龙门加工中心铣头自动交换系统【图纸4张】【全套CAD图纸+毕业论文】【原创资料】【模具设计】
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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 摆头，根据加工需求实现 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 n is a in is at in as as of in of as as NC of of of of a in , Y to Z to C to to be of to 2 to is on in of is 阳工学院毕业 设计说明书 目 录 摘 要 . I . 论 . 铣头自动交换技术简介 .课题主要工作 . 铣头自动交换原理 .头自动交换高速龙门加工中心简介 . 轴自动交换原理 . 铣头自动交换系统设计 .、液、气快换 .位夹紧及扭矩传递 .锁拉钉的选用 . 拉钉工作原理 . 拉钉自锁条件 . 10 轴编码器选用 . 12 于西门子 840D 系统编码器类型选择及参数设置 . 12 于海徳汉 统编码器类型选择及参数设置 . 14 换状态监控 . 15 量计简介 . 16 控原理 . 17 4 机床的总体方案设计 . 18 床总体机械结构布局形式 . 18 床设计及分析方法 . 18 5 机床的主要性能指标及对比 . 19 6 关键部件的设计及选择 . 21 线轴进给驱动的设计及选择 . 21 、 Y 轴驱动的设计及选型 . 21 轴驱动的设计及选型 . 21 沈阳工学院毕业 设计说明书 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 1 绪 论 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 2 图 摆头示意图 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 3 2 铣头自动交换原理 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： 5000 2500、 X/Y/Z 行程： 5000 2500 1400A/C 轴转角范围： 110 / 360 3、 A/C 轴双摆铣头：主轴可自动交换 4、主轴转速：高速主轴 24000速主轴 9000、主轴扭矩： 72速）， 303 速） 6、 X/Y/Z 定位精度： A/10” 7、 X/Y/Z 重复定位精度： A/C 轴重复定位精度： 5” 8、 X/Y/Z 快进速度： 50/50/30m/A/C 轴快进速度： 60r/、系统： 40D/床整体结构如图 中第 7部分即为可自动交换 ，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 4 图 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 摆头 8 头库 9 左刀库 沈阳工学院毕业 设计说明书 5 10 右刀库 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 “in 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 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 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 轴双摆头自动交换接口 沈阳工学院毕业 设计说明书 6 3 铣头自动交换系统设计 、液、气快换 一般直驱式双摆头 轴的力矩电机、 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。 、气的快换接头 ， 可以 满足 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 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 强、弱电在 必须通过快换接头来断开与接通。 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。 轴放置的时候有可能被污染，所以在 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 7 图 1- 钣金件 2345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 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 粗定位销的配合确保这一过程 ，但是 此 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 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 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 8 图 轴部分结构 123轴上部 4轴下部 图 轴部分上部结构 12、气快换接头 34锁拉钉的选用 在交换过程中选用 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 9 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 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 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，沈阳工学院毕业 设计说明书 10 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。 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 态 局部受力图 如图所示， 可推出 ： 561 2 7 6 5 6 2 7 6s i n ( ) s i n ( )2 其中油压的推力 F 与 拉钉壳体对自锁块 的反作用力56F；拉钉对自锁块的反作用力76F；56为拉钉壳体与自锁块之间的摩擦角56；自锁块与拉钉之间的摩擦角76；1为拉钉壳体斜面与水平线之间的夹角1；拉钉斜 面与水平线之间的夹角2。 沈阳工学院毕业 设计说明书 11 可进一步得： 5 6 1 2 7 6 5 62 7 6* s i n ( )s i n ( )2 当不计 算 自锁块与拉钉、拉钉壳体之间的摩擦力时， 5 6 1 202* s i n ( ) 此时，松开状态正行程的机械效率为： 0 1 2 2 7 62 1 2 7 6 5 6s i n ( ) * c o s ( )c o s * s i n ( ) 若松开状态正行程自锁 , 即 0 ，则松开状态正行程的自锁条件为： 1 2 2 7 62 1 2 7 6 5 6s i n ( ) * c o s ( ) 0c o s * s i n ( ) 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 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： 0 1 3 3 7 63 1 3 7 6 5 6s i n ( ) * c o s ( )c o s * s i n ( ) 沈阳工学院毕业 设计说明书 12 式中铣头的拉力 F 为，拉钉斜面与水平线之间的夹角3为。 若拉紧状态反行程自锁 , 即 0 ，则拉紧状态反才了程的自锁条件为 1 3 3 7 63 1 3 7 6 5 6s i n ( ) * c o s ( ) 0c o s * s i n ( ) 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。 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。 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， 过改变 “驱动控制字 ”中的电机位( 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 该参数是控制电机交换使能及电机交换类型的，当参数 时， 系统电机交换功能关闭，当参数 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 13 图 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、 过改变 “驱动控制字 ”中的电机位，发出准备交换电机 的请求 (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 “的 “脉冲使能位 ”来通知 轴 1 及 A 轴的 “脉冲使能 ”已经取消 (5、控制器 来开启 主轴 2及 6、控制器通过电机位来通知 轴及 7、 过 840D 申请 “生效 8、 840D 通过 “驱动控制字 ”申请 “生效 9、驱动控制器通过 “驱动状态字 ”通知 已经生效 ($3 : “生效 ) 10、 掉主轴连接， 候 自动交换双摆铣头 执行命令 过程，如图 示： 沈阳工学院毕业 设计说明书 14 图 11、 接主轴 2 及 A 轴的电压供给及编码器等，如图 示： 图 12、 过 840D 终止 “ ” 13、 840D 通过 “驱动控制字 ”终止 “ 14、驱动控制器通过 “驱动状态字 ”通知 已经终止 ($ 15、 过 “(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 “的 “脉冲 使能位 ”来通知 轴 2 及 A 轴的“脉冲使能 ”已经激活 (于海徳汉 统编码器类型选择及参数设置 采用 海徳汉 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 示： 沈阳工学院毕业 设计说明书 15 图 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 力开关检测松 /夹到位原理图 沈阳工学院毕业 设计说明书 16 图 量计检测 松 /夹到位原理图 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 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 控原理 设每个拉钉卡紧所需油量0 10V 卡紧动作所需总油量为04 40V 选取德国司 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 量，则完成卡紧动作所需脉冲数为： 04 4 * 1 0 沈阳工学院毕业 设计说明书 17 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 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 1 3 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 ”、 “、 “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 ” 沈阳工学院毕业 设计说明书 18 1 1 4 机床的总体方案设计 床总体机械结构布局形式 如 图 1 所示 。 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 。 X 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 。 图 高速龙门五轴加工中心结构示意图 梁 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 软件进行三维 设计， 用 件对机床（尤其是 A/C 轴双摆头）进行运动 模拟计算， 用 件对机床整体和关键基础大件进行沈阳工学院毕业 设计说明书 19 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 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 头可自动交换的高速龙门五轴加工中心产品与德国 38 和法国 H 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。 沈阳工学院毕业 设计说明书 20 表 5主要技术指标及性能参数对比 沈阳工学院毕业 设计说明书 21 6 关键部件的设计及选择 线轴进给驱动的设计及选择 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 机床 X/Y 轴的移动质量非常大，所以均选用推力最大的 1 号的直线电机。 1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 号重载滚柱导轨和 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 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 号重载滚柱导轨和 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）。 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 1号电机，与 杠通过 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（ 70 80） %，以保证 Z 轴的动态 性能。 Z 轴驱动重量是滑枕和双摆头的重量之和，重约 用瑞士某公司的 号重载滚柱导轨和 号的滑块，每根导 轨安装 3 个滑块。 动轴驱动的设计及选择 A/C 轴双摆铣头是本项目最关键的零部件之一，双摆头绕 Z 轴转动 360为 C 轴，绕 X 轴摆动（ 110） 作为 A 轴； A/C 轴双摆 铣头的 A、 C 轴均为力矩电机驱动。 沈阳工学院毕业 设计说明书 22 两个可交换的铣头分别选用德国某公司的 列重型铣 头，其中低速重 切时选用：功率 42数 7000r/大扭矩 400柄系统为 铣头；高速时选用：功率 34 转数 24000r/大扭矩 72柄系统为 铣头。 两个铣头备有头库装置，如图 示。 图 6. 2 铣头头 库 摆头的 A 轴部分可以通过拉紧机构 快速接头 组合应用进行自动交换，快速接头 某公司的一种 非常可靠的精确的气路、 油路快速对接系统，它结构紧凑，同时在 高流速的情况下具备低 阻抗的优点，保证了最小的压力损失；拉 紧机构 备方位偏差补偿功能， 它允许对接件更大范围的误差和不准确， 甚至不需要其他螺纹连接或导向装置。结构如图 6 示 。 图 速换头机构示意图 沈阳工学院毕业 设计说明书 23 结论 基于大型航空透明件模具对数控加工装备的要求与目前国际航空数控装备的发展趋势，通过对高速龙门五轴加工中心设备的研制，掌握直线电机应用、自动交换双摆铣头等关键技术，以提升我国机 床行业在五轴、高速加工等设备方面的自主研制能力，对“高、精、尖”数控装备国产化具有重要意义。另外，该设备的研制成功将满足国家重点型号飞机的研制需求，国防意义重大；同时将突破大尺寸、高精度模具制造瓶颈，具有广泛的推广应用前景。采用了二次调节的液压电梯调速系统，很好的解决了节流调速系统的弊端。由于使用了蓄能器，不但能使电梯下行时释放的能量得以回收再利用，而且能使电梯上行减速时，将制动能量回收，大大减轻了泵的负荷，达到了节能的效果，采用电反馈回路提高了系统的控制精度，此外，由于恒压变量泵多为柱塞泵，必然存在输出压 力波动，蓄能器则可在系统稳定运行时吸收压力脉动，保证定压网络的稳定输出，从而进一步提高了二次调速系统的控制精度。因二次调速系统无节流损失，故工作效率高。应当注意，二次调节系统油源中的恒压变量泵一般按平均功率选配，这样可以降低成本，提高效率；蓄能器在选配时，其动态响应速度应高于恒压变量泵的压力波动速度，这样才能很好地吸收压力脉动。 沈阳工学院毕业 设计说明书 24 致 谢 通过这次的毕业设计使我重新拾回了那些学过却被遗忘的知识，同时在设计过程学到了为接触过的知识，也在这过程得到了很多人的帮助。首先，衷心感谢我的指 导老师在我毕业论文选题、调研、草案、定案及总结等方面做出的指导和帮助，在毕业开题时指导着进行毕业设计的选题及讲解，在设计过程中给予意见与指导，作为一名本科毕业生，在设计方面难免会考虑不周全，感觉老师在我的设计过程给予的建议，指导，才使得能顺利完成本次的设计。在此，再次衷心感谢老师的耐心教导。 其次，感谢在设计过程帮助过的同学，在我疑惑时能给予我一定帮助，在绘制图形方面做出的指导，本次设计的完成也离不开同学的帮助。 最后，感谢百忙中审阅本文的各位老师，你们的意见将变成我宝贵的经验， 感谢我的母校 沈阳工学院 四 年来对我的大力栽培。 沈阳工学院毕业 设计说明书 25 参考文献 1 赵红星液压电梯速度控制研究 J科技资讯， 2010（ 5） 2 王爱芳，刘秀莲，周平二次调节静液传动技术在液压电梯系统中的节 能应用 J机床与液压， 2008， 4（ 4） 3 杜阳坚蓄能器在液压电梯中应用 J江西科学， 2006， 10（ 5） 4 荣拥军，范崇托电液比例阀在液压电梯速度控制系统中的 本科毕业设计（论文）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 学生姓名： 吕俊杰 指导教师： 徐兆成 机械与运载学院2016 年 5 月 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 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 。 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（ 1）； （ 2） 龙门加工中心铣头自动交换系统 零件图（ 1、 6）； （ 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： 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； 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 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 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 840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 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 。 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： 一 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 三 待完成的内容： 一 门加工中心铣头自动交换系 统 的工作原理及应用； 二 已完成百分比： 50% 存在问题：对 龙门加工中心铣头
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