LW850高速高精度立式加工中心设计.doc

LW850高速高精度立式加工中心设计Abstract: This paper describes the typical CNC systems used for CNC machine tools, machining center ray structure, spindle drive system, servo drive system and automatic tool changer. On this basis, researching and developing the LW850 high-speed precision vertical machining center based on Num CNC system as construction center.Keyword: CNC system,Machining center,Design and Selection0 引言数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进装备。以数控技术为核心的数控系统装配和制造水平已经成为衡量一个国家制造水平的标志。根据十一五期间，国家对装备制造业的要求，自主开发高速精密加工中心，研究其相关的设计和制造技术，对国家在高端装备领域的核心竞争力起到至关重要的影响。结合当前国内外数控加工中心的最新技术动态，本文在对典型数控系统进行比较的基础上，以Num数控系统作为整个加工中心构建的核心，配备相关组件，研究并开发了一套高速高精度立式加工中心。1数控系统选型数控系统通常由人机界面、数字控制以及机床逻辑控制三个功能模块组成。其中主控制器内的插补模块即是根据所读入的零件程序，通过译码、编译等处理后，进行相应的刀具轨迹插补计算，并通过与坐标伺服系统的位置、速度反馈信号的比较，从而控制机床各坐标轴的位移。而时序逻辑控制通常由可编程控制器PLC完成，它根据机床加工过程中各个动作要求进行协调，按各检测信号进行逻辑判别，从而控制机床各个部件有条不紊地顺序工作1。在数控系统选型时，要考虑数控系统的高生产性，节能性，同时要求系统易于开发，输入输出单元易于扩展。从设计角度出发，要求有良好的人机接口，便于设计人员开发、修改程序、更改参数等。数控系统的开放性高，利于进行二次开发，建立开放式数控平台2。目前，国外比较典型的数控系统有法国Num，德国SIEMENS，日本FANUC、三菱数控系统等。国内有广州数控与华中数控等。其中Num，SIEMENS，FANUC品种齐全，性能可靠，有较高的性价比。我国从事数控系统开发、设计和生产的公司起步较晚，与Num，SIEMENS，FANUC有较大差距。而Num系统相对于其他两种系统而言，由于Motorola比Intel的CPU处理速度快，性能稳定，相比之下，Num Power 1040的硬件特性最佳，SIMENS 840D次之，FANUC 0T最差；Num Power 1040比SIMENS840D的软件功能多，FANUC0T最差。因此本文选用Num数控系统作为整个加工中心构建的核心。2加工中心光机选型在加工中心上加工零件时，要求机床既能承受粗加工时的最大切削功率，又能保证精加工时的高精度，所以机床结构必须具有很高的强度、刚度和抗振性。另外，机床的结构必须有很高的可靠性，才能保证机床运行功能正确执行。所以加工中心的光机必须具支承件刚度高、传动机构简约、传动元件精密等特点3。经过对国内加工中心生产企业专业性及产品质量的综合考虑，本文选用昆明兴台正机械有限公司L850型加工中心光机，结构如图1所示，性能参数如表1所示：图1 L850光机结构表1 L850型加工心光机的性能参数型号L850行程X 800mmY 500mmZ 550mm主轴端面至工作台距离最大680mm最小130mm工作台尺寸950mm460mm工作台T型槽18mm，3条主轴中心至Z轴导轨面距离575mm主轴锥度BT40/BT50导轨重载矩形导轨主轴最高转速8000RPM主轴功率7.5kw刀具最大重量8kg切削进给速度0-12m/minX/Y/Z轴快进速度12 m/min定位精度0.01mm重复定位精度0.005mm机床尺寸占地面积(长x宽)2550x2200mm机床高度高度2550mm工作台最大承重量750kg3 主轴驱动系统设计造自动化要求作为底层加工系统的数控机床具有高效、高精度、高柔性等特性。这对数控机床的主轴驱动系统提出了高速及超高速、宽调速范围、快速响应、精确的准停功能等高要求4。3.1主轴电机选型（1）典型工艺参数下的主轴切削力已知条件：加工中心主轴对工件进行精加工、主轴转速6000r/min、顺铣、工件为45钢、刀具为高速钢立铣刀。典型工艺参数下主轴切削力由公式5( 1)计算： (1)式中：-材料系数；-背吃刀量(铣削深度)；Z-铣刀齿数；-铣刀直径；-侧吃刀量(铣削宽度)；-每齿进给量；-铣削条件改变时，修正系数。查表5：加工钢料时， =773，=1； =16mm，Z=4，=10mm，=3mm，=0.1mm/Z，代入式(1)中，可计算=1145N。（2）主轴电机功率计算及选型机床主传动的功率P可根据切削功率与主运动传动链的总效率由公式(2)确定： (2)式中：F-主轴切削力(N)；v-切削速度(m/min)；n-主轴转速(r/min)；-铣刀直径(mm)。根据功率要求选择上海富田SDS系列SDS-s83-5.5/7.5-1500/8000-4V高性能异步伺服主轴电机，性能参数如表2所示。表2 主轴电机的性能参数电机型号SDS-s83-5.5/7.5-1500/8000-4V额定功率连续定额5.5 kW电流连续定额12.4 A30分钟定额7.5 kW30分钟定额18 A转速基准转速1500 rpm扭矩连续定额36 N.m最高恒功率转速6000 rpm30分钟定额49.1 N.m最高机械转速8000 rpm惯量0.0224 Kgm23.2主轴驱动器选型根据上述选型的伺服主轴电机，配套选用IMS-GF-47P5-D型蒙德主轴驱动器。它采用智能功率IGBT模块，大大提高整机的可靠性，具有集驱动、保护、功率交换于一体的优点；采用优化的PWM生成技术，输出谐波小；与SSM系列伺服主轴电机配合具有灵活多样的控制功能，能实现位置控制、速度控制、转矩控制。IMS-GF-47P5-D型主轴驱动器性能参数如表3所示：表3主轴驱动器性能参数主轴驱动器型号IMS-GF-47P5-D最大驱动电机容量7.5 kW输出功率14 kVA额定输出电流18 A额定电压400 V断路器选择20 A接触器选择20 A制动电阻选择1000 W75 滤波器选择20 A1.06 mH4进给伺服系统设计4.1伺服进给系统类型伺服进给系统有开环、半闭环、全闭环三种模式。开环没有位置检测与反馈，一般采用步进电机作为驱动元件，该系统结构简单，但是精度低，稳定性不好；半闭环一般利用伺服电机的编码器反馈，间接测量执行部件位置，该系统结构简单，精度比开环系统显著提高，应用较为广泛；闭环系统一般利用光栅尺直接测量执行部件位置，可以消除机械传动误差，精度较高，但光栅尺一般价格较高。故本加工中心采用伺服电机，利用编码器反馈，构成半闭环控制系统。4.2伺服电机选型以Y轴电机作为计算示例：（1） 额定转速的选择，由公式(3)计算可得： (3)式中： -最大进给速度；B-丝杆螺距(mm)；i-传动比。取额定转速。（2）折算到电动机轴上的传动惯量的选择1）.负载惯量的计算在实际工程中，用飞轮转矩 代替转动惯量由公式(4)计算： (4)式中：-折算到电动机轴上的总飞轮转矩()；-电动机轴上的飞轮转矩；-实际负载飞轮转矩；=1.1-1.25。 若以加速时间最短为制约条件，则：式中： W-重量(N)；r-转动半径(m)。由飞轮转矩和转动惯量的关系，通过公式(5)计算可得转动惯量： (5)式中： -转动惯量(kg.m2)；g-重力加速度(9.8m/s2)。2）.负载惯量的选择 式中：-额定飞轮转矩。（3） 额定转矩的选择 (6)式中： -工作台的轴向运动力(N)；W-工作台重量(N)；u-摩擦因素；-传动效率；r-电动机每转线位移量，r =B/i， B为丝杆螺距(mm)，i为传动比，。（4） 伺服电机的选型根据计算得到的额定转速、额定转动惯量、额定转矩，选择安川伺服电机。电机及其对应的驱动器型号如表4所示：表4 加工中心各轴电机及对应驱动器型号轴组电机型号驱动器型号X轴SGMGH-20AASGDM-20ADAY轴SGMGH-20AASGDM-20ADAZ轴SGMGH-30AASGDM-30ADA5自动换刀装置设计 自动换刀装置(ATC)是指加工中心中能完成主轴与刀具存储位置间刀具交换的系统，包括刀库和换刀机构两部分6。在零件加工过程中，由于粗加工、精加工每次的切削工艺不一样，需要不同的工具进行加工，而每次换刀又需要重新对刀，需要大量的辅助时间，并存在定位精度等问题。为了解决这些问题，提倡工序集中，以充分提高机床的加工精度。应用刀库，可以一次装夹，实现多次多工艺模式加工，既保证了加工精度，也提高了效率。本文结合所选择光机的空间位置及成本，选用北钜精密机械制造有限公司的D-BT40-20T/G-250/110-PNP-10-0型斗笠式圆盘刀库自动换刀装置。采用气动驱动水平方向往复运动，配合主轴的上下运动实现换刀。刀库的性能参数如表5所示：表5 刀库的性能参数刀库型号D-BT40-20T/G-250/110-PNP-10-0自动换刀方式主轴头上下移动式刀具选择方式双向正逆任意式刀具允许数20刀具最大直径90 mm刀具长度250 mm刀具允许重量8 kg刀库推动形式气动刀库持刀中心到主轴中心行程250 mm各刀位移时间0.5 s刀库移动时间4 s总结本文介绍了数控系统的结构，对典型数控系统进行了性能比较，并介绍了数控系统的选型及其特点。研究了加工中心光机结构特点、主轴驱动系统、伺服驱动系统、自动换刀装置。在此基础上，完成了一套以Num数控系统为构建核心的高速高精度立式加工中心的选型设计。参 考 文 献1 MCFHDBOA卧式加工中心控制系统设计J, Sevor Control, 2004(40): 40-4