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沈陽(yáng)工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
摘 要
五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是復(fù)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(fù)雜零件加工的重要設(shè)備。它代表著機(jī)床制造業(yè)先進(jìn)技術(shù)集成的方向，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一直把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實(shí)行出口許可證制度，并對(duì)于用于軍事領(lǐng)域的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心實(shí)行禁運(yùn)，所以自行開發(fā)精密五軸聯(lián)動(dòng)加工中心對(duì)我國(guó)的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)的發(fā)展有著重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
論文在綜合比較分析國(guó)內(nèi)外五軸聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，綜合借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)分析手段的基礎(chǔ)上，采用設(shè)計(jì)和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)的對(duì)其總體布局、主要功能部件的設(shè)計(jì)、機(jī)床精度保持和機(jī)床高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能分析等關(guān)鍵項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了深入研究。詳細(xì)分析了國(guó)外五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的機(jī)床設(shè)計(jì)方法，探討了各種機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過大量詳細(xì)而準(zhǔn)確的計(jì)算，提出了機(jī)床總體布局方案，并完成了頭庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動(dòng)加工中心；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) 2
1.1頭庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì) 2
1.2本課題主要工作 4
2頭庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1頭庫(kù)整體結(jié)構(gòu)布局簡(jiǎn)介 5
2.2托板傳動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)軌副選用計(jì)算 9
2.3托板傳動(dòng)系統(tǒng)氣缸選用計(jì)算及氣動(dòng)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(jì)簡(jiǎn)介 23
3.3.2 監(jiān)控原理 24
3.4 交換過程中Z軸異常負(fù)載監(jiān)控 25
結(jié) 論 26
致 謝 27
參考文獻(xiàn) 28
緒 論
性能高效高速數(shù)“控加工機(jī)床多采用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，允許用戶在標(biāo)準(zhǔn)型機(jī)床基礎(chǔ)上通過選配包括不同特性主軸銑頭或和電主軸在內(nèi)的模塊化部件，以使同一機(jī)床能適應(yīng)不同需求的加工應(yīng)用和自動(dòng)化水平，呈現(xiàn)了較好的應(yīng)用柔性。但對(duì)終端制造業(yè)用戶而言，這仍然是一種專用型”的機(jī)床，因?yàn)橐坏┻x配了某種確定特性的主軸銑頭或電主軸，這時(shí)該機(jī)床的加工能力也就被確定在某種確定的范圍內(nèi)，仍然呈現(xiàn)為專用性的特征。
為此，機(jī)床制造商開發(fā)了可實(shí)現(xiàn)主軸銑頭自動(dòng)交換功能的數(shù)控加工機(jī)床，以便隨時(shí)根據(jù)實(shí)際需求可自動(dòng)選擇相應(yīng)的主軸銑頭裝載到機(jī)床主軸上，從而有效擴(kuò)展了機(jī)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(jī)床。實(shí)際上，可交換主軸銑頭應(yīng)用已有一段歷史了，不同的僅是現(xiàn)代此類數(shù)控加工機(jī)床的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度和可靠性更高而已。
該設(shè)計(jì)涉及五軸龍門加工中心領(lǐng)域，具體為一種銑頭可交換直驅(qū)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(dòng)，對(duì)于齒條傳動(dòng)來說，具有力量大的優(yōu)點(diǎn)，但是精度低。而絲杠傳動(dòng)時(shí)，絲母對(duì)絲杠施以扭力，當(dāng)絲杠長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)現(xiàn)象，從而影響工件的形狀及尺寸精度，并且長(zhǎng)期使用或受異物污染時(shí)，易磨損影響機(jī)床的精度。
該設(shè)計(jì)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(shù)中存在的精度低等問題。
1
1頭庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)
1.1頭庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)
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(shè)備，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷成長(zhǎng)，我國(guó)許多重要行業(yè)，如發(fā)電設(shè)備( 水電、風(fēng)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(dòng)換頭頭庫(kù)機(jī)構(gòu)，是與龍門加工中心相對(duì)獨(dú)立的部件，是機(jī)床的重要部件之一。該結(jié)構(gòu)的合理與否，直接影響了機(jī)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(dòng)換頭頭庫(kù)，就能夠減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高機(jī)床自動(dòng)化程度，同時(shí)也是保證機(jī)床加工精度的最重要因素之一，而加工精度正是影響機(jī)床應(yīng)用范圍的主要因素。隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，風(fēng)電船舶葉片、大型柴油機(jī)機(jī)體等大型復(fù)雜零件的加工通常需要很多自動(dòng)分度附件頭，特別是大型柴油機(jī)機(jī)體的加工，對(duì)使用附件頭的自動(dòng)化程度及附件頭的數(shù)量有了更高的要求，因此對(duì)自動(dòng)附件頭頭庫(kù)容量的要求也越來越高；所以龍門五面體加工中心的頭庫(kù)必須具有合理的布局、較高的自動(dòng)化程度、高精度以及良好的可靠性才能適應(yīng)市場(chǎng)的需求。目前現(xiàn)代龍門五面體加工中心使用的換頭頭庫(kù)主要有以下幾種：
(1)如圖1.1所示，固定在工作臺(tái)后部：此種結(jié)構(gòu)自動(dòng)頭庫(kù)安裝在工作臺(tái)面的，受臺(tái)面及兩立柱之間寬度的影響，頭庫(kù)容量有一定的限制，而且影響機(jī)床的X軸方向的加工范圍。頭庫(kù)跟著工作臺(tái)面移動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間定位精度會(huì)受到影響，故頭庫(kù)需要定期調(diào)整。此外，對(duì)于一些有高壓冷卻的加工中心，由于在加工范圍內(nèi)切削液飛濺，因此頭庫(kù)的密封要求比較高，這樣就降低了自動(dòng)頭庫(kù)的可靠性。
圖 1.1 頭庫(kù)固定于工作臺(tái)后部
0
(2)如圖1.2所示，安裝在立柱正面：自動(dòng)頭庫(kù)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(hù)蓋，下面一層為直角銑頭或者萬(wàn)能銑頭。通過驅(qū)動(dòng)Y軸拖板和Z軸方滑枕定位到頭庫(kù)位置進(jìn)行自動(dòng)換頭。頭庫(kù)通過氣缸或者液壓驅(qū)動(dòng)保護(hù)蓋支架移動(dòng)或者翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)保護(hù)蓋和附件頭的交替轉(zhuǎn)換。由于受立柱面大小的影響，故頭庫(kù)只能容納保護(hù)蓋和一個(gè)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(kù)加大了加工中心全防護(hù)的安裝難度，對(duì)機(jī)床Y軸方向加工范圍有所影響。
圖 1.2 頭庫(kù)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(qū)動(dòng)Y軸拖板和Z軸方滑枕定位到頭庫(kù)位置進(jìn)行換頭；地面上有縱向和橫向的軌道，當(dāng)需要更換不同的附件頭時(shí)，換頭小車通過地面上的軌道推到換頭位置進(jìn)行換頭，完成換頭后再將小車推走。一個(gè)附件頭放在一個(gè)小車?yán)?，幾個(gè)附件頭就需要幾個(gè)小車。這種換頭結(jié)構(gòu)雖然可以實(shí)現(xiàn)能使用多個(gè)附件頭，但換頭時(shí)必須用人工來推動(dòng)小車到換頭位置，才能完成換頭工作，這樣就不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)換頭。
圖1.3 頭庫(kù)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(dòng)加工中心是國(guó)家發(fā)展航天航空軍事等領(lǐng)域的重要技術(shù)裝備，本次設(shè)計(jì)完成了銑頭可自動(dòng)交換的高速五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心的頭庫(kù)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及PLC控制邏輯設(shè)計(jì)。頭庫(kù)設(shè)計(jì)采用前文1.1中描述的第一種方式固定于工作臺(tái)的后部，并設(shè)有防護(hù)間等結(jié)構(gòu)。在銑頭交換過程中由氣缸將需要使用的頭庫(kù)從防護(hù)間中推動(dòng)出來并進(jìn)行交換，整個(gè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)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(kù)中的三種，采用了固定式的方式，完成了頭庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
（2）依據(jù)西門子840D系統(tǒng)選擇編碼器的技術(shù)原則及原理，完成了PLC控制邏輯的設(shè)計(jì)。
（3）完成裝配圖及相關(guān)零件結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)，其內(nèi)容包括：
①托板零件圖
②托板座零件圖
③主軸庫(kù)裝配圖
（4）整體布置如圖1.4所示：
圖1.4 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)示意圖
2頭庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1頭庫(kù)整體結(jié)構(gòu)布局簡(jiǎn)介
主軸庫(kù)放置在機(jī)床的后部，由氣缸將主軸庫(kù)推到需要換置的主軸點(diǎn)，通過滑枕的上下運(yùn)動(dòng)及主軸快換液壓松/夾機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)換主軸，其中換頭行程為550mm。
圖2.1 頭庫(kù)結(jié)構(gòu)立體圖
圖2.2 頭庫(kù)結(jié)構(gòu)布局拆分圖
表2.1 頭庫(kù)結(jié)構(gòu)布局拆分簡(jiǎn)介表
序號(hào)
圖名
數(shù)量
1
氣缸
2
2
直線導(dǎo)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(guān)
6
8
地腳調(diào)整螺釘
8
9
地腳
8
10
板
4
11
板
2
12
壓板
4
13
導(dǎo)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(diào)整墊
8
25
焊接底座
2
26
焊接上座
2
27
主軸支座
1
頭庫(kù)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(guān)時(shí)，Z軸進(jìn)行減速，同時(shí)主軸端面的定位孔與粗定位銷開始結(jié)合。然后，Z軸繼續(xù)減速下降到設(shè)定位置，此時(shí)與精定位座已經(jīng)完全結(jié)合，主軸進(jìn)行刀具加緊動(dòng)作，夾緊完成后主軸從銑頭中進(jìn)行脫離（銑頭松開），Z軸上升進(jìn)行下一步操作。
圖2.3 頭庫(kù)正視圖
圖2.4 粗定位銷圖
圖2.5 精固定座圖
在主軸進(jìn)行交換的過程中，頭庫(kù)的托板定位是由前后安裝的兩個(gè)接近開關(guān)來實(shí)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(kù)左視圖及右視圖
圖2.7 頭庫(kù)俯視圖
2.2托板傳動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)軌副選用計(jì)算
頭庫(kù)托板的前進(jìn)/后退動(dòng)作是由氣缸來推動(dòng)的，選用滾動(dòng)導(dǎo)軌做為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的每個(gè)滑塊所受的負(fù)載受以下各種因素影響：導(dǎo)軌副的配置形式（水平，豎直等），工作臺(tái)的重心和受力點(diǎn)的位置，切削阻力的作用，運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度等。下圖2.8-2.11為幾種情況下作用于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的各個(gè)滑塊上負(fù)載的計(jì)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(dǎo)軌副的配置形式計(jì)算滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的每個(gè)滑塊所承受的載荷，然后根據(jù)后面提供的壽命計(jì)算方法來計(jì)算導(dǎo)軌副的壽命。摩擦阻力受導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)形式、潤(rùn)滑劑的粘度、所受的載荷以及運(yùn)動(dòng)速度的影響而變化，預(yù)緊后，摩擦阻力將會(huì)有所增大。
摩擦力可按下式計(jì)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(gòu)造和尺寸的導(dǎo)軌組件分別運(yùn)行，在其中90%的導(dǎo)軌組件尚未出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象之前，滑塊相對(duì)于導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)距離的總和或一定運(yùn)動(dòng)速度下的工作小時(shí)數(shù)。
在實(shí)際的導(dǎo)軌系統(tǒng)中，為了充分發(fā)揮滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的性能，與鋼球接觸的滾道表面的硬度應(yīng)在HRC58～64之間。若滾道表面硬度較低，則額定動(dòng)載荷減少，導(dǎo)軌的額定壽命將會(huì)降低。因此，導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷、額定靜載荷應(yīng)乘以硬度系數(shù)。圖2.12左圖所示為對(duì)應(yīng)不同的滾道面硬度時(shí)的硬度系數(shù)。
導(dǎo)軌系統(tǒng)的溫度超過100℃時(shí)，與在常溫使用場(chǎng)合相比，額定動(dòng)載荷降低，額定壽命縮短，因此導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷、額定靜載荷應(yīng)乘以溫度系數(shù)。圖2.12右圖所示為對(duì)應(yīng)不同溫度時(shí)的溫度系數(shù)。
圖2.12 導(dǎo)軌性能與各參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖
在計(jì)算額定壽命時(shí)，還應(yīng)考慮外部作用載荷及使用場(chǎng)合的影響，物體的重量、運(yùn)動(dòng)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(chǎng)合取值表
使用條件
無外來沖擊載荷、振動(dòng) (<15m/min)
1.0～1.5
無顯著沖擊載荷、振動(dòng) (<60m/min)
1.5～2.0
有外來沖擊載荷、振動(dòng) (＜60m/min)
2.0～3.5
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌在大部分工作場(chǎng)合是由2個(gè)或2個(gè)以上的滑塊組合使用，因此必須考慮其負(fù)荷分布的均勻性對(duì)壽命的影響，在計(jì)算時(shí)引入接觸系數(shù)。接觸系數(shù)與同一根導(dǎo)軌軸上滑塊數(shù)的關(guān)系見下表2.3。
表2.3 接觸系數(shù)與同一根導(dǎo)軌軸上滑塊數(shù)的關(guān)系表
同一根導(dǎo)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(dǎo)軌面硬度、溫度、接觸狀況以及使用條件時(shí)，導(dǎo)軌副的額定壽命按以下公式計(jì)算：
使用滾珠導(dǎo)軌副的場(chǎng)合：
使用滾柱導(dǎo)軌副的場(chǎng)合：
使用壽命時(shí)間計(jì)算：
根據(jù)上面這些論述，頭庫(kù)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(yù)計(jì)每天交換1.5次主軸，故每分鐘往復(fù)次數(shù)次n：
運(yùn)行條件為無明顯沖擊和振動(dòng)：，，，
目標(biāo)壽命：目標(biāo)壽命為10年（以每天開機(jī)8小時(shí)，每年300個(gè)工作日計(jì)）。
四個(gè)滑塊的載荷為：
可以計(jì)算出：
選用南京工藝的GGB25BAL-2-P1-2X1200-4 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。
其額定動(dòng)載荷值為：27.17kgf，額定靜載荷值為：40.68kgf。
2.3托板傳動(dòng)系統(tǒng)氣缸選用計(jì)算及氣動(dòng)控制回路
主軸托板前后移動(dòng)是靠氣缸來推動(dòng)的，通過計(jì)算選擇SMC公司的標(biāo)準(zhǔn)型氣缸CP95SDD40-550-Z73，其選型代號(hào)含義如圖2.13所示。氣缸推動(dòng)托板帶動(dòng)主軸在水平導(dǎo)軌上前后運(yùn)動(dòng)，前文已知運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量約為，假設(shè)運(yùn)動(dòng)體與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)，工廠內(nèi)氣源系統(tǒng)工作壓力。
則氣缸實(shí)際軸向負(fù)載：
若系統(tǒng)負(fù)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(hào)的氣缸符合要求。
圖2.13 SMC氣缸型號(hào)表示方法
圖2.14 CP95系列氣缸理論輸出力
頭庫(kù)部分氣動(dòng)原理圖如下圖2.15所示，主要功能為兩個(gè)主軸托板的推出與縮回，頭庫(kù)防護(hù)門的打開與關(guān)閉，頭庫(kù)內(nèi)部的清潔。
圖2.15 頭庫(kù)氣動(dòng)原理圖
3交換控制邏輯
自動(dòng)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(yīng)的前提條件，只有當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)條件滿足時(shí)才能夠執(zhí)行下一步指令。
圖3.1
對(duì)于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交換雙擺銑頭，必須重新激活并應(yīng)用“新更換機(jī)床軸”相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，為了達(dá)到此目的，西門子系統(tǒng)準(zhǔn)備了4組電機(jī)參數(shù)，分別對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)在1000，2000，3000，4000系列范圍的參數(shù)中，PLC通過改變“驅(qū)動(dòng)控制字”中的電機(jī)位(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4)，發(fā)出準(zhǔn)備交換電機(jī)的請(qǐng)求，并同時(shí)選擇并激活了對(duì)應(yīng)的上述4組電機(jī)參數(shù)。
在參數(shù)設(shè)置方面，有一個(gè)重要的參數(shù)MD1013(ENABLE_STAR_DELTA)，該參數(shù)是控制電機(jī)交換使能及電機(jī)交換類型的，當(dāng)參數(shù)MD1013=0時(shí)，系統(tǒng)電機(jī)交換功能關(guān)閉，當(dāng)參數(shù)MD1013=1時(shí)，系統(tǒng)可最多可交換4組電機(jī)與編碼器，并且每組電機(jī)都擁有自己的相應(yīng)參數(shù)設(shè)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(shù)原則及原因，交換過程中需要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟與狀態(tài)(當(dāng)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(kù)中的還擺頭位置，準(zhǔn)備將擺頭1還回庫(kù)中，此時(shí)A=0,C=0,如上圖1所示：
l PLC通過改變“驅(qū)動(dòng)控制字”中的電機(jī)位，發(fā)出準(zhǔn)備交換電機(jī)的請(qǐng)求(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4)
l 驅(qū)動(dòng)控制器將“驅(qū)動(dòng)狀態(tài)字”設(shè)置成“交換激活”的狀態(tài)，并取消主軸1的“脈沖使能”
l 驅(qū)動(dòng)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(jīng)取消(DB3x.DBX93.7)
l 驅(qū)動(dòng)控制器激活主軸2相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置
l 驅(qū)動(dòng)控制器通過“PLC狀態(tài)字”的“電機(jī)位”來通知PLC主軸2已經(jīng)生效(DB3x.DBX93.3和DB3x.DBX93.4)
l PLC通過840D申請(qǐng)“parking軸”生效
DB3x.DBX1.5/ DB3x.DBX1.5=0
DB3x.DBX2.1=0
l 840D通過“驅(qū)動(dòng)控制字”申請(qǐng)“parking軸”生效
l 驅(qū)動(dòng)控制器通過“驅(qū)動(dòng)狀態(tài)字”通知PLC“parking軸”已經(jīng)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(dòng)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(qū)動(dòng)控制字”終止“parking軸”
l 驅(qū)動(dòng)控制器通過“驅(qū)動(dòng)狀態(tài)字”通知PLC“parking軸”已經(jīng)終止
($VA_POSCTRL_MODE[Axis])
l PLC通過“PLC控制字”(DB3x.DBX21.5)通知驅(qū)動(dòng)控制器“電機(jī)交換完成”
l 驅(qū)動(dòng)控制器將“驅(qū)動(dòng)狀態(tài)字”中的“交換激活”狀態(tài)刪除，并激活主軸2及A軸的“脈沖使能”
l 驅(qū)動(dòng)控制器通過“PLC狀態(tài)字”的“脈沖使能位”來通知PLC主軸2及A軸的“脈沖使能”已經(jīng)激活(DB3x.DBX93.7)
l 對(duì)于同步電機(jī)還應(yīng)進(jìn)行“粗轉(zhuǎn)子識(shí)別”或“精轉(zhuǎn)子識(shí)別”
3.2 NC控制邏輯
NC在這里是指數(shù)控系統(tǒng)的控制單元，其在銑頭自動(dòng)交換過程中與PLC共同完成相應(yīng)的邏輯動(dòng)作，相應(yīng)的代碼如下所示：
N10 PROC L501 SAVE DISPLOF SBLOF
;更換1號(hào)頭
;$A_IN[25]---當(dāng)前主軸頭是1號(hào)頭
;$A_IN[26]---當(dāng)前主軸頭是2號(hào)頭
;$A_IN[27]---頭庫(kù)中1號(hào)頭位置已經(jīng)被占用
;$A_IN[28]---頭庫(kù)中2號(hào)頭位置已經(jīng)被占用
;$A_IN[29]---無頭夾緊狀態(tài)
N20 M510 ;換頭開始標(biāo)志
N30 IF ($A_IN[25] == 1) GOTOF _END ;當(dāng)前已經(jīng)是1號(hào)頭
N40 T0 ;主軸刀具還回到刀庫(kù)中
N50 M06
;各軸移動(dòng)到安全位置XYZAC //C=0,A=90
N60 STOPRE
N70 M530 ;頭庫(kù)門打開
N80 IF ($A_IN[26] == 0) GOTOF _NON ;判斷當(dāng)前是否有2號(hào)頭，沒有則跳轉(zhuǎn)，否則先還2號(hào)頭
N90 IF ($A_IN[28] == 1) GOTOF _ERR1 ;2號(hào)頭位置已經(jīng)被占用
N100 M534 ;2號(hào)頭伸出
;快移到2號(hào)頭的安全位置處
N110 STOPRE
;主軸2定向位置
N120 STOPRE
N130 M13 ;主軸2刀具松開
N140 M540 ;2號(hào)頭銷釘清潔吹氣
;Z軸慢移到最低位置
N150 STOPRE
N160 M12 ;主軸2刀具夾緊
N170 M539 ;清潔吹氣停止
N180 M544 ;PARK 軸啟動(dòng)，傳感器24V斷電等
N190 M536 ;頭松開
N200 M542 ;C軸吹氣啟動(dòng)
;Z軸慢移到安全位置處
N210 STOPRE
N220 IF ($A_IN[27] == 0) GOTOF _ERR2）;1號(hào)頭位置為空
;快移到1號(hào)頭處
N230 STOPRE
N240 M535 ;2號(hào)頭回退
N250 M532 ;1號(hào)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(biāo)軸移到安全位置
N320 STOPRE
N330 M533 ;1號(hào)頭回退
N340 M531 ;頭庫(kù)門關(guān)閉
N350 M545 ;PARK軸取消，并同時(shí)激活參數(shù)1
N360 GOTOF _END
N370 _NON:
N380 IF ($A_IN[27] == 0) GOTOF _ERR2 ;1號(hào)頭位置為空
;快移到1號(hào)頭處
N390 STOPRE
N400 M532 ;1號(hào)頭伸出
N410 M544 ;PARK軸
N420 M536 ;松開頭
N430 M542 ;C軸吹氣啟動(dòng)
;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(biāo)軸移到安全位置
N500 STOPRE
N510 M533 ;1號(hào)頭回退
N520 M531 ;頭庫(kù)門關(guān)閉
N530 M545 ;PARK軸取消，并同時(shí)激活參數(shù)1
N540 GOTOF _END
N550 _ERR1:
N560 MSG ("2號(hào)頭位置已經(jīng)有頭，2號(hào)頭無法歸還")
N570 M0
N580 _ERR2:
N590 MSG ("1號(hào)頭位置沒有頭，1號(hào)頭無法提取")
N600 M0
N610 _END:
N620 M511 ;換頭結(jié)束標(biāo)志
N630 M17
3.3交換過程中的銑頭松開/夾緊監(jiān)控
機(jī)床上液壓卡緊松開輔助動(dòng)作很多，如：主軸松卡刀，伺服軸抱閘松卡，交換托盤時(shí)拖盤的松卡，交換雙擺頭時(shí)雙擺頭的松卡等。而執(zhí)行卡緊松開動(dòng)作的油缸多植入在各功能部件內(nèi)部，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，很難在內(nèi)部直接安裝接近開關(guān)或位移傳感器以獲取位置進(jìn)行到位信號(hào)。有些功能部件在結(jié)構(gòu)允許的情況下，將活塞位移動(dòng)作傳遞到功能部件外部再進(jìn)行檢測(cè)，如主軸松卡刀、轉(zhuǎn)臺(tái)松卡等。但旋轉(zhuǎn)軸環(huán)形抱閘、托盤卡緊拉釘、雙擺頭交換拉釘?shù)?，使用時(shí)需將卡緊機(jī)構(gòu)插裝在機(jī)械體內(nèi)部，由于結(jié)構(gòu)所限就無法直接測(cè)得位移信號(hào)。通常做法是采用壓力信號(hào)來代替位移信號(hào)，即松卡壓力達(dá)到設(shè)定值不變標(biāo)志著活塞運(yùn)動(dòng)停止，從而間接判斷松卡動(dòng)作已完成，原理圖如圖3.5所示。但如果由于某些原因?qū)е掠透自谥虚g位置卡死時(shí)，就會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)，造成機(jī)床誤動(dòng)作，導(dǎo)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(gè)自鎖拉釘實(shí)現(xiàn)雙擺頭松卡。為了解決上述問題，在液壓松卡回路中設(shè)置了流量計(jì)，作為卡緊松開到位檢測(cè)元件。流量計(jì)可以通過檢測(cè)通過的油量，真實(shí)地檢測(cè)到油缸卡緊松開是否到位。由于流量計(jì)設(shè)置在回路上，不受機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸所限制，成功地解決了雙擺頭松卡到位檢測(cè)的問題。其原理圖如圖3.6所示。
圖3.5 壓力開關(guān)檢測(cè)松/夾到位原理圖
圖3.6 流量計(jì)檢測(cè)松/夾到位原理圖
3.3.1 流量計(jì)簡(jiǎn)介
流量計(jì)種類較多，功能原理大不相同，應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。齒輪流量計(jì)是根據(jù)齒輪馬達(dá)原理，兩圓柱齒輪在測(cè)量腔內(nèi)由液流驅(qū)動(dòng)無接觸運(yùn)行；齒輪的運(yùn)動(dòng)由位于蓋板內(nèi)的兩個(gè)無接觸的傳感器檢測(cè)，在傳感器室和計(jì)量環(huán)室之間，裝有一非磁性抗壓隔板；當(dāng)計(jì)量機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒時(shí)，傳感器發(fā)出一脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)一個(gè)齒的油量AV通過流量計(jì)，通過前置放大器，把信號(hào)轉(zhuǎn)換為一方波信號(hào)；兩通道檢測(cè)，可有更高的分辨率，并確認(rèn)流量方向。齒輪流量計(jì)，精度較高，黏溫特性好，工作壓力高，價(jià)格相對(duì)較低，適合在機(jī)床液壓系統(tǒng)中應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖3.7 齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
3.3.2 監(jiān)控原理
設(shè)每個(gè)拉釘卡緊所需油量，卡緊動(dòng)作所需總油量為，選取德國(guó)KRACHT公司VC0.2型號(hào)齒輪流量計(jì)，齒輪幾何容積，即每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)齒輪流量計(jì)通過0.245mL油量，則完成卡緊動(dòng)作所需脈沖數(shù)為：
拉釘松開時(shí)，流量計(jì)測(cè)量同一油腔的油量，脈沖數(shù)與卡緊動(dòng)作相同，但方向相反。因而， 執(zhí)行拉釘松卡動(dòng)作后，通過檢測(cè)流量計(jì)接收的脈沖數(shù)是否達(dá)到相應(yīng)數(shù)值(檢測(cè)脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1)，來判斷該動(dòng)作是否正確完成，雙通道脈沖信號(hào)可以檢測(cè)出流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而判斷是松開還是卡緊動(dòng)作。
表3.1 檢測(cè)脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系
最大檢測(cè)時(shí)間內(nèi)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(jì)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(jì)，在PLC中進(jìn)行脈沖數(shù)監(jiān)控，保證了銑頭在自動(dòng)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(fù)載監(jiān)控
在銑頭自動(dòng)交換過程中，裝卸銑頭時(shí)，Z軸向下運(yùn)動(dòng)過程中，若定位不準(zhǔn)或錯(cuò)誤，可能會(huì)出現(xiàn)撞擊或阻擋的情況。若沒有Z軸異常負(fù)載檢測(cè)，Z軸就會(huì)按指令向下運(yùn)動(dòng)，直到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)報(bào)警為止。這樣很可能已經(jīng)造成了硬件的損壞而帶來?yè)p失。使用840D系統(tǒng)提供的固定點(diǎn)停止功能可以實(shí)現(xiàn)Z軸力矩限制，進(jìn)行異常負(fù)載檢測(cè)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(cè)
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(shí)際調(diào)整）
N0670 FXSW[Z]=2；Z軸力矩限制監(jiān)控，窗口值(根據(jù)實(shí)際調(diào)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(shè)定完固定點(diǎn)停止的相關(guān)參數(shù)后，通過以上控制，當(dāng)Z軸在移動(dòng)過程中，負(fù)載超過設(shè)定的檢測(cè)值時(shí)，軸就會(huì)立即停止移動(dòng)。保證了相關(guān)部件的安全。
結(jié) 論
五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是機(jī)床設(shè)計(jì)中較難掌握的機(jī)床設(shè)計(jì)，本論文在綜合分析國(guó)外五軸聯(lián)動(dòng)加工中心技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合國(guó)內(nèi)同行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，積極運(yùn)用國(guó)外先進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)分析手段，采用設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)的對(duì)精密高速五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的機(jī)床總體布局、主要功能部件的設(shè)計(jì)、保持機(jī)床精度的研究和機(jī)床高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能分析等內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，完成了銑頭可自動(dòng)交換高速龍門加工中心的頭庫(kù)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制邏輯設(shè)計(jì)，本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，其特點(diǎn)內(nèi)容如下：
（1）該機(jī)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(yīng)速度快，加工精度高，實(shí)現(xiàn)五軸曲面加工的特點(diǎn)。
（2）該機(jī)床其雙直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)橫梁在左右橋梁上移動(dòng)，消除了傳動(dòng)環(huán)節(jié)。
（3）該機(jī)床其Y軸橫梁使用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，利用了直線電機(jī)主次極見的吸引力，減少了導(dǎo)軌所承受的力矩和壓力，降低了導(dǎo)軌副的摩擦力，提高其剛性及壽命。
（4）該機(jī)床在滑板內(nèi)部開有方孔，將平衡油缸安裝在其內(nèi)，節(jié)省了空間，使機(jī)床整體結(jié)構(gòu)更合理。
（5）該機(jī)床是一種由交流永磁同步內(nèi)轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可交換A軸的雙擺銑頭
（6）該機(jī)床結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，AC擺頭頭庫(kù)創(chuàng)造地利用斜面和A軸刀柄定位。使得定位準(zhǔn)確，換頭靈活。
致 謝
本課題的全部工作都是在導(dǎo)師徐兆成老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作過程中，導(dǎo)師以他深厚的理論基礎(chǔ)、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、對(duì)問題獨(dú)到的見解以及良好的工作作風(fēng)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(shè)計(jì)工作過程中，我的同學(xué)也給了我許多熱心的幫助，在此，向指導(dǎo)、幫助過我的老師和同學(xué)表示最誠(chéng)摯的感謝！
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