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畢業(yè)設計（論文）附件 題 目： 龍門加工中心頭庫結構設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 12101629 姓 名： 蔡斌豪 指導教師： 徐兆成 機械與運載學院 沈陽工學院 畢業(yè)設計（論文）課題申報表 課題名稱 龍門加工中心頭庫結構設計 課題來源 教師提供 課題類型 AX 課題簡介：（主要內容、進行方式、工作量大小及準備程度、現(xiàn)有技術和物質條件、時間安排、預期成果） 主要內容：完成了龍門加工中心頭庫結構設計，完成了托板零件圖、托板座零件圖、 主軸裝配圖，PLC控制邏輯的設計。 進行方式：學生在校內外短期鉆研的基礎上，在老師的指導下完成。 工作量大小及準備程度：設計圖紙總共三張AO，論文說明書1萬字以上 現(xiàn)有技術和物質條件：結構的設計是該專業(yè)的核心技術能力要求，學生已完成結構 設計的相關知識、課設和實訓，具有一定的專業(yè)基礎。學生在設計過程中不乏調研、查閱相關設計手冊和參考書等設計資料。 時間安排：1.第1周：下達課題 2.第2周：查閱相關資料完成開題。 3.第3-4周:完成托板零件圖，托板座零件圖的繪制及PLC控制邏輯。 4.第5-14周：完成一套頭庫結構設計的三維造型。 5.第15-16周：完成設計說明書的編寫 預期成果：具有一定應用價值的龍門加工中心頭庫結構設計，托板零件圖、托板座零件圖、主軸裝配圖及論文說明書 申報人姓名：蔡斌豪 日期： 2016年 1月6日 學院畢業(yè)設計（論文）工作領導小組意見： 組長簽字： 年 月 日 說明：課題類型（1）A——工程設計；B——技術開發(fā)；C——軟件工程；D——理論研。（2）X——真實課題；Y——模擬課題；Z——虛擬課題。（1）、（2）均要填寫，如AY、DX等。 畢業(yè)設計（論文）任務書 課題名稱 龍門加工中心頭庫結構設計 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 姓名 蔡斌豪 學號 12101629 主要內容、基本要求、主要參考資料、進度安排等： 主要內容：1.完成了龍門加工中心頭庫結構設計。 2.完成了托板零件圖、托板座零件圖、主軸裝配圖。 3.PLC控制邏輯的設計。 4.編寫設計論文說明書。 基本要求：分析并繪制零件圖及裝配圖，按照實際應用機床對頭庫結構進行設計，制定主軸交換的基本理論方案，設計PLC控制邏輯，設計完成托板、托板座、裝配圖的繪制，共三張A0圖紙，完成說明書論文1份，字數(shù)要求在1萬字以上。 主要參考資料：機械設計理論基礎、機床總體方案設計技術。 進度安排：1.第1周：下達課題 2.第2周：查閱相關資料完成開題。 3.第3-4周:完成托板零件圖，托板座零件圖的繪制及PLC控制邏輯。 4.第5-14周：完成一套頭庫結構設計的三維造型。 5.第15-16周：完成設計說明書的編寫并做好答辯準備 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 系主任簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）開題報告 課題名稱 龍門加工中心頭庫結構設計 課題來源 教師提供 課題類型 AX 指導教師 徐兆成 開題報告內容：（調研資料準備情況，設計的目的、要求、思路與預期成果；工作任務分解，各階段完成的內容及時間分配；完成設計（論文）所具備的條件、存在的問題等。） 調研資料準備情況： 通過查閱了相關資料及籌備了必要的設計資料，為本次畢業(yè)設計的理論基礎做好了軟硬件的準備。在整個設計過程中，我們綜合運用所學的理論知識和技能，分析并繪制了零件圖及裝配圖，按照實際應用機床對頭庫結構進行設計，制定主軸交換的基本理論方案，設計PLC控制邏輯，設計完成托板、托板座、裝配圖的繪制，共三張A0圖紙，完成說明書論文1份。 主要查閱的資料有：機械設計理論基礎、機床總體方案設計技術、數(shù)字化控制機床工業(yè)的未來等。 設計目的： 1.培養(yǎng)我們運用已學的知識進行較復雜結構的設計及其工作原理理論的設計能力等。 2.能運用已學的知識進行較復雜的PLC控制邏輯設計。 3.培養(yǎng)我們運用有關設計手冊等技術資料的能力。 4.進一步培養(yǎng)我們制圖、運算和編寫技術文件等基本內容。 設計要求： 1.繪制零件圖 2.繪制裝配圖 3.設計主軸交換的基本理論基礎，設計PLC控制邏輯 4.明確設計該結構的意義 5.完成一套結構設計的三維造型 6.圖紙量達到三張A0 7.論文說明書1萬字以上 設計思路： 1. 關于該設計的設計結構意義 2. 結構材料的選擇，依據(jù)機床的設計要求完成頭庫的結構設計 3. 主軸交換的基本理論及其可行性。 4. PLC控制邏輯的基本理論及其設計編寫 5. 結構各部件的選擇理論基礎及其可行性 6.了解現(xiàn)代機床的優(yōu)缺點 7.完成圖紙的繪制 工作任務分解： 1.第1周：下達課題 2.第2周：查閱相關資料完成開題。 3.第3-4周:完成托板零件圖，托板座零件圖的繪制及PLC控制邏輯。 4.第5-14周：完成一套頭庫結構設計的三維造型。 5.第15-16周：完成設計說明書的編寫并做好答辯準備 完成設計所具備的條件： 1.詳細分析了國外加工中心的機床設計方法，探討了各種機床結構的優(yōu)缺點，通過大量詳細而準確的計算，提出了頭庫總體布局方案，并完成了機床托板、托板座等主要功能部件的設計。 2.在深入分析現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)的基礎上，運用最新理論，提出保持機床高精度的方案設計。 3.采用理論力學基本原理和方法，對機床關鍵運動部件進行了結構性能分析，從而為機床的高速、精密等性能指標提供了可靠保證。 預期成果： 具有一定應用價值的龍門加工中心頭庫結構設計，托板零件圖、托板座零件圖、主軸裝配圖及論文說明書。 指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日 課題類型（1）A——工程設計；B——技術開發(fā)；C——軟件工程；D——理論研。（2）X——真實課題；Y——模擬課題；Z——虛擬課題。（1）、（2）均要填寫，如AY、DX等。 畢業(yè)設計（論文）學生自查表 （中期教學檢查用） 學生姓名 蔡斌豪 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 學號 12101629 指導教師 徐兆成 職稱 高級工程師 工作進度 已完成的內容： 頭庫結構設計 托板零件圖 托板座零件圖 主軸裝配圖 待完成的內容： 說明書的編寫 已完成百分比：50% 存在問題： 頭庫的結構設計基本理論基礎以及PLC控制邏輯的設計基本無誤，部件的選擇存在一些細節(jié)問題。 指導教師簽字： 年 月 日 指導教師畢業(yè)設計（論文）評審表 課題名稱： 龍門加工中心頭庫結構設計 序號 評審項目 指標 滿分 評分 1 工作量、工作態(tài)度 按期完成規(guī)定的任務，難易程度和工作量符合教學要求；工作努力，遵守紀律；工作作風嚴謹務實；善于與他人合作。 20 2 調查論證 根據(jù)課題任務，能獨立查閱文獻資料和從事其它有關調研，能較好的書寫出開題報告，有收集、綜合和正確利用各種信息的能力。 10 3 設計、實驗方案、分析與技能 綜合分析科學，方案設計合理，數(shù)據(jù)采集、計算、處理正確，推導正確，計算準確，論證充分；結構合理、工藝可行；圖樣繪制與技術要求符合國家標準要求。 40 4 設計說明書 論文質量 條理清楚、文理通順、用語符合技術規(guī)范，圖表完整、正確、書寫格式規(guī)范。 20 5 創(chuàng)新 能利用最新技術手段，有重大改進或獨特見解；有一定應用價值。 10 總分 評語： 指導教師簽字： 年 月 日 評閱教師畢業(yè)設計（論文）評審表 課題名稱： 龍門加工中心頭庫結構設計 序號 評審項目 指標 滿分 評分 1 課題完成量 能按期完成任務書規(guī)定的任務，課題達到教學基本要求。難易程度、工作量大小合適。 20 2 調查論證 根據(jù)課題任務，能獨立查閱文獻資料和從事其它有關調研，能較好的書寫出開題報告，有收集、綜合和正確利用各種信息的能力。 10 3 設計、計算 論證、推導 綜合分析科學，方案設計合理，數(shù)據(jù)采集、計算、處理正確，推導正確，計算準確，論證充分；結構合理、工藝可行；圖樣繪制與技術要求符合國家標準要求。 40 4 設計說明書 條理清楚、文理通順、用語符合技術規(guī)范，圖表完整、正確、書寫格式規(guī)范。 20 5 創(chuàng)新點 能利用最新技術手段，有重大改進或獨特見解；有一定應用價值。 10 總分 評語： 評閱組負責人簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）答辯申請表 申請時間：2016 年 5月 23日 課題名稱 龍門加工中心頭庫結構設計 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 姓名 蔡斌豪 學號 12101629 已完成情況：頭庫結構設計 托板零件圖 托板座零件圖 主軸裝配圖 交換控制邏輯 指導教師： 年 月 日 評閱教師： 年 月 日 備注： 畢業(yè)設計（論文）答辯評審表 課題名稱： 龍門加工中心頭庫結構設計 序號 評審項目 指標 滿分 評分 1 報告內容 思路清新；語言表達準確，概念清楚，論點正確；實驗方法科學，分析歸納合理；結論有應用價值。 40 2 報告過程 準備工作充分，時間符合要求。 10 3 創(chuàng)新 對前人工作有改進或突破，或有獨特見解。 10 4 答辯 回答問題有理論依據(jù)，基本概念清楚。主要問題回答準確、深入。 40 總分 評語： 對申請評優(yōu)或答辯不合格的補充說明： 答辯委員會（小組）負責人： 年 月 日 沈陽工學院 畢業(yè)設計（論文）成績評定表 論文題目 龍門加工中心頭庫結構設計 學生姓名 蔡斌豪 學號 12101629 指導教師姓名 徐兆成 職稱 高級工程師 設計（論文）說明書頁數(shù) 31 圖紙張數(shù) 3 加工零件數(shù) 0 有、無產品模型 無 評分項目 標準得分 權重 折合得分 指導教師評分 評閱組評分 答辯組評分 綜合得分 論文評定等級 畢業(yè)設計（論文）答辯委員會意見： 機械與運載學院答辯委員會負責人： 年 月 日 沈陽工學院 畢業(yè)論文（設計）答辯記錄表 答辯日期：2016年 5月 23日 答辯地點：5309 學院（或系） 機械與運載學院 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 學生姓名 蔡斌豪 學號 12101629 成績 論文（設計）題目 龍門加工中心頭庫結構設計 指導教師 徐兆成 答辯紀錄： （用簡明語言記錄答辯過程，答辯委員會提出的問題及學生回答情況） 提出問題： 回答摘要： 答辯組組長簽名： 答辯委員會記錄人（簽字）： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 沈陽工學院畢業(yè)設計說明書 摘 要 五軸聯(lián)動加工中心是復雜平滑曲面加工的重要手段，也是汽車、模具、航空航天業(yè)精密復雜零件加工的重要設備。它代表著機床制造業(yè)先進技術集成的方向，西方工業(yè)發(fā)達國家一直把五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實行出口許可證制度，并對于用于軍事領域的五軸聯(lián)動加工中心實行禁運，所以自行開發(fā)精密五軸聯(lián)動加工中心對我國的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設備等行業(yè)的發(fā)展有著重要的理論意義和應用價值。 論文在綜合比較分析國內外五軸聯(lián)動設計技術，綜合借鑒國內外先進機床設計結構和設計分析手段的基礎上，采用設計和試驗相結合的方法，系統(tǒng)的對其總體布局、主要功能部件的設計、機床精度保持和機床高速運動的動態(tài)性能分析等關鍵項技術進行了深入研究。詳細分析了國外五軸聯(lián)動加工中心的機床設計方法，探討了各種機床結構的優(yōu)缺點，通過大量詳細而準確的計算，提出了機床總體布局方案，并完成了頭庫結構設計、氣動控制回路設計。 關鍵詞：五軸聯(lián)動加工中心；結構設計；性能研究 I 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 II 目 錄 摘 要 I Abstract II 緒 論 1 1頭庫結構設計的理論基礎 2 1.1頭庫結構設計國內外發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢 2 1.2本課題主要工作 4 2頭庫結構設計 5 2.1頭庫整體結構布局簡介 5 2.2托板傳動系統(tǒng)導軌副選用計算 9 2.3托板傳動系統(tǒng)氣缸選用計算及氣動控制回路 14 3交換控制邏輯 16 3.1 PLC控制邏輯 17 3.2 NC控制邏輯 19 3.3交換過程中的銑頭松開/夾緊監(jiān)控 22 3.3.1 流量計簡介 23 3.3.2 監(jiān)控原理 24 3.4 交換過程中Z軸異常負載監(jiān)控 25 結 論 26 致 謝 27 參考文獻 28 緒 論 性能高效高速數(shù)“控加工機床多采用系列化、標準化和模塊化設計制造技術，允許用戶在標準型機床基礎上通過選配包括不同特性主軸銑頭或和電主軸在內的模塊化部件，以使同一機床能適應不同需求的加工應用和自動化水平，呈現(xiàn)了較好的應用柔性。但對終端制造業(yè)用戶而言，這仍然是一種專用型”的機床，因為一旦選配了某種確定特性的主軸銑頭或電主軸，這時該機床的加工能力也就被確定在某種確定的范圍內，仍然呈現(xiàn)為專用性的特征。 為此，機床制造商開發(fā)了可實現(xiàn)主軸銑頭自動交換功能的數(shù)控加工機床，以便隨時根據(jù)實際需求可自動選擇相應的主軸銑頭裝載到機床主軸上，從而有效擴展了機床的加工能力和適用性，使終端用戶真正可獲得一種“通用型”的，或者說“高性能”的高效高速數(shù)控加工機床。實際上，可交換主軸銑頭應用已有一段歷史了，不同的僅是現(xiàn)代此類數(shù)控加工機床的技術水平、自動化程度和可靠性更高而已。 該設計涉及五軸龍門加工中心領域，具體為一種銑頭可交換直驅式高速龍門五軸加工中心，專門用來加工航空透明件模具及汽車工業(yè)中的模具制造。 傳統(tǒng)的五軸龍門加工中心多采用齒條或絲杠傳動，對于齒條傳動來說，具有力量大的優(yōu)點，但是精度低。而絲杠傳動時，絲母對絲杠施以扭力，當絲杠長度過長時會產生晃動現(xiàn)象，從而影響工件的形狀及尺寸精度，并且長期使用或受異物污染時，易磨損影響機床的精度。 該設計的目的在于提供一種可快速交換主軸頭的高速五軸龍門加工中心，解決現(xiàn)有技術中存在的精度低等問題。 1 1頭庫結構設計的理論基礎 1.1頭庫結構設計國內外發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢 大型龍門五面體加工中心是現(xiàn)代裝備制造業(yè)的急需設備，隨著我國經濟的不斷成長，我國許多重要行業(yè)，如發(fā)電設備( 水電、風電、核電)、航空、航天、船舶、汽車制造業(yè)也都需要高精、大型數(shù)控龍門裝備。自動換頭頭庫機構，是與龍門加工中心相對獨立的部件，是機床的重要部件之一。該結構的合理與否，直接影響了機床的加工效率、加工范圍、精度和精度保持性；龍門加工中心如果具有自動換頭頭庫，就能夠減輕工人的勞動強度，提高機床自動化程度，同時也是保證機床加工精度的最重要因素之一，而加工精度正是影響機床應用范圍的主要因素。隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，風電船舶葉片、大型柴油機機體等大型復雜零件的加工通常需要很多自動分度附件頭，特別是大型柴油機機體的加工，對使用附件頭的自動化程度及附件頭的數(shù)量有了更高的要求，因此對自動附件頭頭庫容量的要求也越來越高；所以龍門五面體加工中心的頭庫必須具有合理的布局、較高的自動化程度、高精度以及良好的可靠性才能適應市場的需求。目前現(xiàn)代龍門五面體加工中心使用的換頭頭庫主要有以下幾種： (1)如圖1.1所示，固定在工作臺后部：此種結構自動頭庫安裝在工作臺面的，受臺面及兩立柱之間寬度的影響，頭庫容量有一定的限制，而且影響機床的X軸方向的加工范圍。頭庫跟著工作臺面移動，長時間定位精度會受到影響，故頭庫需要定期調整。此外，對于一些有高壓冷卻的加工中心，由于在加工范圍內切削液飛濺，因此頭庫的密封要求比較高，這樣就降低了自動頭庫的可靠性。 圖 1.1 頭庫固定于工作臺后部 0 (2)如圖1.2所示，安裝在立柱正面：自動頭庫安裝在立柱面上，一般分為上下兩層，上面一層為附件頭保護蓋，下面一層為直角銑頭或者萬能銑頭。通過驅動Y軸拖板和Z軸方滑枕定位到頭庫位置進行自動換頭。頭庫通過氣缸或者液壓驅動保護蓋支架移動或者翻轉來實現(xiàn)保護蓋和附件頭的交替轉換。由于受立柱面大小的影響，故頭庫只能容納保護蓋和一個附件頭，這樣就大大縮小了加工中心的加工范圍。再者立柱面安裝了頭庫加大了加工中心全防護的安裝難度，對機床Y軸方向加工范圍有所影響。 圖 1.2 頭庫安裝在立柱正面 (3)如圖1.3所示，采用換頭小車完成換頭工作：在左立柱的前面，在地面上安裝有換頭的位置，每次換頭通過驅動Y軸拖板和Z軸方滑枕定位到頭庫位置進行換頭；地面上有縱向和橫向的軌道，當需要更換不同的附件頭時，換頭小車通過地面上的軌道推到換頭位置進行換頭，完成換頭后再將小車推走。一個附件頭放在一個小車里，幾個附件頭就需要幾個小車。這種換頭結構雖然可以實現(xiàn)能使用多個附件頭，但換頭時必須用人工來推動小車到換頭位置，才能完成換頭工作，這樣就不能實現(xiàn)全自動換頭。 圖1.3 頭庫采用換頭小車換頭 1.2本課題主要工作 由上分析可知，五軸聯(lián)動加工中心是國家發(fā)展航天航空軍事等領域的重要技術裝備，本次設計完成了銑頭可自動交換的高速五軸聯(lián)動龍門加工中心的頭庫部分結構設計以及PLC控制邏輯設計。頭庫設計采用前文1.1中描述的第一種方式固定于工作臺的后部，并設有防護間等結構。在銑頭交換過程中由氣缸將需要使用的頭庫從防護間中推動出來并進行交換，整個設計主要內容如下： （1）依據(jù)目前現(xiàn)代龍門五軸加工中心使用的換頭頭庫中的三種，采用了固定式的方式，完成了頭庫結構設計。 （2）依據(jù)西門子840D系統(tǒng)選擇編碼器的技術原則及原理，完成了PLC控制邏輯的設計。 （3）完成裝配圖及相關零件結構圖的設計，其內容包括： ①托板零件圖 ②托板座零件圖 ③主軸庫裝配圖 （4）整體布置如圖1.4所示： 圖1.4 機床整體結構示意圖 2頭庫結構設計 2.1頭庫整體結構布局簡介 主軸庫放置在機床的后部，由氣缸將主軸庫推到需要換置的主軸點，通過滑枕的上下運動及主軸快換液壓松/夾機構來實現(xiàn)換主軸，其中換頭行程為550mm。 圖2.1 頭庫結構立體圖 圖2.2 頭庫結構布局拆分圖 表2.1 頭庫結構布局拆分簡介表 序號 圖名 數(shù)量 1 氣缸 2 2 直線導軌及滑塊 2 3 主軸 1 4 主軸 1 5 主軸支承座 1 6 拖鏈 2 7 接近開關 6 8 地腳調整螺釘 8 9 地腳 8 10 板 4 11 板 2 12 壓板 4 13 導向銷 2 14 塊 1 15 板 2 16 墊片 2 17 氣缸支架 2 18 壓塊 80 19 拖鏈支架 2 20 撞塊支架 2 21 塊 1 22 拖鏈支架 2 23 撞塊 2 24 調整墊 8 25 焊接底座 2 26 焊接上座 2 27 主軸支座 1 頭庫正視圖見圖2.3，主軸頭在交換過程中的定位除了由Y軸和X軸的定位精度保證外，還由粗定位銷（如圖2.4）和精定位座（如圖2.5）來保證的，在Z軸下降到左視圖或右視圖中的減速接近開關時，Z軸進行減速，同時主軸端面的定位孔與粗定位銷開始結合。然后，Z軸繼續(xù)減速下降到設定位置，此時與精定位座已經完全結合，主軸進行刀具加緊動作，夾緊完成后主軸從銑頭中進行脫離（銑頭松開），Z軸上升進行下一步操作。 圖2.3 頭庫正視圖 圖2.4 粗定位銷圖 圖2.5 精固定座圖 在主軸進行交換的過程中，頭庫的托板定位是由前后安裝的兩個接近開關來實現(xiàn)的，如圖2.6及2.7所示，托板的有效行程為552mm。 圖2.6 頭庫左視圖及右視圖 圖2.7 頭庫俯視圖 2.2托板傳動系統(tǒng)導軌副選用計算 頭庫托板的前進/后退動作是由氣缸來推動的，選用滾動導軌做為傳動機構。 滾動直線導軌副的每個滑塊所受的負載受以下各種因素影響：導軌副的配置形式（水平，豎直等），工作臺的重心和受力點的位置，切削阻力的作用，運動時的加速度等。下圖2.8-2.11為幾種情況下作用于滾動直線導軌副的各個滑塊上負載的計算。 圖2.8 垂直受力分析 圖2.9 水平軸向受力分析 圖2.10 水平徑向受力分析 圖2.11 加速受力分析 可以根據(jù)所選導軌副的配置形式計算滾動直線導軌副的每個滑塊所承受的載荷，然后根據(jù)后面提供的壽命計算方法來計算導軌副的壽命。摩擦阻力受導軌副的結構形式、潤滑劑的粘度、所受的載荷以及運動速度的影響而變化，預緊后，摩擦阻力將會有所增大。 摩擦力可按下式計算： LG、LM系列： LGS系列： LGR系列： -法向載荷（N），-密封件阻力（N） 在相同的工作條件下，使一批相同構造和尺寸的導軌組件分別運行，在其中90%的導軌組件尚未出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象之前，滑塊相對于導軌運動距離的總和或一定運動速度下的工作小時數(shù)。 在實際的導軌系統(tǒng)中，為了充分發(fā)揮滾動直線導軌副的性能，與鋼球接觸的滾道表面的硬度應在HRC58～64之間。若滾道表面硬度較低，則額定動載荷減少，導軌的額定壽命將會降低。因此，導軌的額定動載荷、額定靜載荷應乘以硬度系數(shù)。圖2.12左圖所示為對應不同的滾道面硬度時的硬度系數(shù)。 導軌系統(tǒng)的溫度超過100℃時，與在常溫使用場合相比，額定動載荷降低，額定壽命縮短，因此導軌的額定動載荷、額定靜載荷應乘以溫度系數(shù)。圖2.12右圖所示為對應不同溫度時的溫度系數(shù)。 圖2.12 導軌性能與各參數(shù)的對應關系圖 在計算額定壽命時，還應考慮外部作用載荷及使用場合的影響，物體的重量、運動速度所引起慣性力的變化，為此引入載荷系數(shù)。不同使用條件下取值，見下表2.2。 表2.2 各場合取值表 使用條件 無外來沖擊載荷、振動 (<15m/min) 1.0～1.5 無顯著沖擊載荷、振動 (<60m/min) 1.5～2.0 有外來沖擊載荷、振動 (＜60m/min) 2.0～3.5 滾動直線導軌在大部分工作場合是由2個或2個以上的滑塊組合使用，因此必須考慮其負荷分布的均勻性對壽命的影響，在計算時引入接觸系數(shù)。接觸系數(shù)與同一根導軌軸上滑塊數(shù)的關系見下表2.3。 表2.3 接觸系數(shù)與同一根導軌軸上滑塊數(shù)的關系表 同一根導軌軸上安裝的滑塊 接觸系數(shù) 1 1.0 2 0.81 3 0.72 4 0.66 5 0.61 因此，考慮導軌面硬度、溫度、接觸狀況以及使用條件時，導軌副的額定壽命按以下公式計算： 使用滾珠導軌副的場合： 使用滾柱導軌副的場合： 使用壽命時間計算： 根據(jù)上面這些論述，頭庫工況為主軸重100KG，托板重80KG，有效行程Lm=0.55米，加工過程中預計每天交換1.5次主軸，故每分鐘往復次數(shù)次n： 運行條件為無明顯沖擊和振動：，，， 目標壽命：目標壽命為10年（以每天開機8小時，每年300個工作日計）。 四個滑塊的載荷為： 可以計算出： 選用南京工藝的GGB25BAL-2-P1-2X1200-4 滾動直線導軌副。 其額定動載荷值為：27.17kgf，額定靜載荷值為：40.68kgf。 2.3托板傳動系統(tǒng)氣缸選用計算及氣動控制回路 主軸托板前后移動是靠氣缸來推動的，通過計算選擇SMC公司的標準型氣缸CP95SDD40-550-Z73，其選型代號含義如圖2.13所示。氣缸推動托板帶動主軸在水平導軌上前后運動，前文已知運動件質量約為，假設運動體與導軌間的摩擦系數(shù)，工廠內氣源系統(tǒng)工作壓力。 則氣缸實際軸向負載： 若系統(tǒng)負載率，則氣缸理論輸出力 查看參數(shù)表如圖2.14可知，CP95SDD40-550-Z73型號的氣缸符合要求。 圖2.13 SMC氣缸型號表示方法 圖2.14 CP95系列氣缸理論輸出力 頭庫部分氣動原理圖如下圖2.15所示，主要功能為兩個主軸托板的推出與縮回，頭庫防護門的打開與關閉，頭庫內部的清潔。 圖2.15 頭庫氣動原理圖 3交換控制邏輯 自動交換控制流程見圖3.1，包含若干步驟，每一步驟的執(zhí)行都要具備相應的前提條件，只有當系統(tǒng)確認條件滿足時才能夠執(zhí)行下一步指令。 圖3.1 對于實現(xiàn)自動交換雙擺銑頭，必須重新激活并應用“新更換機床軸”相應的參數(shù)設置，為了達到此目的，西門子系統(tǒng)準備了4組電機參數(shù)，分別對應的存儲在1000，2000，3000，4000系列范圍的參數(shù)中，PLC通過改變“驅動控制字”中的電機位(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4)，發(fā)出準備交換電機的請求，并同時選擇并激活了對應的上述4組電機參數(shù)。 在參數(shù)設置方面，有一個重要的參數(shù)MD1013(ENABLE_STAR_DELTA)，該參數(shù)是控制電機交換使能及電機交換類型的，當參數(shù)MD1013=0時，系統(tǒng)電機交換功能關閉，當參數(shù)MD1013=1時，系統(tǒng)可最多可交換4組電機與編碼器，并且每組電機都擁有自己的相應參數(shù)設置。 3.1 PLC控制邏輯 下面以交換雙擺銑頭的電主軸為例，見圖3.2，介紹西門子840D 系統(tǒng)選擇編碼器的技術原則及原因，交換過程中需要經過以下幾個步驟與狀態(tài)(當前激活并工作的為擺頭1，現(xiàn)將擺頭1交換為擺頭2)： 圖3.2 交換雙擺銑頭示意圖 l 將雙擺頭精確定位到擺頭1庫中的還擺頭位置，準備將擺頭1還回庫中，此時A=0,C=0,如上圖1所示： l PLC通過改變“驅動控制字”中的電機位，發(fā)出準備交換電機的請求(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4) l 驅動控制器將“驅動狀態(tài)字”設置成“交換激活”的狀態(tài)，并取消主軸1的“脈沖使能” l 驅動控制器通過“PLC狀態(tài)字”的“脈沖使能位”來通知PLC主軸1的“脈沖使能”已經取消(DB3x.DBX93.7) l 驅動控制器激活主軸2相應的參數(shù)設置 l 驅動控制器通過“PLC狀態(tài)字”的“電機位”來通知PLC主軸2已經生效(DB3x.DBX93.3和DB3x.DBX93.4) l PLC通過840D申請“parking軸”生效 DB3x.DBX1.5/ DB3x.DBX1.5=0 DB3x.DBX2.1=0 l 840D通過“驅動控制字”申請“parking軸”生效 l 驅動控制器通過“驅動狀態(tài)字”通知PLC“parking軸”已經生效 PLC斷掉主軸1的電壓供給及編碼器等連接，PLC等待自動交換雙擺銑頭過程，如圖3.3所示： 圖3.3 交換雙擺銑頭示意圖 PLC連接主軸2及A軸的電壓供給及編碼器等，如圖3.4所示： 圖3.4 交換雙擺銑頭示意圖 l PLC通過840D終止“parking軸” DB3x.DBX1.5/ DB3x.DBX1.5=1 DB3x.DBX2.1=1 l 840D通過“驅動控制字”終止“parking軸” l 驅動控制器通過“驅動狀態(tài)字”通知PLC“parking軸”已經終止 ($VA_POSCTRL_MODE[Axis]) l PLC通過“PLC控制字”(DB3x.DBX21.5)通知驅動控制器“電機交換完成” l 驅動控制器將“驅動狀態(tài)字”中的“交換激活”狀態(tài)刪除，并激活主軸2及A軸的“脈沖使能” l 驅動控制器通過“PLC狀態(tài)字”的“脈沖使能位”來通知PLC主軸2及A軸的“脈沖使能”已經激活(DB3x.DBX93.7) l 對于同步電機還應進行“粗轉子識別”或“精轉子識別” 3.2 NC控制邏輯 NC在這里是指數(shù)控系統(tǒng)的控制單元，其在銑頭自動交換過程中與PLC共同完成相應的邏輯動作，相應的代碼如下所示： N10 PROC L501 SAVE DISPLOF SBLOF ;更換1號頭 ;$A_IN[25]---當前主軸頭是1號頭 ;$A_IN[26]---當前主軸頭是2號頭 ;$A_IN[27]---頭庫中1號頭位置已經被占用 ;$A_IN[28]---頭庫中2號頭位置已經被占用 ;$A_IN[29]---無頭夾緊狀態(tài) N20 M510 ;換頭開始標志 N30 IF ($A_IN[25] == 1) GOTOF _END ;當前已經是1號頭 N40 T0 ;主軸刀具還回到刀庫中 N50 M06 ;各軸移動到安全位置XYZAC //C=0,A=90 N60 STOPRE N70 M530 ;頭庫門打開 N80 IF ($A_IN[26] == 0) GOTOF _NON ;判斷當前是否有2號頭，沒有則跳轉，否則先還2號頭 N90 IF ($A_IN[28] == 1) GOTOF _ERR1 ;2號頭位置已經被占用 N100 M534 ;2號頭伸出 ;快移到2號頭的安全位置處 N110 STOPRE ;主軸2定向位置 N120 STOPRE N130 M13 ;主軸2刀具松開 N140 M540 ;2號頭銷釘清潔吹氣 ;Z軸慢移到最低位置 N150 STOPRE N160 M12 ;主軸2刀具夾緊 N170 M539 ;清潔吹氣停止 N180 M544 ;PARK 軸啟動，傳感器24V斷電等 N190 M536 ;頭松開 N200 M542 ;C軸吹氣啟動 ;Z軸慢移到安全位置處 N210 STOPRE N220 IF ($A_IN[27] == 0) GOTOF _ERR2）;1號頭位置為空 ;快移到1號頭處 N230 STOPRE N240 M535 ;2號頭回退 N250 M532 ;1號頭伸出 ;Z慢移到抓頭位置 N260 STOPRE N270 M537 ;夾緊頭 N280 M543 ;C軸吹氣停止 N290 M11 ;主軸1刀具松開 ;Z軸慢移到安全位置 N300 STOPRE N310 M10 ;主軸1刀具夾緊 ;坐標軸移到安全位置 N320 STOPRE N330 M533 ;1號頭回退 N340 M531 ;頭庫門關閉 N350 M545 ;PARK軸取消，并同時激活參數(shù)1 N360 GOTOF _END N370 _NON: N380 IF ($A_IN[27] == 0) GOTOF _ERR2 ;1號頭位置為空 ;快移到1號頭處 N390 STOPRE N400 M532 ;1號頭伸出 N410 M544 ;PARK軸 N420 M536 ;松開頭 N430 M542 ;C軸吹氣啟動 ;Z慢移到抓頭位置 N440 STOPRE N450 M537 ;夾緊頭 N460 M543 ;C軸吹氣停止 N470 M11 ;主軸1刀具松開 ;Z軸慢移到安全位置 N480 STOPRE N490 M10 ;主軸1刀具夾緊 ;坐標軸移到安全位置 N500 STOPRE N510 M533 ;1號頭回退 N520 M531 ;頭庫門關閉 N530 M545 ;PARK軸取消，并同時激活參數(shù)1 N540 GOTOF _END N550 _ERR1: N560 MSG ("2號頭位置已經有頭，2號頭無法歸還") N570 M0 N580 _ERR2: N590 MSG ("1號頭位置沒有頭，1號頭無法提取") N600 M0 N610 _END: N620 M511 ;換頭結束標志 N630 M17 3.3交換過程中的銑頭松開/夾緊監(jiān)控 機床上液壓卡緊松開輔助動作很多，如：主軸松卡刀，伺服軸抱閘松卡，交換托盤時拖盤的松卡，交換雙擺頭時雙擺頭的松卡等。而執(zhí)行卡緊松開動作的油缸多植入在各功能部件內部，由于機械結構緊湊，很難在內部直接安裝接近開關或位移傳感器以獲取位置進行到位信號。有些功能部件在結構允許的情況下，將活塞位移動作傳遞到功能部件外部再進行檢測，如主軸松卡刀、轉臺松卡等。但旋轉軸環(huán)形抱閘、托盤卡緊拉釘、雙擺頭交換拉釘?shù)龋褂脮r需將卡緊機構插裝在機械體內部，由于結構所限就無法直接測得位移信號。通常做法是采用壓力信號來代替位移信號，即松卡壓力達到設定值不變標志著活塞運動停止，從而間接判斷松卡動作已完成，原理圖如圖3.5所示。但如果由于某些原因導致油缸在中間位置卡死時，就會發(fā)出錯誤信號，造成機床誤動作，導致安全事故的發(fā)生。 高速龍門五軸加工中心的研制中，雙擺頭交換是由4個自鎖拉釘實現(xiàn)雙擺頭松卡。為了解決上述問題，在液壓松卡回路中設置了流量計，作為卡緊松開到位檢測元件。流量計可以通過檢測通過的油量，真實地檢測到油缸卡緊松開是否到位。由于流量計設置在回路上，不受機械結構尺寸所限制，成功地解決了雙擺頭松卡到位檢測的問題。其原理圖如圖3.6所示。 圖3.5 壓力開關檢測松/夾到位原理圖 圖3.6 流量計檢測松/夾到位原理圖 3.3.1 流量計簡介 流量計種類較多，功能原理大不相同，應用領域也有所不同。齒輪流量計是根據(jù)齒輪馬達原理，兩圓柱齒輪在測量腔內由液流驅動無接觸運行；齒輪的運動由位于蓋板內的兩個無接觸的傳感器檢測，在傳感器室和計量環(huán)室之間，裝有一非磁性抗壓隔板；當計量機構轉動一個齒時，傳感器發(fā)出一脈沖信號，對應一個齒的油量AV通過流量計，通過前置放大器，把信號轉換為一方波信號；兩通道檢測，可有更高的分辨率，并確認流量方向。齒輪流量計，精度較高，黏溫特性好，工作壓力高，價格相對較低，適合在機床液壓系統(tǒng)中應用。其結構如圖1所示。 圖3.7 齒輪流量計結構示意圖 3.3.2 監(jiān)控原理 設每個拉釘卡緊所需油量，卡緊動作所需總油量為，選取德國KRACHT公司VC0.2型號齒輪流量計，齒輪幾何容積，即每發(fā)出一個脈沖信號齒輪流量計通過0.245mL油量，則完成卡緊動作所需脈沖數(shù)為： 拉釘松開時，流量計測量同一油腔的油量，脈沖數(shù)與卡緊動作相同，但方向相反。因而， 執(zhí)行拉釘松卡動作后，通過檢測流量計接收的脈沖數(shù)是否達到相應數(shù)值(檢測脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對應關系見表1)，來判斷該動作是否正確完成，雙通道脈沖信號可以檢測出流量計轉動方向，從而判斷是松開還是卡緊動作。 表3.1 檢測脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對應關系 最大檢測時間內的脈沖數(shù) 拉釘狀態(tài) 0 保持松開或縮緊狀態(tài) 1～3 流量計與拉釘之間管路有泄漏 163 松開或卡緊到位 >163 管路爆裂 通過合理使用流量計，在PLC中進行脈沖數(shù)監(jiān)控，保證了銑頭在自動交換過程中松開和加緊的可靠性。 3.4 交換過程中Z軸異常負載監(jiān)控 在銑頭自動交換過程中，裝卸銑頭時，Z軸向下運動過程中，若定位不準或錯誤，可能會出現(xiàn)撞擊或阻擋的情況。若沒有Z軸異常負載檢測，Z軸就會按指令向下運動，直到驅動系統(tǒng)報警為止。這樣很可能已經造成了硬件的損壞而帶來損失。使用840D系統(tǒng)提供的固定點停止功能可以實現(xiàn)Z軸力矩限制，進行異常負載檢測功能。 在銑頭交換子程序中可以加入以下控制： …… N0640 G90 600 N0645 M9l；抓頭前位置檢測 N0655 M536；銑頭松開M代碼 N0660 G153 Z=POSZl+80 N0665 FXST[Z]=80；Z軸力矩限制值（根據(jù)實際調整） N0670 FXSW[Z]=2；Z軸力矩限制監(jiān)控，窗口值(根據(jù)實際調整) N0675 G90 G01 F=1000 N0680 G153 Z=POSZ1 FXS[Z]=1；Z軸力矩限制打開直到定位到POSZl位置 N0685 M537；銑頭夾緊 …… 在設定完固定點停止的相關參數(shù)后，通過以上控制，當Z軸在移動過程中，負載超過設定的檢測值時，軸就會立即停止移動。保證了相關部件的安全。 結 論 五軸聯(lián)動加工中心是機床設計中較難掌握的機床設計，本論文在綜合分析國外五軸聯(lián)動加工中心技術的基礎上，綜合國內同行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，積極運用國外先進機床設計結構和設計分析手段，采用設計和實驗相結合的方法，系統(tǒng)的對精密高速五軸聯(lián)動加工中心的機床總體布局、主要功能部件的設計、保持機床精度的研究和機床高速運動的動態(tài)性能分析等內容和關鍵技術進行了深入研究，完成了銑頭可自動交換高速龍門加工中心的頭庫部分結構設計與控制邏輯設計，本結構設計合理，其特點內容如下： （1）該機床是用于航空透明件模具粗、精加工的高速龍門五軸加工中心。具有響應速度快，加工精度高，實現(xiàn)五軸曲面加工的特點。 （2）該機床其雙直線電機直接驅動橫梁在左右橋梁上移動，消除了傳動環(huán)節(jié)。 （3）該機床其Y軸橫梁使用直線電機直接驅動，利用了直線電機主次極見的吸引力，減少了導軌所承受的力矩和壓力，降低了導軌副的摩擦力，提高其剛性及壽命。 （4）該機床在滑板內部開有方孔，將平衡油缸安裝在其內，節(jié)省了空間，使機床整體結構更合理。 （5）該機床是一種由交流永磁同步內轉子力矩電機驅動的可交換A軸的雙擺銑頭 （6）該機床結構精簡，AC擺頭頭庫創(chuàng)造地利用斜面和A軸刀柄定位。使得定位準確，換頭靈活。 致 謝 本課題的全部工作都是在導師徐兆成老師的悉心指導下完成的。在畢業(yè)設計工作過程中，導師以他深厚的理論基礎、豐富的實踐經驗、對問題獨到的見解以及良好的工作作風使我受益匪淺，借此論文完稿之際，我由衷像徐兆成老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。在今后的工作工程中我將以老師為榜樣。 在設計工作過程中，我的同學也給了我許多熱心的幫助，在此，向指導、幫助過我的老師和同學表示最誠摯的感謝！ 參考文獻 [1] 張曙.數(shù)字化制造—機床工業(yè)的未來.2005:48-132 [2] 佟璞瑋.發(fā)展中的國產五軸聯(lián)動數(shù)控機床.2003:3 [3] 鄒家祥.現(xiàn)代機械設計理論與方法.1990:14-69 [4] 趙宏林.機床總體方案設計技術.2004:105-198 [5] 甘屹.高速切削加工發(fā)展及需求.2003:88-113 [6] 周凱.數(shù)控機床的數(shù)字化的全閉環(huán)控制.1998:55-97 [7] 孫靖民.機床機構計算的有限元法.1998:24-68 [8] 漢斯·格羅斯.機床電力進給驅動裝置.1984:57-109 [9] 遲建山.金屬切削機床設計.1980:59-123 [10] 羅輝國.高速加工的實現(xiàn)與應用.2001:18-72 26