。 i o 山尘：丛业厶生丝l ：坐i 垒幺 图3 - 1 数控龙门移动式三维钻床总装图 f i g 3 1c n cg e n e r a la s s e m b l yd r a w i n go fg a n t r y - m o v i n gt y p et h r e e - d i m e n s i o n a ld r i l l i n gm a c h i n e 数控龙门移动式三维钻床主要由床身、龙门机架、动力头、伺服传动系统、排屑器 等部件组成。设备总装图如图3 - 2 所示。 图3 - 2 数控龙门移动式二维钻床土视图 f i g 3 2f r o n tv i e wo f c n cg a n t r y - m o v i n gt y p et h r e e - d i m e n s i o n a ld r i l l i n gm a c h i n e 1 龙门2 y 轴滚珠丝杠传动机构3 左动力头4 齿轮齿条传动机构5 减速机6 床身7 排删器 8 直线 _ = f ! 轨副9 右动力头1 0 ：什i i z 轴滚珠丝杠传动机构1 2 ，j ：动力头 b d 2 5 1 0 型数控龙门移动式二维t 占床的研：i 州 3 1 1 机床床身 i 床身是机床工作的基础，是数控龙门移动式三维钻床的支承部件，起支撑各种零部 件的作用，床身结构的性能将直接影响到机床的加工精度、稳定性等。床身的尺寸设计 影响着对整机的设计，而且设计的合理性直接影响到整机的刚度。 由于本机床床身尺寸大，大型床身铸造要求很高，不易采用铸造方式加工，而选用 了钢板焊接形式。随着机床制造工艺的改进，钢板焊接相对于传统铸造床身更简单快速， 成本也低。钢材的弹性模量比铸铁大，在刚度相同的情况下，焊接件的壁厚大约为铸件 的6 0 ，因此焊接件要比铸件重量轻。 该数控龙门移动式三维钻床的床身长1 8 m ，宽3 3 m ，高0 7 4 5 m ，系焊接钢板结构， 经热处理去应力退火处理。床身分为左、右两部分，中间由过桥连接，成对称式，其中 每部分由三个结构相同床身底座组成，共有6 个。每个床身底座长6 m ，为封闭式结构， 内部设置了壁厚为1 6m m 的筋板，这种封闭式结构提高了床身刚度。工作台面上安装有 多块支承板，上面开t 形槽，便于装夹工件用。床身左右侧面上，各有两条超高承载力 的直线滚动导轨副和精密滚珠丝杠副，为带动龙门移动用。床身底面上分布有可调螺栓， 可以方便地调整床身工作台的水平。 床身的三维模型如图3 - 3 。 图3 - 3 床身 3 1 2 龙门机架 由于大截面型钢体积大、重量沉，不便于移动，所以采用龙门移动，工件固定式结 构，垂直、左、右三个方向动力头，都架在龙门机架上。龙门机架为焊接结构，采用的 辫 l ! ! 盈二丛业盔：型业匕趔生盗塞 是整体龙门架的设计概念，l , q 时巴儆粱与序右立柱设计成一体，这样的结构具有极好的对 称性和极佳的刚性，是高速切削设备的旨选结构。与传统的c 型床身结构相比，龙门架 形式的床身刚性较高，受力j r 均，：r 件只在一个轴向移动，各运动轴及相对惯性低，设 计紧凑精密，确保高刚性，高精度及高动态特性，且更重要的是龙门结构使丰轴箱、渭 台等部件有了装配基准。 龙门机架的横梁上安装有两条超高承载力的直线滚动导轨副，负责为垂直方向钻削 动力头的横向进给部件提供卡紧固定的支撑基础。同时左右平面上也各装有两条直线滚 动导轨副，负责为左、右方向钻削动力头的上下进给提高支撑。在龙门机架上、左和右 侧安装有三个精密滚珠丝杠副及伺服电机，带动三个钻削动力头移动。龙门的移动是由 伺服电机通过双侧齿轮齿条传动来实现。 横梁属于机床支撑部件，受动力头的重力和切削力作用，空间受力复杂，龙门机架 的变形会影响j j n - r _ 精度，因此该部件设计要求具有足够的静刚度和良好的抗振性。要保 证动力头的横向进给运动的精度，需使横梁具有足够的静刚度和动态性能，且在满足结 构尺寸约束的同时尽量减轻部件的质量。龙门机架的主要构件为方钢，立柱和横梁均为 2 6 0 r a m 2 6 0 r a m x1 4 r a m 的方钢。由于从截面特点来看，方钢属于截面对称型钢材，它的抗 弯和抗扭能力明显优于槽钢、角钢等钢材，因此采用了方钢作为龙门机架的主要材料。 十二根方钢焊接成龙门的竖梁和横梁，由于三个动力头安装于龙门机架的前面上，为保 持力的平衡，在龙门机架后面加了加强筋，增加了结构的稳定性。龙门机架的结构如图 3 4 所示。 i l h i 爹鬈丞矽 。江茹， _ 栩 j 一 b d 2 5 1 0 型数控龙i 1 移动式三维钻眯f f , j 6 3 t ；l i f j 3 1 3 动力头 钻削系统具有三个独立运行的动力头，即垂直、左、右钻削头，每个钻削动力头均 有两个数控轴驱动。各钻头既可单独，又可同时完成其钻孔作业。可同时对h 型钢上孔 组内( 包括腹板和两翼板) 同一横截面上孔进行加工。三个动力头具有严格的尺寸公差和 精度，保证了三个动力头在同时加工时，孔的中心线在同一横截面内，且相互之间具有 高的垂直度和平行度。 动力头安装在滑动拖板上，随滑动拖