龙门加工中心头库结构设计【含CAD图纸全套+毕业答辩论文】

购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 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；性能研究购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 he is an of is to in on it an on on of S to on of of s of s of in of is 纸 咨询 14951605 1 目 录 摘 要 . I . 论 . 2 1 头库结构设计的理论基础 . 2 库结构设计国内外发展现状及优势 . 2 课题主要工作 . 4 2 头库结构设计 . 5 库整体结构布局简介 . 5 板传动系统导轨副选用计算 . 9 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 . 17 . 19 换过程中的铣头松开 /夹紧监控 . 22 量计简介 . 23 控原理 . 24 换过程中 Z 轴异常负载监控 . 25 结 论 . 26 致 谢 . 27 参考文献 . 28 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 2 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 。 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 2 1 头库结构设计的理论基础 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 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 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。 图 库 固定于工作台后部 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 3 (2)如图 示，安装在立柱正面：自动头库安装在立柱面上，一般分为上下两层，上面一层为附件头保护盖，下面一层为直角铣头或者万能铣头。通过驱动 轴方滑枕定位到头库位置进行自动换头。头库通过气缸或者液压驱动保护盖支架移动或者翻转来实现保护盖和附件头的交替转换。由于受立柱面大小的影响，故头库只能容纳保护盖和一个附件头，这样就大大缩小了加工中心的加工范围。再者立柱面安装了头库加大了加工中心全防护的安装难度，对机床 图 库安装在立 柱正面 (3)如图 用换头小车完成换头工作：在左立柱的前面，在地面上安装有换头的位置，每次换头通过驱动 轴方滑枕定位到头库位置进行换头；地面上有纵向和横向的轨道，当需要更换不同的附件头时，换头小车通过地面上的轨道推到换头位置进行换头，完成换头后再将小车推走。一个附件头放在一个小车里，几个附件头就需要几个小车。这种换头结构虽然可以实现能使用多个附件头，但换头时必须用人工来推动小车到换头位置，才能完成换头工作，这样就不能实现全自动换头。 图 库采用换头小车换头 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 4 课 题主要工作 由上分析可知，五轴联动加工中心是国家发展航天航空军事等领域的重要技术装备，本次设计完成了铣头可自动交换的高速五轴联动龙门加工中心的头库部分结构设计以及 库设计采用前文 设有防护间等结构。在铣头交换过程中由气缸将需要使用的头库从防护间中推动出来并进行交换，整个设计主要内容如下： （ 1）依据目前现代龙门五轴加工中心使用的换头头库中的三种，采用了固定式的方式，完成了头库结构设计。 （ 2）依据西门子 840D 系统选择编 码器的技术原则及原理，完成了 制逻辑的设计。 （ 3）完成装配图及相关零件结构图的设计，其内容包括： 托板零件图 托板座零件图 主轴库装配图 （ 4） 整体布置如图 图 床整体结构示意图 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 5 2 头库结构设计 库整体结构布局简介 主轴库放置在机床的后部，由气缸将主轴库推到需要换置的主轴点，通过滑枕的上下运动及主轴快换液压松 /夹机构来实现 换主轴，其中换头行程为 550 图 库结构立体图 图 库结构布局拆分图 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 6 表 库结构布局拆分简介表 序号 图名 数量 1 气缸 2 2 直线导轨及滑块 2 3 主轴 1 4 主轴 1 5 主轴支承座 1 6 拖链 2 7 接近开关 6 8 地脚调整螺钉 8 9 地脚 8 10 板 4 11 板 2 12 压板 4 13 导向销 2 14 块 1 15 板 2 16 垫片 2 17 气缸支架 2 18 压块 80 19 拖链支架 2 20 撞块支架 2 21 块 1 22 拖链支架 2 23 撞块 2 24 调整垫 8 25 焊接底座 2 26 焊接上座 2 27 主轴支座 1 头库正视图见图 轴头在交换过程中的定位除了由 轴的定位精度保证外，还由粗定位销（如图 精定位座（如图 保证的，在 Z 轴下降到左视图或右视图中的减速接近开关时， Z 轴进行减速，同时主轴端面的定位孔与粗定位销开始结合。然后， Z 轴继续减速下降到设定位置，此时与精定位座已经完全结合，主轴进行刀具加紧动作，夹紧完成 后主轴从铣头中进行脱离（铣头松开）， 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 7 图 库正视图 图 定位销图 图 固定座图 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 8 在主轴进行交换的过程中，头库的托板定位是由前后安装的两个接近开关来实现的，如图 示，托板的有效行程为 552 图 库左视图及右视图 图 库俯视图 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 9 板传动系统导轨副选用计算 头库托板的前进 /后退动作是由气缸来推动的，选用滚动导轨做为传动机构。 滚动直线导轨副的每个滑块所受的负载受以下各种因素影响：导轨副的配置形式（水平，竖直等），工作台的重心和受力点的位置，切削阻力的作用，运动时的加速度等。下图 几种情况下作用于滚动直线导轨副的各个滑块上负载的计算。 图 直受力分析 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 10 图 平轴向受力分析 图 平径向受力分析 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 11 图 速受力分析 可以根据所选导轨副的配置形式计算滚动直线导轨副的每个滑块所承受的载荷，然后根据后面提供的寿命计算方法来计算导轨副的寿命。 摩擦阻力受导轨副的结构形式、润滑剂的粘度、所受的载荷以及运动速度的影响而变化，预紧后，摩擦阻力将会有所增大。 摩擦力 F 可按下式计算： F p f 0 . 0 0 5 0 . 0 0 6 0 . 0 0 3 0 . 0 0 4 0 . 0 0 2 0 . 0 0 3 p N）， f N） 在相同的工作条件下，使一批相同构造和尺寸的导轨组件分别运行，在其中 90%的导轨组件尚未出现疲劳现象之前，滑块相对于导轨运动距离的总和或 一定运动速度下的工作小时数。 在实际的导轨系统中，为了充分发挥滚动直线导轨副的性能，与钢球接触的滚道表面的硬度应在 64之间。若滚道表面硬度较低，则额定动载荷减少，导轨的额定寿命将会降低。因此，导轨的额定动载荷、额定静载荷应乘以硬度系数 图所示为对应不同的滚道面硬度时的硬度系数 导轨系统的温度超过 100时，与在常温使用场合相比，额定动载荷降低，额定寿命缩短，因 此导轨的额定动载荷、额定静载荷应乘以温度系数 图所示为对应不同温度时的温度系数 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 12 滚 道 面 的 硬 度 系 数 020 30 40 50 60H R 系 数 f 2 0 140 1 6 0 1 8 0 200T ( C )00 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91 . 0f H f 轨性能与各参数的对应关系图 在计算额定寿命时，还应考虑外部作用载荷及使用场合的影响，物体的重量、运动速度所引起惯性力的变化，为此引入载荷系数同使用条件下下表 表 场合使用条件 无外来冲击载荷、振动 (163 管路 爆裂 通过合理使用流量计，在 证了铣头在自动交换过程中松04 4 * 1 0 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 25 开和加紧的可靠性。 换过程中 Z 轴异常负载监控 在铣头自动交换过程中，装卸铣头时， 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 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： 90 600 9l；抓头前位置检测 536；铣头松开 153 Z=0 =80； 据实际调整） =2； 口值 (根据实际调整 ) 90 =1000 153 Z=1； 置 537；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 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。 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 26 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 （ 6）该机床结构精简， 轴刀柄定位。使得定位准确，换头灵活。 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 27 致 谢 本课题的全部工作都是在导师徐兆成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，我由衷像徐兆成老师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！ 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 28 参考文献 1 张曙 机床工业的未来 82 佟璞玮 2003:3 3 邹家祥 1990:144 赵宏林 2004:1055 甘屹 2003:886 周凯 1998:557 孙靖民 1998:248 汉斯格罗斯 1984:579 迟建山 1980:5910 罗辉国 2001:18