龙门加工中心铣头自动交换系统设计【4张CAD图纸和说明书】
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龙门
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沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书I 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 工沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书II AbstractAn 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 machiningKeywords: Gantry-type5-axismachiningcenter； High-speed machining沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书III 目 录摘 要 .IAbstract.II绪 论 .11 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 .21沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书IV 6.2 摆 动 轴 驱 动 的 设 计 及 选 择 .21结 论 .23致 谢 .24参 考 文 献 .25沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书0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 。沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书1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 。沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书22 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 。沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书3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7 AC 双 摆 头8 头 库9 左 刀 库沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书410 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 口沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书53 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 。沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书6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 。沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书7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 自沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书8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 左沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书9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 ： 561276527sin()sin()FF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 ；56 76F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5656 761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 。12沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书10可 进 一 步 得 ：5612765*sin()F当 不 计 算 自 锁 块 与 拉 钉 、 拉 钉 壳 体 之 间 的 摩 擦 力 时 ，56120*sin()coF此 时 ， 松 开 状 态 正 行 程 的 机 械 效 率 为 ：0122765si()*cos()cin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 ：0122765sin()*s()coi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 ：0133765sin()*cos()coiF沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书11式 中 铣 头 的 拉 力 为 ， 拉 钉 斜 面 与 水 平 线 之 间 的 夹 角 为 。F3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0133765sin()*cos()coi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)：沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书12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 ：沈 阳 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书13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/ DB3
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