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加工
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加工中心五轴联动双摆铣头设计,加工,中心,联动,双摆铣头,设计
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毕业设计（论文）附件题 目： 龙门加工中心铣头自动交换系统 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 12101221 姓 名： 吕俊杰 指导教师： 徐兆成 机械与运载学院 沈阳工学院毕业设计（论文）课题申报表课题名称龙门加工中心铣头自动交换系统课题来源教师提供课题类型AX课题简介：（主要内容、进行方式、工作量大小及准备程度、现有技术和物质条件、时间安排、预期成果）主要内容：对双摆头自动交换系统的结构进行了设计，包括交换结合处的机电液耦合及快插快换、交换过程中的自锁拉钉选用、交换状态液压流量监控等均进行了相关研究及应用。最终设计了安全可靠的双摆头自动交换系统，并取得了良好的应用效果。 进行方式：查阅相关资料结合实际要求进行。 工作量大小及准备程度：需完成二维装配图，主要工作零件的二维图和说明书。 现有技术和物质条件：我国龙门加工中心铣头自动交换系统的研究工作虽然也取得了一些成绩，但与国外相比起来，在实际应用和推广方面还存在很大的差距。国内不少研究单位也越来越注意到这点，浙江大学就已经专门成立了全国首家直线电机研究所，并已取得了许多成果，其中不少已在社会上推广应用，取得了可喜的经济效益和社会效益。时间安排:第1周到第2周进行选题、拟定设计方案，第2周到第4周查找资料和毕业设计开题报告的完成，第4周到第6周进行设计方案的修订，第6周到第12周进行设计计算及图纸绘制，第12周至15周撰写说明书论文。预期成果：绘制直线电机的装配图，工作零件图并完成说明书。 申报人姓名： 日期： 2015年12 月 21 日学院毕业设计（论文）工作领导小组意见： 组长签字： 2015年12 月22 日说明：课题类型（1）A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研。（2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题。（1）、（2）均要填写，如AY、DX等。毕业设计（论文）任务书课题名称龙门加工中心铣头自动交换系统专业机械设计制造及其自动化姓名吕俊杰学号12101221主要内容、基本要求、主要参考资料、进度安排等：一、主要内容：（1）直线电机总装配图（A01）； （2）龙门加工中心铣头自动交换系统零件图（A11、A26）； （3）龙门加工中心铣头自动交换系统三维装配图； （4）编写设计说明书一份。二、基本要求：1. 毕业设计论文应包括：封面、中文摘要、英文摘要、目录、正文、致谢、参考文献及附录八部分；2. 符合毕业设计论文的书写规范；3. 掌握直线电机的工作原理及规范完成直线电机的装配图及相关零件结构图；4. 研究并知道直线电机如何在龙门加工中心中应用。三、主要参考资料：邵晓强. 直线电机现状与发展方向. 电气技术.陈宏. 浅论直线电机的发展趋势及我国的研发策略. 黑龙江科技信息. 叶云岳. 直线电机原理与应用. 机械工业出版社.四、进度安排：第1周第2周： 选题、下达设计任务书、拟定设计方案；第3周第4周： 查找资料、毕业设计开题报告；第5周第6周：设计方案修订；第7周第12周：设计计算及图纸绘制；第13周第15周：撰写说明书论文。指导教师签字： 2015年12月23 日 教研室主任签字： 2015年12月24 日系主任签字： 2015年12月25 日毕业设计（论文）开题报告课题名称龙门加工中心铣头自动交换系统课题来源教师提供课题类型AY指导教师徐兆成开题报告内容：（调研资料准备情况，设计的目的、要求、思路与预期成果；工作任务分解，各阶段完成的内容及时间分配；完成设计（论文）所具备的条件、存在的问题等。）随着现代航空航天、模具加工、汽车制造、电子制造行业等领域对产品加工效率和精度的要求越来越高,而高速数控机床能够满足这一需求。机床进给系统是高速机床的主要功能部件。而龙门加工中心铣头自动交换系统改变了传统滚珠丝杠传动方式中存在的弹性变形大、存在一定反向间隙、响应速度慢、易磨损等一些难以避免的缺点，同时具有速度高、定位精度高、加速度大、行程长度不受限制等一些优点,使其在数控机床的进给系统领域渐渐发展为主导方向。近些年，有越来越多企业开始在数控机床上采用龙门加工中心铣头自动交换系统，究其根本原因是：为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展的高速以及超高速加工方式现已成为机床发展的一个重大趋势，一个响应快、轻便的驱动系统是解决此问题的关键所在。所以在重型龙门机床上采用直线电机驱动数吨重的运动部件也已不成问题，直线电机驱动技术将是未来数控机床发展的方向。对龙门加工中心铣头自动交换系统在龙门加工中心Y轴驱动上的应用进行了简介。通过直线电机的计算选择、直线电机及其相关附件的安装说明、西门子840D系统中的直线电机调试等内容。对直线电机的使用及注意事项加以总结。为直线电机在龙门加工中心上的应用提供了一条捷径。 龙门加工中心铣头自动交换系统技术与数控机床制造的结合大大促进了世界制造业的发展，大大提高了加工精度和加工效率。直线电机进给系统是一种能把电能直接转换成直线运动的机械能, 且不需要任何中间传动环节的驱动装置。它将传统的回转运动转变为直接的直线运动，因此机床的速度、加速度、刚度、动态性能得到完全改观。通过采用直线电机驱动技术使得在高速移动中获得高的定位精度成为现实，有效克服通过传统旋转电机进行驱动时, 机械传动机构传动链较长、体积大、效率低、能耗高、精度差等缺点。所以，龙门加工中心铣头自动交换系统将是高速数控机床未来发展的方向。由于时间及能力关系，同时，大型龙门加工中心又是重型设备，所以，本文研究的龙门加工中心铣头自动交换系统在龙门加工中心Y轴驱动上的应用暂时只是停留在理论验证阶段，并未在具体的大型龙门加工中心运用，实际的运行效果还有待考证。指导教师意见：指导教师签名： 2016年3 月4 日课题类型（1）A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研。（2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题。（1）、（2）均要填写，如AY、DX等。毕业设计（论文）学生自查表（中期教学检查用）学生姓名吕俊杰专业机械设计制造及其自动化学号12101221指导教师徐兆成职称高级工程师工作进度已完成的内容： 1. 对龙门加工中心铣头自动交换系统工作原理有了一定的了解；二.相关设计参数的确定； 三.草图的设计。 待完成的内容：1. 深入了解龙门加工中心铣头自动交换系统的工作原理及应用；二.绘制整套图纸及设计说明书。已完成百分比：50%存在问题：对龙门加工中心铣头自动交换系统的相关知识掌握不够。 指导教师签字： 2016 年4 月8 日 指导教师毕业设计（论文）评审表课题名称： 对龙门加工中心铣头自动交换系统 序号评审项目指标满分评分1工作量、工作态度按期完成规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实；善于与他人合作。202调查论证根据课题任务，能独立查阅文献资料和从事其它有关调研，能较好的书写出开题报告，有收集、综合和正确利用各种信息的能力。103设计、实验方案、分析与技能综合分析科学，方案设计合理，数据采集、计算、处理正确，推导正确，计算准确，论证充分；结构合理、工艺可行；图样绘制与技术要求符合国家标准要求。404设计说明书论文质量条理清楚、文理通顺、用语符合技术规范，图表完整、正确、书写格式规范。205创新能利用最新技术手段，有重大改进或独特见解；有一定应用价值。10总分评语： 指导教师签字： 2016年5 月16日评阅教师毕业设计（论文）评审表课题名称： 对龙门加工中心铣头自动交换系统 序号评审项目指标满分评分1课题完成量能按期完成任务书规定的任务，课题达到教学基本要求。难易程度、工作量大小合适。202调查论证根据课题任务，能独立查阅文献资料和从事其它有关调研，能较好的书写出开题报告，有收集、综合和正确利用各种信息的能力。103设计、计算论证、推导综合分析科学，方案设计合理，数据采集、计算、处理正确，推导正确，计算准确，论证充分；结构合理、工艺可行；图样绘制与技术要求符合国家标准要求。404设计说明书条理清楚、文理通顺、用语符合技术规范，图表完整、正确、书写格式规范。205创新点能利用最新技术手段，有重大改进或独特见解；有一定应用价值。10总分评语： 评阅组负责人签字： 2016年5 月17日沈阳工学院毕业设计（论文）答辩评审表课题名称： 对龙门加工中心铣头自动交换系统 序号评审项目指标满分评分1报告内容思路清新；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。402报告过程准备工作充分，时间符合要求。103创新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。104答辩回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确、深入。40总分评语： 对申请评优或答辩不合格的补充说明：答辩委员会（小组）负责人： 年 月 日沈阳工学院毕业设计（论文）成绩评定表论文题目对龙门加工中心铣头自动交换系统学生姓名 吕俊杰学号12101221指导教师姓名徐兆成职称工程师设计（论文）说明书页数30图纸张数3加工零件数0有、无产品模型无评分项目标准得分权重折合得分指导教师评分评阅组评分答辩组评分综合得分论文评定等级毕业设计（论文）答辩委员会意见： 机械与运载学院答辩委员会负责人： 2016年5 月27 日毕业论文（设计）答辩记录表答辩日期：20 16 年 5 月 23 日 答辩地点：5#309学院（或系）机械与运载学院专业机械设计制造及其自动化学生姓名吕俊杰学号12101221成绩论文（设计）题目龙门加工中心铣头自动交换系统指导教师 徐兆成答辩纪录： （用简明语言记录答辩过程，答辩委员会提出的问题及学生回答情况）提出问题：回答摘要： 答辩组组长签名： 答辩委员会记录人（签字）：毕业设计（论文）答辩申请表 申请时间：2016年5月18日课题名称龙门加工中心铣头自动交换系统专业机械设计制造及其自动化姓名吕俊杰学号12101221已完成情况： （1）龙门加工中心铣头自动交换系统总装配图 （2）龙门加工中心铣头自动交换系统关零件图； （3）编写设计说明书一份 指导教师： 年 月 日 评阅教师： 年 月 日备注：摘要 介绍了一种铣头可自动交换的桥式高速龙门五轴加工中心的总体设计方案，对现在国内外存在的功能相似的机床的性能指标一一作出对比，其中，主要描述了机床的机械结构、性能和主要零部件的设计和选择，对三个直线轴驱动的方法、两个摆动轴驱动方法和数控操作系统的的设计选择逐一作出分析和讨论，其中主要展示了强推力直线电机的使用和双摆铣头自动交换技术的使用；为强推力直线电机的使用以及快速龙门机床的设计研究给出了重要的理论依据和实践经验。本发明提供一种大型龙门五轴加工中心，包括工作台、左桥梁、右桥梁以及在左右横梁上移动的横梁，其X，Y向采用直线电机直接驱动，滑板内部放置平衡油缸。Z向双电机重心驱动滑枕。自制AC双摆头，根据加工需求实现A轴可自动交换。两桥梁分置两套刀库，容纳32把刀具。头库放置在工作台后面，可方便的实现A轴摆头的自动交换。系统悬挂安装在机床前方右桥梁上。本发明使用直线电机驱动，运行平稳，性能稳定，适用于航空，航天，汽车等模具的精密加工关键词：龙门五轴加工中心；铣头；自动交换；直线电机；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 录摘要IAbstractII绪 论1 1铣头自动交换技术简介 11.1 本课题主要工作22 铣头自动交换原理32.1 铣头自动交换高速龙门加工中心简介32.2 A轴自动交换原理53 铣头自动交换系统设计63.1 电、液、气快换63.2 定位夹紧及扭矩传递73.3 自锁拉钉的选用83.3.1 拉钉工作原理93.3.2 拉钉自锁条件103.4 A轴编码器选用123.4.1 基于西门子840D系统编码器类型选择及参数设置123.4.2 基于海徳汉iTNC530系统编码器类型选择及参数设置143.5 交换状态监控153.5.1 流量计简介163.5.2 监控原理174 机床的总体方案设计184.1 机床总体机械结构布局形式184.2 机床设计及分析方法185 机床的主要性能指标及对比196 关键部件的设计及选择216.1 直线轴进给驱动的设计及选择216.1.1 X、Y 轴驱动的设计及选型216.1.2 Z 轴驱动的设计及选型216.2 摆动轴驱动的设计及选择21结论23致谢24参考文献25 绪 论 GMC2550u快速龙门的五轴加工中心主要使用于汽车产业的工业中模具生产和航天航空产业的复杂零件生产，是航天、航空、模具制造，机动车制造业等产业先进科学技术领域的重要加工设备。其中研究的数控机床的重点针对生产加工难度相对较大的航天透明体模具设计的，此机床可以满足对透明体注射成形模具粗加工、精加工的要求，确保加工准确度和加工表面高质量的技术要求。1铣头自动交换技术简介 参考论文“双摆头自动交换技术研究”、“高速精密五轴坐标数控加工中心结构设计及性能研究”、“自动交换主轴铣头的三高数控加工机床”、“国外龙门加工中心的结构特点及先进性能”五轴坐标数控加工中心与五面加工中心常常被混淆，但事实上它们却是截然不同的东西，这俩个加工中心都是能在一次装夹后完成除装夹面之外；另外那些面的加工内容，但对于五轴坐标数控加工中心，准确的说应该称它为五坐标坐标数控加工中心，机床的五个坐标轴能够实现联动，然后就可以满足空间中的曲面和任何轮廓的加工，可以让工件在一次装夹后加工工序大量的完成，确保零件的精确度；此外，加工工艺的快速发展，航空领域的加工工艺要求的特别严谨，如航天航空领域所说的“薄壁掏空”工艺，其中针对五轴坐标数控加工中心提出多轴联动的同时，机床轴的高转速也是要求之一，所以在五轴坐标数控加工中心上还采用了例如高速主轴、高速控制系统、先进刀具技术等，使其成为一种多方面高技术集成的产品。双摆头为五轴坐标数控加工中心的主要功能部件，此应用能够满足复杂曲面、复杂型腔及特殊工序的加工，使工件在每一次装卡后，能够完成所以工序或大部分工序，大大地提升了加工效率和准确度，并拥有可自动交换功能的双摆头，从而使从粗到细的加工能够在一台机床上完成，发展了机床的应用范围，提高了机床的效率和提高了机床的使用价值。龙门加工中心铣头自动交换技术存在机电液耦合技术、交换状态监测、铣头夹紧牢靠性低等技术难题。针对这些难题采用电、液、气快插快换结构、液压夹紧自锁机构、液压流量监测诸多的解决方案，实现铣头自动交换的可靠性与安全性。图1.1 双摆头示意图1.1本课题主要工作本课题主要对双摆头自动交换系统的结构进行了设计，包括交换结合处的机电液耦合及快插快换、交换过程中的自锁拉钉选用、交换状态液压流量监控等均进行了相关研究及应用。最终设计了安全可靠的双摆头自动交换系统，并取得了良好的应用效果。2 铣头自动交换原理2.1铣头自动交换高速龙门加工中心简介 该设备满足于航空和汽车工业中的模具制造、原型制造、大型钢模和铸铁模具的制造以及航空航天工业中的复杂零件加工，是航空、航天、模具和机车等高科技领域的关键加工装备。其主要工作性能指标如下：1、工作台面：50002500mm2、X/Y/Z行程：500025001400mm，A/C轴转角范围：110/3603、A/C轴双摆铣头：主轴可自动交换4、主轴转速：高速主轴24000rpm，低速主轴9000rpm5、主轴扭矩：72Nm（高速），303 Nm（低速）6、X/Y/Z定位精度：0.018/0.018/0.013mm，A/C轴定位精度：10” 7、X/Y/Z重复定位精度：0.009/0.009/0.007mm，A/C轴重复定位精度：5” 8、X/Y/Z快进速度：50/50/30m/min，A/C轴快进速度：60r/min9、系统：SIEMENS 840D/HEIDEHAIN ITNC530机床整体结构如图2.1所示，图中第7部分即为可自动交换A轴及主轴的A/C轴双摆头，第8部分为供交换过程中用于放置主轴头的头库装置。图2.1 机床整体结构示意图序号说明1 工作台2左桥梁3右桥梁4横梁5滑板6滑枕7AC双摆头8头库9左刀库10右刀库2.2 A轴自动交换原理 A /C 轴双摆角铣头是中、大规格五轴联动加工中心的核心功能部件，常用于加工具有复杂曲面的大型精密零部件。为了有效保证待加工工件的加工精度，避免因二次装夹等因素引起的加工误差，通常需要在一台加工中心上完成从粗加工到精加工的全部工序，即现在的机床设计中倡导的“Done in one 理念”，这样的加工背景需要A /C 轴双摆角铣头应当具有A 轴自动交换功能。如图2.2所示，A /C 轴自动交换接口包括16 对液压快接插头、4 对电气快接插头、4 对拉钉、2 个定位销以及1 对齿盘，一共5 种对接元件。在A 轴自动交换时，必须遵循这样一套原理: C 轴首先将欲换下的A 轴放到铣头库的相应位置上并松开，然后滑枕带动C 轴上移并移动到即将换取的A 轴正上方，此时，必须保证C轴与A 轴所有的对接元件在对接之前的位置一一对应，不允许有错位的现象发生，否则会损坏对接元件;在定位准确之后，滑枕带动C 轴缓慢下移开始抓取A轴，在抓取A 轴时，C 轴与A 轴交换接口中对接行程长的元件先对接，对接行程短的元件后对接; 当C 轴完成抓取A 轴时，所有的对接元件同时完成对接。C 轴完成抓取A 轴后，滑枕带动双摆角铣头上移脱离铣头库，此时，完成了A 轴自动交换的全部过程。 图2 .2A/C轴双摆头自动交换接口3 铣头自动交换系统设计3.1电、液、气快换 一般直驱式双摆头A轴部分包括驱动A轴的力矩电机、A轴抱闸、电主轴、轴承等。这些全部的各个部件的水、油、气、电都要满足是能够通断的。所以就必须考虑水、油、气、电等等这些的快换接头的应用和安装问题。A轴顶面一般放置水、油、气的快换接头，可以满足A轴部分的冷却、润滑、密封、夹紧要求。水、油、气的通用必须采用同一系列的快换接头，同时在快换接头的安装要求上维持一致，利于整体结构的设计。同时气压、流量等等各个方面能够满足水、油、气的要求。设计开始的时候应该思考到虽然一个快换接头的安装公差的要求不是特别严苛，但十多个头一起相结合的时候与A轴交换，所以要逐个严格要求每一个快换接头的公差来符合整体的结构要求，保证在A轴交换时快换接头能顺利结合。强、弱电在A轴部分也必须通过快换接头来断开与接通。A轴的顶部必须采用电快换插头，这样的设计能够防止其他一些液体、杂质污染电快换插头引起事故。要求电的快换接头拥有可靠稳定的接触、优秀的抗震动性能、低插拔力、高插拔次数，同时拥有不同规格型号满足强电弱电的不同要求。现在市场上摆头的结构设计并没有专门的电快换接头，此安装存在相对的问题。此次设计采应欧度的重载连接器作为电快换接头并设计如图1的结构来解决安装问题。按照电快换接头本身结构上有一个法兰面，设计应用螺钉来拧紧两个两板焊件夹住快换接头，固定轴向位置，同时利用开槽平端紧定螺钉来固定快换接头的转动。在两钣焊件之间放置尼龙软性材料调整快换接头高度和防止安装调试时拧紧螺钉力量过大损坏快换接头。A轴部分的快换接头在A轴放置的时候有可能被污染，所以在C轴与A轴结合的同时最好有气体来清洁结合面。图3.1电快换接头安装示意图1- 钣金件 2-尼龙垫片 3-钣金件 4-快换接头 5-槽平端紧定螺钉3.2定位夹紧及扭矩传递定位夹紧技术，扭矩传递需要几个部件来共同完成这一过程，这包括粗定位销、拉钉、端齿盘等。在A轴的互换过程中来粗定位满足水、油、气、电的快换接头可以结合是粗定位销的作用。采用C轴的孔与粗定位销的配合确保这一过程，但是此C轴的孔和粗定位销的配合尺寸公差需高于水、油、气、电快换接头结合的公差要求。然后需要拉钉的拉紧，拉抓不但要提供足够的拉力而且拉紧后还需要自锁，确保断电等意外情况发生时A轴不会意外掉落。在拉钉拉紧时端齿盘开始相结合。由于端齿盘的自动定心作用和高重复准确度的特点，在使得C轴与A轴同心在拉钉拉紧时得到确保。图3.2双摆头A轴部分结构1-粗定位销 2-支承轴 3-双摆头A轴上部 4-双摆头A轴下部图3.3双摆头A轴部分上部结构1-拉钉 2-水、油、气快换接头 3-电器快换接头 4-端齿盘3.3自锁拉钉的选用在交换过程中选用Hydrodock拉钉进行铣头的锁紧，Hydrodock拉钉拥有一定的可靠性的自锁特点,在拉紧铣头时由于拉钉自锁可以拥有非常高的安全性, 而且铣头的松紧进行自动化控制能有依靠控制压力油进行，已经冲破了传统的铣头手动交换过程中的动作繁琐、重复定位精度差以及效率低下的缺点。图3.3 Hydrodock拉钉3.3.1拉钉工作原理 拉钉包括2种工作状态：松开状态与拉紧状态。当拉钉呈松开状态时,表示机床滑枕已经松开下方的铣头。此时，可以在铣头库中自动交换新的铣头。当拉钉呈拉紧状态时，表示机床滑枕已经交换完成新的铣头，可以立刻进行下一步的工件切削工序。图3.3拉钉内部结构示意图1、松开状态压力油从拉钉底部松开进油口进入后，油腔内的油推动活塞进行向左的运动，当活塞的根部的凹槽与拉钉的顶部以及活塞的顶部与拉钉的中心孔的底部同一时间接触后，推动拉钉、自锁块共同向左运动，当整体向左运动到自锁块与拉钉壳体的斜面紧密贴合后，整个机构向左自锁，该动作称为松开状态正行程。由于活塞可以向右运动，因此，松开状态反行程不自锁。在松开状态正行程动作过程中，拉爪在拉钉摩擦力的带动下会向左滑动，为防止拉爪从拉钉上脱落， 在拉钉壳体内壁上安装有挡圈，可以通过挡住拉爪根部的法兰从而限制拉爪向左的移动。2、拉紧状态当油从拉钉拉紧进油口进入后， 活塞在油的力的作用下向右运动，自锁块与拉钉通过活塞带动着的斜面一同向右运动，向右运动一段路程，拉钉左侧凸起部位推动拉爪共同向右运动，当拉爪勾住左侧的拉钉端盖后，整个机构停止向右运动。该动作称为拉紧状态正行程，正行程不发生自锁现象。正行程结束后，机床滑枕完成了自动交换铣头的拉紧动作。在拉紧状态反行程过程中，只有一个移动副，而自锁块处于拉钉端盖与活塞两个斜面之间，两两互相贴合，紧密相连，向左完全自锁。所以，整个拉钉机构在拉紧状态反行程自锁，自锁的特殊性很大程度上增加了铣头自动拉紧的安全性。3.3.2拉钉自锁条件拉钉松开状态正行程与拉紧状态反行程均自锁。下面通过机构的机械效率理论来分别求解松开状态正行程与拉紧状态反行程的自锁条件。松开状态正行程自锁条件如图所示，在松开状态正行程时，自锁块的驱动力就是油压的推力。同时，自锁块受拉钉壳体的反作用力以及拉钉的反作用力，自锁块在力的作用下呈自锁状态。图3.3松开正行程自锁状态局部受力图如图所示，可推出：其中油压的推力与拉钉壳体对自锁块的反作用力；拉钉对自锁块的反作用力；为拉钉壳体与自锁块之间的摩擦角；自锁块与拉钉之间的摩擦角；为拉钉壳体斜面与水平线之间的夹角；拉钉斜面与水平线之间的夹角。可进一步得：当不计算自锁块与拉钉、拉钉壳体之间的摩擦力时，此时，松开状态正行程的机械效率为：若松开状态正行程自锁, 即，则松开状态正行程的自锁条件为：拉紧状态反行程自锁条件此图显示，当拉紧状态反行程时，自锁块的驱动力为铣头的拉力，此时，自锁块分别受到拉钉与拉钉壳体对其的反作用力，自锁块在每个方向力的作用下显示自锁状态。图3.3拉紧状态反行程自锁局部受力图此图显示，同样用自锁块作为研究的对象，此时可由正弦定理推出可得拉紧状态反行程的机械效率为：式中铣头的拉力为，拉钉斜面与水平线之间的夹角为。若拉紧状态反行程自锁, 即，则拉紧状态反才了程的自锁条件为 通过对研究拉钉工作原理，研究了拉钉松开状态正行程和反行程与拉紧状态正行程和反行程的工作过程。分别计算松开状态正行程和拉紧状态反行程机械效率，最后求出松开状态正行程和拉紧状态反行程自锁条件。3.4A轴编码器选用 因为在自动交换双摆铣头时，需要同时更换摆头中相应轴(如本文范例机床中的主轴与A轴)的电机与编码器，在对数控系统的类型不同的情况下，同时互换编码器与电机时，对编码器类型的采用是有严谨的技术要求的，数控系统的类型不同对于编码器的类型也不相同，有一些组合是能够实现自动交换双摆铣头，但是有一些组合是没有办法实现自动交换的。3.4.1基于西门子840D系统编码器类型选择及参数设置第一，应该注意的问题是，在自动交换双摆铣头的过程中，要同一时间交换编码器和交换电器，对于电机来说的话，相同类型的电机间能行进交换，就是同步电机与同步电机之间互相交换，异步电机与异步电机互相交换，同步电机与异步电机是无法进行交换的。其次，对于实现自动交换双摆铣头，必须重新激活并应用“新更换机床轴”相应的参数设置，为了达到此目的，西门子系统准备了4组电机参数，分别对应的存储在1000，2000，3000，4000系列范围的参数中，PLC通过改变“驱动控制字”中的电机位(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4)，发出准备交换电机的请求，并同时选择并激活了对应的上述4组电机参数。在参数设置方面，有一个重要的参数MD1013(ENABLE_STAR_DELTA)，该参数是控制电机交换使能及电机交换类型的，当参数MD1013=0时，系统电机交换功能关闭，当参数MD1013=1时，系统可最多可交换4组电机与编码器，并且每组电机都拥有自己的相应参数设置。下面用交换双摆铣头的电主轴和A轴为例，介绍西门子840D 系统选择编码器的技术原则及原因，交换过程中需要通过以下步骤与状态(摆头1是当前激活并工作的，现将摆头1交换为摆头2)：图3.4 交换双摆铣头示意图1、把双摆头准确定位到摆头1库中的还摆头位置，准备把摆头1还回库中，此时A=0,C=0,如上图1所示：2、PLC通过改变“驱动控制字”中的电机位，发出准备交换电机的请求(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4)3、驱动控制器将“驱动状态字”设置成“交换激活”的状态，并取消主轴1及A轴的“脉冲使能”4、驱动控制器通过“PLC状态字”的“脉冲使能位”来通知PLC主轴1及A轴的“脉冲使能”已经取消(DB3x.DBX93.7)5、控制器来开启主轴2及A轴相应的参数设置6、控制器通过电机位来通知PLC主轴及A轴已经生效7、PLC通过840D申请“parking轴”生效DB3x.DBX1.5/ DB3x.DBX1.5=0DB3x.DBX2.1=08、840D通过“驱动控制字”申请“parking轴”生效9、驱动控制器通过“驱动状态字”通知PLC“parking轴”已经生效($VA_POSCTRL_MODEAxis=3 : “parking轴”生效)10、PLC断掉主轴连接，PLC等候自动交换双摆铣头执行命令过程，如图3.4所示： 图3.4交换双摆铣头示意图11、PLC连接主轴2及A轴的电压供给及编码器等，如图3.4所示：图3.4交换双摆铣头示意图12、PLC通过840D终止“parking轴”DB3x.DBX1.5/ DB3x.DBX1.5=1DB3x.DBX2.1=113、840D通过“驱动控制字”终止“parking轴”14、驱动控制器通过“驱动状态字”通知PLC“parking轴”已经终止($VA_POSCTRL_MODEAxis)15、PLC通过“PLC控制字”(DB3x.DBX21.5)通知驱动控制器“电机交换完成”16、驱动控制器将“驱动状态字”中的“交换激活”状态删除，并激活主轴2及A轴的“脉冲使能”17、驱动控制器通过“PLC状态字”的“脉冲使能位”来通知PLC主轴2及A轴的“脉冲使能”已经激活(DB3x.DBX93.7)3.4.2 基于海徳汉iTNC530系统编码器类型选择及参数设置采用海徳汉iTNC530系统进行自动交换双摆铣头，其中交换的物理过程和上面所说的的西门子840D系统类似，不在重复叙述，以下重点介绍在自动交换铣头的过程中系统软件的处理过程和特点，和产生对编码器类型选择的影响。如图3.4所示：图3.4自动交换铣头的子参数文件设置3.5交换状态监控 机床上液压卡紧松开辅助动作很多，如：主轴松卡刀，伺服轴抱闸松卡，交换托盘时拖盘的松卡，交换双摆头时双摆头的松卡等。而执行卡紧松开动作的油缸多植入在各功能部件内部，由于机械结构紧凑，很难在内部直接安装接近开关或位移传感器以获取位置进行到位信号。有些功能部件在结构允许的情况下，将活塞位移动作传递到功能部件外部再进行检测，如主轴松卡刀、转台松卡等。但旋转轴环形抱闸、托盘卡紧拉钉、双摆头交换拉钉等，使用时需将卡紧机构插装在机械体内部，由于结构所限就无法直接测得位移信号。通常做法是采用压力信号来代替位移信号，即松卡压力达到设定值不变标志着活塞运动停止，从而间接判断松卡动作已完成，原理图如图2所示。但如果由于某些原因导致油缸在中间位置卡死时，就会发出错误信号，造成机床误动作，导致安全事故的发生。高速龙门五轴加工中心的研制中，双摆头交换是由4个自锁拉钉实现双摆头松卡。为了解决上述问题，在液压松卡回路中设置了流量计，作为卡紧松开到位检测元件。流量计可以通过检测通过的油量，真实地检测到油缸卡紧松开是否到位。由于流量计设置在回路上，不受机械结构尺寸所限制，成功地解决了双摆头松卡到位检测的问题。其原理图如图3所示。图3.5 压力开关检测松/夹到位原理图图3.5流量计检测松/夹到位原理图3.5.1流量计简介流量计种类较多，功能原理大不相同，应用领域也有所不同。齿轮流量计是根据齿轮马达原理，两圆柱齿轮在测量腔内由液流驱动无接触运行；齿轮的运动由位于盖板内的两个无接触的传感器检测，在传感器室和计量环室之间，装有一非磁性抗压隔板；当计量机构转动一个齿时，传感器发出一脉冲信号，对应一个齿的油量AV通过流量计，通过前置放大器，把信号转换为一方波信号；两通道检测，可有更高的分辨率，并确认流量方向。齿轮流量计，精度较高，黏温特性好，工作压力高，价格相对较低，适合在机床液压系统中应用。其结构如图1所示。图3.5齿轮流量计结构示意图3.5.2监控原理设每个拉钉卡紧所需油量，卡紧动作所需总油量为，选取德国KRACHT公司VC0.2型号齿轮流量计，齿轮几何容积，即每发出一个脉冲信号齿轮流量计通过0.245mL油量，则完成卡紧动作所需脉冲数为：拉钉松开时，流量计测量同一油腔的油量，脉冲数与卡紧动作相同，但方向相反。因而，执行拉钉松卡动作后，通过检测流量计接收的脉冲数是否达到相应数值(检测脉冲数与拉钉状态对应关系见表1)，来判断该动作是否正确完成，双通道脉冲信号可以检测出流量计转动方向，从而判断是松开还是卡紧动作。表3.5.1检测脉冲数与拉钉状态对应关系最大检测时间内的脉冲数拉钉状态0保持松开或缩紧状态13流量计与拉钉之间管路有泄漏163松开或卡紧到位163管路爆裂通过合理使用流量计，保证了铣头在自动交换过程中松开和加紧的可靠性。 参考“可交换式双摆头设计过程中编码器类型的选择”、 “Hydrodock拉钉自锁原理及其在铣头自动交换技术中的应用”、 “齿轮流量计在机床液压系统中的应用”、“直驱式双摆头交换A轴相关结构的研究”、“端齿盘的参数设计与应用”4 机床的总体方案设计4.1机床总体机械结构布局形式如图 1 所示。GMC2550u 加工中心采用龙门框架结构，工作 台和左右桥梁固定，横梁、滑板和滑枕在直线电机的驱动下在两桥梁上前后移动做 X 向运动，滑板和滑枕通过直线电机驱动在横梁上左右移动做 Y 向运动，滑枕通过滚珠丝杠副驱动在滑板 中上下移动做 Z 向运动；A/C 轴双摆铣头绕 Z 轴转动（360）为 C 轴，A/C 轴双摆铣头绕 X 轴摆动（110）作为 A 轴；A/C 轴双摆 铣头采购的是某公司的可换铣头形式的产品，C 轴部分固定在滑 枕内，可以通过头库来选择两个不同的 A 轴铣头，以便满足粗加 工和精加工的要求，整个交换过程自动化。1X 轴的 4 条重载导轨分两组分别布置在左右桥梁上，直线 电机初级与横梁相连接，次级布在每组导轨的中间位置，如图 2 所示。Z 轴采用滚珠丝杠副双驱结构，提高机床可靠性及精度稳 定性。各轴采用光栅尺全闭环控制，确保机床的定位精度及精度 的稳定。A、C 轴与 X、Y、Z 3 个直线轴五轴联动就可加工出复杂的 空间曲面。该机床的结构布局适合大型航空透明体模具高速加工 中的需要，更适合于大型飞机复杂结构件高速加工中的需要。 1 图 4.1 GMC2550u 高速龙门五轴加工中心结构示意图 1.左桥梁 2.横梁 3.滑板 4.工作台 5.头库 6.双摆头 7.滑枕 8.右桥梁4.2机床设计及分析方法 机床采用先进的动态设计方法进行设计，考虑到产品的系列化，主要部件均采用模块化设计理念，用PRO/E 软件进行三维 设计，用 ADAMS 软件对机床（尤其是 A/C 轴双摆头）进行运动模拟计算，用ANSYS 软件对机床整体和关键基础大件进行有限元分析和优化设计，使整台机床刚性高、振动小、运动部件质量小，从而可以改善动态性能和快移速度；整机设计重视工作区域的优 化设计符合人体工程学。 直线导轨 直线电机初级移动部件 图 4. 2 X/Y 轴直线电机的布置示意图 通过对关键基础结构设计机械加工整机装配精度工艺保证方法的研究，整机刚度特性测试与分析，以及动力学特性对加工精度性能的影响规律的研究和机床智能化技术的研究，包 括热变形及温度补偿技术，自适应加工技术，五轴变换功能中 RTCP（Rotation Tool Centre Point 旋转刀具中心编程）自动补偿技术的研究，保证机床的精度。5 机床的主要性能指标及对比 GMC2550u 铣头可自动交换的高速龙门五轴加工中心产品与德国 Zimmermann F38 和法国 Forest-line TH 系列高速龙门五 轴加工中心进行主要技术指标及性能参数对比，如表 5所示。 表 5主要技术指标及性能参数对比6 关键部件的设计及选择6.1直线轴进给驱动的设计及选择 6.1.1X、Y 轴驱动的设计及选型X、Y 轴采用西门子直线电机驱动，由于 GMC2550u 型机床 X/Y 轴的移动质量非常大，所以均选用推力最大的 1FN3-900 型 号的直线电机。1FN3 电机是永磁同步直线电机，特点是功率大，超负载能 力强，具有模块冷却功能，此电机是以内装式电机构件的形式提 供的，如图 4 所示1。它由初级部构芯和次级部构芯构成，根据精 密度要求的不同，电机可以配精密冷却器或次级部构芯冷却器， 初级部构芯有固定尺寸；而次级部构芯包含了各种不同的构芯半 体，这些构芯半体可以被组合起来产生一个所需要的移动轨道。 通过几个电机并联工作，驱动力可以扩展的远远超出标准范围。机床的 X 轴是横梁加上滑板滑枕框架移动，整个框架重达18t，项目选用瑞士某公司的 MR65 型号重载滚柱导轨和 MRB65型号的滑块，滚动导轨副的摩擦系数小，非常适合龙门框架移动的动静刚度要求。导轨的滑块选用加长加宽型，每个滑块的额定静态承载量 C 可达到 295000N，额定动态承载量 C0 可达到530000N2。考虑到安全系数，每根导轨安装 4 个滑块。Y 轴是滑板 和滑枕组合体移动，重量达到 8t，同样选用瑞士某公司的 MR65 型号重载滚柱导轨和 MRB65 型号的滑块，每根导轨安装 3 个滑 块。每根导轨上均安装有防止机床高速共振的阻尼块和用来紧急 制动的液压箝制器（日本产品）。6.1.2 Z 轴驱动的设计及选型 Z 轴采用了滚珠丝杠副双驱结构，提高了机床可靠性及精度稳定性，双驱动电机位于滑枕两侧，呈对称排布，电机选用 SIEMENS 的 1FK7 型号电机，与 SHUTON 丝杠通过 KTR 联轴器直联；同时，在滑枕上左右各配置一个液压缸，利用双液压缸平衡 部分滑枕滑板以及双摆头的重力（7080
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