龙门加工中心头库结构设计【3张CAD图纸+毕业论文+任务书+开题报告】

龙门加工中心头库结构设计

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龙门加工心头库结构设计开题报告.doc

龙门加工心头库结构设计说明书.doc

摘 要

   五轴联动加工中心是复杂平滑曲面加工的重要手段，也是汽车、模具、航空航天业精密复杂零件加工的重要设备。它代表着机床制造业先进技术集成的方向，西方工业发达国家一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度，并对于用于军事领域的五轴联动加工中心实行禁运，所以自行开发精密五轴联动加工中心对我国的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业的发展有着重要的理论意义和应用价值。

    论文在综合比较分析国内外五轴联动设计技术，综合借鉴国内外先进机床设计结构和设计分析手段的基础上，采用设计和试验相结合的方法，系统的对其总体布局、主要功能部件的设计、机床精度保持和机床高速运动的动态性能分析等关键项技术进行了深入研究。详细分析了国外五轴联动加工中心的机床设计方法，探讨了各种机床结构的优缺点，通过大量详细而准确的计算，提出了机床总体布局方案，并完成了头库结构设计、气动控制回路设计。

关键词：五轴联动加工中心；结构设计；性能研究 

Abstract

  The five axis simultaneously controlled machining center is an important kind of equipmertt,which is used to handle continuous smooth and complicated curve surface in automobile,mold 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 five—axis machining center's general layout，main function unit design，machine accuracy maintain and dynamic performance analysis of machine’s high-speed motion,are studied．The designing methods of five axis machining center  are analyzed and compared in detail.After modeling and calculating lots of engineering restriction functions,the machine’S general layout plan is worked out．Furthermore，some main function units that include machine spindle，feed system and driving unit are finished．

Keywords：Five-Axis Simultaneously Controlled Machining Center；Structural Design；Performance Study 

目  录

摘 要 I

Abstract II

绪 论 1

1头库结构设计的理论基础 2

1.1头库结构设计国内外发展现状及优势 2

1.2本课题主要工作 4

2头库结构设计 5

2.1头库整体结构布局简介 5

2.2托板传动系统导轨副选用计算 9

2.3托板传动系统气缸选用计算及气动控制回路 14

3交换控制逻辑 16

3.1 PLC控制逻辑 17

3.2 NC控制逻辑 19

3.3交换过程中的铣头松开/夹紧监控 22

3.3.1 流量计简介 23

3.3.2 监控原理 24

3.4 交换过程中Z轴异常负载监控 25

结 论 26

致 谢 27

参考文献 28

绪 论

性能高效高速数“控加工机床多采用系列化、标准化和模块化设计制造技术，允许用户在标准型机床基础上通过选配包括不同特性主轴铣头或和电主轴在内的模块化部件，以使同一机床能适应不同需求的加工应用和自动化水平，呈现了较好的应用柔性。但对终端制造业用户而言，这仍然是一种专用型”的机床，因为一旦选配了某种确定特性的主轴铣头或电主轴，这时该机床的加工能力也就被确定在某种确定的范围内，仍然呈现为专用性的特征。 

    为此，机床制造商开发了可实现主轴铣头自动交换功能的数控加工机床，以便随时根据实际需求可自动选择相应的主轴铣头装载到机床主轴上，从而有效扩展了机床的加工能力和适用性，使终端用户真正可获得一种“通用型”的，或者说“高性能”的高效高速数控加工机床。实际上，可交换主轴铣头应用已有一段历史了，不同的仅是现代此类数控加工机床的技术水平、自动化程度和可靠性更高而已。

该设计涉及五轴龙门加工中心领域，具体为一种铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，专门用来加工航空透明件模具及汽车工业中的模具制造。

传统的五轴龙门加工中心多采用齿条或丝杠传动，对于齿条传动来说，具有力量大的优点，但是精度低。而丝杠传动时，丝母对丝杠施以扭力，当丝杠长度过长时会产生晃动现象，从而影响工件的形状及尺寸精度，并且长期使用或受异物污染时，易磨损影响机床的精度。

该设计的目的在于提供一种可快速交换主轴头的高速五轴龙门加工中心，解决现有技术中存在的精度低等问题。

1头库结构设计的理论基础

1.1头库结构设计国内外发展现状及优势

     大型龙门五面体加工中心是现代装备制造业的急需设备，随着我国经济的不断成长，我国许多重要行业，如发电设备( 水电、风电、核电)、航空、航天、船舶、汽车制造业也都需要高精、大型数控龙门装备。自动换头头库机构，是与龙门加工中心相对独立的部件，是机床的重要部件之一。该结构的合理与否，直接影响了机床的加工效率、加工范围、精度和精度保持性；龙门加工中心如果具有自动换头头库，就能够减轻工人的劳动强度，提高机床自动化程度，同时也是保证机床加工精度的最重要因素之一，而加工精度正是影响机床应用范围的主要因素。随着制造业的高速发展，风电船舶叶片、大型柴油机机体等大型复杂零件的加工通常需要很多自动分度附件头，特别是大型柴油机机体的加工，对使用附件头的自动化程度及附件头的数量有了更高的要求，因此对自动附件头头库容量的要求也越来越高；所以龙门五面体加工中心的头库必须具有合理的布局、较高的自动化程度、高精度以及良好的可靠性才能适应市场的需求。目前现代龙门五面体加工中心使用的换头头库主要有以下几种：

    (1)如图1.1所示，固定在工作台后部：此种结构自动头库安装在工作台面的，受台面及两立柱之间宽度的影响，头库容量有一定的限制，而且影响机床的X轴方向的加工范围。头库跟着工作台面移动，长时间定位精度会受到影响，故头库需要定期调整。此外，对于一些有高压冷却的加工中心，由于在加工范围内切削液飞溅，因此头库的密封要求比较高，这样就降低了自动头库的可靠性。

     在铣头自动交换过程中，装卸铣头时，Z轴向下运动过程中，若定位不准或错误，可能会出现撞击或阻挡的情况。若没有Z轴异常负载检测，Z轴就会按指令向下运动，直到驱动系统报警为止。这样很可能已经造成了硬件的损坏而带来损失。使用840D系统提供的固定点停止功能可以实现Z轴力矩限制，进行异常负载检测功能。

在铣头交换子程序中可以加入以下控制：

……

N0640 G90 600

N0645 M9l；抓头前位置检测

N0655 M536；铣头松开M代码

N0660 G153 Z=POSZl+80

N0665 FXST[Z]=80；Z轴力矩限制值（根据实际调整）

N0670 FXSW[Z]=2；Z轴力矩限制监控，窗口值(根据实际调整)

N0675 G90 G01 F=1000

N0680 G153 Z=POSZ1 FXS[Z]=1；Z轴力矩限制打开直到定位到POSZl位置

N0685 M537；铣头夹紧

    在设定完固定点停止的相关参数后，通过以上控制，当Z轴在移动过程中，负载超过设定的检测值时，轴就会立即停止移动。保证了相关部件的安全。

结 论

    五轴联动加工中心是机床设计中较难掌握的机床设计，本论文在综合分析国外五轴联动加工中心技术的基础上，综合国内同行业的发展现状，积极运用国外先进机床设计结构和设计分析手段，采用设计和实验相结合的方法，系统的对精密高速五轴联动加工中心的机床总体布局、主要功能部件的设计、保持机床精度的研究和机床高速运动的动态性能分析等内容和关键技术进行了深入研究，完成了铣头可自动交换高速龙门加工中心的头库部分结构设计与控制逻辑设计，本结构设计合理，其特点内容如下：

   （1）该机床是用于航空透明件模具粗、精加工的高速龙门五轴加工中心。具有响应速度快，加工精度高，实现五轴曲面加工的特点。

   （2）该机床其双直线电机直接驱动横梁在左右桥梁上移动，消除了传动环节。

   （3）该机床其Y轴横梁使用直线电机直接驱动，利用了直线电机主次极见的吸引力，减少了导轨所承受的力矩和压力，降低了导轨副的摩擦力，提高其刚性及寿命。

   （4）该机床在滑板内部开有方孔，将平衡油缸安装在其内，节省了空间，使机床整体结构更合理。

   （5）该机床是一种由交流永磁同步内转子力矩电机驱动的可交换A轴的双摆铣头 

   （6）该机床结构精简，AC摆头头库创造地利用斜面和A轴刀柄定位。使得定位准确，换头灵活。

致 谢

    本课题的全部工作都是在老师的悉心指导下完成的。在毕业设计工作过程中，导师以他深厚的理论基础、丰富的实践经验、对问题独到的见解以及良好的工作作风使我受益匪浅，借此论文完稿之际，我由衷像致以崇高的敬意和衷心的感谢。在今后的工作工程中我将以老师为榜样。

    在设计工作过程中，我的同学也给了我许多热心的帮助，在此，向指导、帮助过我的老师和同学表示最诚挚的感谢！

参考文献

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[2] 佟璞玮.发展中的国产五轴联动数控机床.2003:3

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