对称加工机床的机电设计与实现

对称加工机床的机电设计与实现

0高效提升有限加工效率的措施自由曲线的有效加工已成为当前研究的热点之一。目前用于提高自由曲面数控加工效率的措施主要分为5类:①提高机床的加工能力;②采用高速切削技术;③优化加工工艺;④优化刀具路径;⑤改进刀具结构。但是,以上措施都是基于单刀加工的,特别是对于大型对称自由曲面,这些措施并没有充分利用大型对称自由曲面的形状特点,因此其加工效率的提高有限。为了大幅提高大型对称自由曲面的加工效率,本文根据大型对称自由曲面的形状特点,提出了一种新型的对称加工方法,分析了对称加工的特点。1曲面对称加工如图1所示,对称加工是针对大型对称自由曲面的加工方法,在对称加工的任一瞬时,有两把完全相同的刀具参与切削,且两刀具的位置、姿态、运动速度、主轴转速等均关于被加工曲面的对称面对称。对称加工有以下特点:①对称加工可以显著提高大型对称自由曲面的加工效率,其理论极限效率为传统单刀加工效率的两倍;②对称加工时,两刀具或两主轴箱会在被加工曲面的对称面附近区域产生碰撞,如图2所示,为了防止碰撞,必须在曲面对称面附近区域预留一定的面积不加工,从而造成了加工剩余;③加工剩余的清除只能采用非对称加工的方式,如图3所示,将两把刀具沿垂直方向错开,以单刀加工的方式消除加工剩余。2四个坐标对称加工中心2.1x轴和回转台图4所示为四坐标对称加工机床的机械结构示意图。该机床主要由龙门水平移动机构(X轴)、左右立柱、横梁、左右横向水平移动滑台(Y1、Y2轴)、左右垂直移动滑台(Z1、Z2轴)、左右回转台(A1、A2轴)、刀具、工作台等构成。工件安装在固定工作台上,左右立柱与横梁相连构成龙门式结构,该龙门结构可以在工作台上沿X轴水平移动。安装在横梁上的左右横向移动滑台只能沿Y轴相向运动。分别安装在左右横向移动滑台上的左右垂直滑台分别沿Z1轴和Z2轴运动。同样,分别安装在左右垂直滑台上的左右回转台分别沿A1轴和A2轴运动。在每个回转台上装有一把端铣刀。2.1.1分段钢绞线的安装由于整个加工设备长度接近9m,而X轴方向的加工精度要求很高,因此X轴的设计至关重要。在本设计方案中,X轴导轨采用等长的500mm钢轨拼接而成,它具有以下优点:①钢轨表面光滑、密度大、变形小,可以保证龙门式结构高度方向的精度;②分段的钢轨可在X、Y、Z各方向单独调节,减小安装难度;③分段的钢轨能避免热胀冷缩带来的长度方向误差。龙门水平移动的导轨安装在床身上,采用一山一平形式的滚轮导向;其传动机构为齿轮齿条,齿条也安装在床身上,齿轮由交流伺服电机通过蜗轮蜗杆减速驱动;前后行程极限处安装限位挡铁,并装有原位、前限位减速、后限位减速、前极限和后极限5个无接触型接近开关。2.1.2y轴方向的确定水平滑台(Y轴)安装在横梁上,由伺服电机驱动,滚珠丝杠螺母副传动,直线滚动导轨副导向。Y轴方向由一台伺服电机及一套滚珠丝杠螺母副同时驱动左右两个滑台相向或相背运动,该滚珠丝杠的螺旋部分为两段,分别为左右旋向。左右滑台的前后行程极限处分别安装限位挡铁,并装有原位、前限位减速、后限位减速、前极限和后极限5个无接触型接近开关。2.1.3旋转覆盖设计左垂直滑台(Z1轴)和右垂直滑台(Z2轴)分别安装在Y轴的左右滑台上,都采用伺服电机驱动,滚珠丝杠螺母副传动,直线滚动导轨副导向,上下行程极限处安装限位挡铁,并装有原位、上限位减速、下限位减速、上极限和下极限5个无接触型接近开关,还分别装有垂直的平衡重机构来平衡垂直滑台的部分重量,以保证运动平稳。2.1.4杆传动,无转速回转台由交流伺服电机驱动,蜗轮蜗杆传动,无级调速,连续回转。蜗轮和蜗杆的回转周向分别装有用于原位粗定位和原位精定位的无接触型接近开关。2.1.5选择合适的转速驱动装置选用直径为100mm(端面刨铣)、刃高为60mm(侧面刨铣)的盘式铣刀,选用1.5kW、3000r/min的交流电机作为驱动装置,通过变频调速可实现主轴在0～3000r/min范围内的无级调速。2.2卡+伺服电机控制系统四坐标对称加工机床控制系统的核心是对6根轴的控制(X轴、Y轴、Z1轴、Z2轴、A1轴、A2轴),该系统采用“工业控制计算机+运动控制卡+伺服电机控制系统”的结构形式,较为详细的电器设计方案如图5所示。从图5中可以看出,6根轴均采用交流伺服驱动装置,其中Z1、Z2伺服驱动器分别通过KA1、KA2继电器与运动控制卡的同一端子CN7(Z轴输出端)相连,A1、A2伺服驱动器分别通过KA3、KA4继电器与运动控制卡的同一端子CN8(A轴输出端)相连。X、Y伺服驱动器分别与运动控制卡的端子CN5(X轴输出端)、CN6(Y轴输出端)相连。3刀具沿被加工曲面的运动根据上述对称加工的定义,四坐标对称加工要求两把刀具在X轴、Y轴、Z轴和A轴上的运动必须沿被加工曲面的对称面对称,因此,两把刀具沿X轴、Y轴、Z轴和A轴的运动要同步,并且要求沿Y轴和A轴的运动要反向。3.1x轴伺服驱动系统由图4和图5可知,两把刀具通过左右回转台和左右垂直滑台均安装在龙门结构的横梁上,该龙门结构由一套驱动系统(X轴伺服驱动系统)驱动,因此两刀具的运动满足沿X轴运动同步的要求。两刀具沿X轴关于被加工曲面对称面的对称度由左右回转台和左右垂直滑台的制造和安装精度来保证。3.2双轴旋转大尺寸协同加工的工艺特点如图6所示,由于两把刀具分别安装在一根两端旋向相反的滚珠丝杠的两侧,并且该丝杠由一套伺服驱动系统驱动,因此两把刀具满足了沿Y轴运动同步且反向的要求。两刀具沿Y轴运动的同步精度由滚珠丝杆螺母副的传动精度来保证,由于两套滚珠丝杠螺母副除旋向相反外,二者的尺寸、结构和精度完全一样,只要选择中等精度的滚珠丝杠螺母副,并保证其安装精度,就完全可以满足一般对称加工沿Y轴的同步误差(0.02mm)要求。这种驱动方案不仅满足了沿Y轴运动对称的要求,还节省了一套伺服驱动系统,降低了机床的整体造价。3.3z轴和zs3伺服驱动系统同步误差分析如图5所示,两把刀具在Z轴方向分别采用独立的驱动系统:Z1轴伺服驱动系统和Z2轴伺服驱动系统。这两套伺服驱动系统分别通过继电器KA1和KA2与同一端子CN7相连。图7所示为运动控制器与伺服驱动器之间的连接情况,由于运动控制卡和伺服驱动器之间传输的信号是脉冲信号,因此,当两继电器KA1和KA2同时闭合时,只要脉冲信号的功率足够大,运动控制卡上Z轴的脉冲信号是可以同时传输到两套伺服驱动系统上的。由于Z1轴和Z2轴伺服驱动系统的型号、参数设置以及输入信号完全一样,同时伺服驱动系统本身就是半闭环控制,因此两伺服驱动系统之间的同步误差是一个比反馈脉冲采样周期更高阶的微小量,该同步误差相对于一般对称加工的同步精度要求而言是完全可以忽略的,因此两刀具沿Z轴的同步精度主要由沿Z轴的两套滚珠丝杠螺母副的传动精度来保证。由于两套滚珠丝杠螺母副的型号、尺寸、结构和精度完全一样,只要选择中等以上精度的滚珠丝杠螺母副并保证其安装精度,就完全可以满足一般对称加工沿Z轴的同步误差(0.02mm)要求。当两继电器KA1和KA2同时闭合时,Z1轴伺服驱动系统和Z2轴伺服驱动系统接受相同的驱动信号,从而保证了两刀具沿Z轴方向的运动同步。当一个继电器闭合,另一个开启时,则只有一把刀具可以沿Z轴方向运动。这样的电路设计既可以保证两刀具沿Z轴的同步运动,也可以实现两刀具沿Z轴的单独运动,从而可以将两把刀具沿Z轴错开,实现以单刀加工的方式消除加工剩余。3.4蜗轮蜗杆同步运动误差两把刀具沿A轴的同步运动实现机理与沿Z轴的同步运动实现机理类似,只不过两刀具沿A轴的同步运动误差主要由两回转台的蜗轮蜗杆副的传动精度来保证。两刀具沿A轴运动方向相反的要求通过将A1轴和A2轴伺服电机的相序反接来实现。4双船模曲面的对称加工基于以上研究成果,自主研制开发的国内首台四坐标对称加工机床如图8所示。目前该机床已成功实现了对多种类型船模曲面的对称加工。图8所示双艉船模曲面的尺寸为8000mm×1300mm×700mm。对称加工后的双艉船模曲面如图9所示。实际加工结果表明,四坐标对称加工可以将船模曲面的加工时间由手工加工的360h缩短为7h,将船模曲面加工的对称误差由1.5mm减小到0.47mm,相对于传统的四坐标单刀