三坐標(biāo)CNC龍門(mén)加工中心自動(dòng)換頭關(guān)鍵技術(shù)研究
海天精工 加工中心 鉆攻中心前言：海天精工 備注：為保證文章的完整度,，本文核心內(nèi)容都PDF格式顯示,，如未有顯示請(qǐng)刷新或轉(zhuǎn)換瀏覽器嘗試，手機(jī)瀏覽可能無(wú)法正常使用,！三坐標(biāo)CNC龍門(mén)加工中心具有加工范圍廣,、切削力大等特點(diǎn)，適用于大型工件的多工序加工,，目前在航空、航天,、兵器,、船舶、冶金等行業(yè)得到日益廣泛的應(yīng)用,。普通龍門(mén)加工中心通常配置立式銑頭,，適合外形簡(jiǎn)單工件上面及側(cè)面多工序的粗、精加工,。如果工件外形復(fù)雜,，側(cè)面或斜面上還有待加工的孔，普通龍門(mén)加工中心通過(guò)一次裝夾無(wú)法完成這些工序,。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,，這類(lèi)工件往往外形大,、質(zhì)量重，二次裝夾費(fèi)時(shí)費(fèi)力,，而二次裝夾往往又對(duì)工件最終的加工精度產(chǎn)生極其重要的影響,。所以如何通過(guò)一次裝夾完成工件的所有特征加工就顯得尤為重要。配置多種附件銑削頭（以下簡(jiǎn)稱(chēng)附件頭）的三坐標(biāo)CNC龍門(mén)加工中心為此類(lèi)難題提供了便捷的解決途徑,。多種附件頭的配置避免了工件二次裝夾導(dǎo)致加工精度降低的問(wèn)題,，既提高了加工中心的加工效率，又拓展了加工中心的加工范圍,，使加工中心的使用價(jià)值得到很大的提升,。按照交換方式和分度方式的不同，附件頭可分為自動(dòng)交換自動(dòng)分度單/雙軸銑削頭,、自動(dòng)交換手動(dòng)分度單/雙軸銑削頭,、手動(dòng)交換自動(dòng)分度單/雙軸銑削頭和手動(dòng)交換手動(dòng)分度單/雙軸銑削頭4種類(lèi)型。各種類(lèi)型附件頭的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1,。在加工中心實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,，選用何種類(lèi)型的附件頭主要基于加工工件的工藝特點(diǎn)及加工中心的成本預(yù)算來(lái)綜合考慮。國(guó)外大型CNC龍門(mén)加工中心普遍配置自動(dòng)交換附件頭庫(kù),，加工中心可更換多種類(lèi)型的附件頭以滿(mǎn)足各種不同的加工需求,。隨著國(guó)內(nèi)CNC加工中心擋次的不斷提升和自動(dòng)交換附件頭所需關(guān)鍵零部件性能的日趨完善，配備多種全自動(dòng)交換附件頭功能的加工中心逐漸成為主流發(fā)展趨勢(shì),。 表1附件頭類(lèi)型比較 換頭方式 分度方式 特征 優(yōu)缺點(diǎn) 手動(dòng) 手動(dòng) 附件頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，無(wú)需設(shè)計(jì)換頭機(jī)構(gòu) 成本最低，加工效率受換頭頻率及分度頻率的雙重影響,，效率最低 手動(dòng) 自動(dòng) 附件頭結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜,無(wú)需設(shè)計(jì)換頭機(jī)構(gòu) 成本較低,，加工效率僅受換頭頻率影響，效率較低 自動(dòng) 手動(dòng) 附件頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，但需設(shè)計(jì)換頭機(jī)構(gòu) 成本較高,，加工效率僅受分度頻率影響，效率較高 自動(dòng) 自動(dòng) 附件頭結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜,，需設(shè)計(jì)換頭機(jī)構(gòu) 成本最高,，加工效率不受換頭頻率及分度頻率的影響，效率最高 1加工中心概況G3 3060 M三坐標(biāo)CNC龍門(mén)加工中心是用于加工材料為鑄鋼,、鑄鐵,、鋼鍛件、鋁等的模具和加工中心夾具的專(zhuān)用設(shè)備,。設(shè)備具有鏜孔,、鉆孔、鉸孔、攻絲,、粗精銑削加工等多種加工功能,。設(shè)備整體為定工作臺(tái)-動(dòng)龍門(mén)框架式結(jié)構(gòu)，主要由床身工作臺(tái),、立柱,、橫梁、滑板,、滑枕及附件頭庫(kù)等幾大部件組成,。其整體外形如圖1所示。為了滿(mǎn)足模具和加工中心夾具多面及復(fù)雜型面加工的工藝特點(diǎn),，設(shè)備配置了可自動(dòng)交換的4/C擺角分度頭,。其******扭矩500最高轉(zhuǎn)速2 000 r/min,自動(dòng)換頭，自動(dòng)分度,。4軸擺動(dòng)范圍為 ±110,。，2.5,。一分,，C軸擺動(dòng)范圍為-90。2自動(dòng)換頭關(guān)鍵技術(shù)2.1硬件接口設(shè)計(jì)附件頭一般安裝在加工中心滑枕前端面,，并需滿(mǎn)足附件頭不使用時(shí)加工中心原主軸的正常工作,。G3 3060 M機(jī)床配置高剛性大扭矩機(jī)械主軸，主軸箱由精密齒輪傳動(dòng),，兩級(jí)機(jī)械變速,分別滿(mǎn)足加工中心高速和大負(fù)載切削加工需求,。主軸額定功率30 kW,額定扭矩880 N • m,最高轉(zhuǎn)速4 000 r/min。由于主軸轉(zhuǎn)速高,、扭矩大,，除一些外形復(fù)雜，使用普通的三坐標(biāo)無(wú)法加工的工件都用其加工完成,。附件頭僅作為一些難加工型面,、孔的輔助加工手段，使用頻率較低,。G3 3060 M加工中心滑枕主軸如圖3所示,。加工中心更換附件頭后，如何實(shí)現(xiàn)附件頭與加工中心在機(jī)械,、液壓、氣動(dòng),、電氣功能上的快速連通是該類(lèi)加工中心設(shè) 計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn),。加工中心的自動(dòng)換頭功能通過(guò)在滑枕前端加裝上模組的方式實(shí)現(xiàn)，其外形如圖4所示。硬件連通的實(shí)現(xiàn)思路為：將上模組固定在加工中心滑枕前端面上,，附件頭的液壓,、氣動(dòng)管路、電氣線路通過(guò)滑枕進(jìn)入上模組內(nèi)部,上模組內(nèi)部設(shè)置沿圓周均勻分布的32瓣拉爪機(jī)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)32瓣爪）,，實(shí)現(xiàn)對(duì)附件頭的抓取,。當(dāng)32瓣爪在油壓力作用下拉緊附件頭時(shí)，位于上模組與附件頭結(jié)合面上的快插接頭瞬間接通,，實(shí)現(xiàn)附件頭與加工中心主體在液壓功能上的連通,。上模組與附件頭電圖3G33060M^L^氣控制信號(hào)的傳遞是通過(guò)外部的信號(hào)接近傳感器實(shí)現(xiàn)的。最后主軸拉刀機(jī)構(gòu)拉緊附件頭末端的假刀柄,從而實(shí)現(xiàn)附件頭內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)床主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的連通,，如圖5所示,。2.2附件頭庫(kù)設(shè)計(jì)通常加工中心在不使用附件頭時(shí)，上模組前端面配有防塵蓋,，如圖6所示,，防止切屑、切削液和灰塵等進(jìn)入上模組內(nèi)部,。當(dāng)加工中心需要更換附件頭時(shí),，首先應(yīng)當(dāng)移去防塵蓋，并將其存放在某一固定的位置上方便下一次抓取,。加工中心附件頭也應(yīng)當(dāng)預(yù)先放置在一個(gè)預(yù)設(shè)的位置上,，方便32瓣拉爪機(jī)構(gòu)抓取。為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)專(zhuān)用的附件頭庫(kù),，來(lái)存放防塵蓋和附件頭,。G3 3060 M加工中心的附件頭庫(kù)放置在床身工作臺(tái)后端,不占用工作臺(tái)有效工作面積。其內(nèi)部裝有防塵蓋支架及附件頭支架,，外部為附件頭庫(kù)外罩并配有可沿Z向開(kāi)啟/關(guān)閉的頭庫(kù)門(mén),，如圖7所示。加工中心更換附件頭的動(dòng)作順序?yàn)椋菏紫仍跉飧鬃饔孟聦⒏郊^庫(kù)門(mén)沿加工中心Z(前后）方向打開(kāi),，隨后將加工中心主軸在Z,、F方向精確定位，確保加工中心主軸軸線與防塵蓋支架軸線重合,。加工中心主軸沿Z(上下）方向快速下降150 mm,然后繼續(xù)沿Z方向勻速下降15 mm,此時(shí)防塵蓋支架上的4支錐銷(xiāo)導(dǎo)入防塵蓋錐銷(xiāo)孔內(nèi),。上模組32瓣爪釋放防塵蓋，加工中心主軸沿Z方向再上升15 mm,保證防塵蓋與上模組完全分離,。主軸沿Z方向繼續(xù)上升150 mm,然后將加工中心主軸在X,、F方向精確定位，確保加工中心主軸軸線與附件頭刀柄軸線重合,。加工中心主軸沿Z(上下）方向快速下降150 mm,然后繼續(xù)沿Z方向勻速下降15 mm,加工中心主軸定向停,主軸端鍵置入附件頭末端假刀柄鍵槽中,。上模組32瓣爪執(zhí)行夾緊動(dòng)作,，加工中心主軸夾刀。加工中心主軸沿Z方向上升15 mm,保證附件頭與附件頭支架的4支錐銷(xiāo)完全分離,。主軸沿Z方向繼續(xù)上升150 mm,加工中心主軸移出換頭位置,頭庫(kù)門(mén)關(guān)閉,。加工中心更換防塵蓋的動(dòng)作順序與更換附件頭的動(dòng)作順序相反。2.3控制功能設(shè)計(jì)2.3.1自動(dòng)換頭功能的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)加工中心自動(dòng)換頭過(guò)程由加工中心坐標(biāo)的點(diǎn)位控制,，上模組32瓣爪及附件頭庫(kù)動(dòng)作共同配合完成,。因此，加工中心自動(dòng)換頭過(guò)程控制要求復(fù)雜,，對(duì)加工中心坐標(biāo)定位,、各環(huán)節(jié)的時(shí)序和邏輯關(guān)系、多方位的安全保護(hù),、可靠性等方面的要求很高,。采用何種設(shè)計(jì)思路進(jìn)行自動(dòng)換頭功能的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，保證自動(dòng)換頭的安全性,、換頭過(guò)程的穩(wěn)定性,、可靠性及易操作性，是加工中心控制的關(guān)鍵,。加工中心自動(dòng)換頭主程序流程如圖8所示,。2.3.2 4/C軸的轉(zhuǎn)位控制附件頭主軸和4/C軸轉(zhuǎn)位分度的動(dòng)力源都是機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)，加工中心主軸的旋轉(zhuǎn)編碼器既作為主軸本身的位置反饋,，附件頭裝載后,也作為附件頭主軸及C軸的位置反饋,。C軸分度時(shí),需要將主軸換至低檔，再將主軸切換到定位模式,，完成C軸分度,。4軸分度除需識(shí)別加工中心外部4軸絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器之外，其它過(guò)程與C軸相同,。C軸回零程序流程圖如圖9所示,，C軸分度程序流程圖如圖10所示。2.4完善的反饋及檢測(cè)功能由于自動(dòng)換頭過(guò)程包含的功能較多,，動(dòng)作復(fù)雜,，因此控制時(shí)要求各動(dòng)作的時(shí)序必須準(zhǔn)確無(wú)誤，否則換頭動(dòng)作將無(wú)法順利完成,換頭后4/C軸分度轉(zhuǎn)位功能將無(wú)法正常使用,，嚴(yán)重時(shí)甚至還會(huì)造成加工中心主軸的損壞,。基于加工中心自身控制要求及安全性綜合考慮,，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)自動(dòng)換頭功能每一個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行情況分別安裝了傳感器進(jìn)行檢測(cè),，接收到傳感器的到位反饋信號(hào)，確認(rèn)當(dāng)前動(dòng)作完成,，才能執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作,。2.4.1附件頭的識(shí)別加工中心主軸的端頭狀態(tài)有3種,分別為:①防塵蓋裝載,。②附件頭裝載,。③防塵蓋和附件頭均無(wú)裝載,。因此,在上模組內(nèi)部裝有兩個(gè)加工中心主軸頭部狀態(tài)檢出接近開(kāi)關(guān)，以確認(rèn)加工中心主軸頭部當(dāng)前的狀態(tài),。同時(shí),，在機(jī)床附件頭庫(kù)內(nèi)部分別裝有檢測(cè)防塵蓋和附件頭是否在相應(yīng)位置上的接近開(kāi)關(guān)，與上模組內(nèi)部開(kāi)關(guān)組合使用,，確定加工中心主軸頭部當(dāng)前狀態(tài)及相關(guān)功能的開(kāi)啟和關(guān)閉,。若防塵蓋及附件頭均無(wú)裝載，加工中心無(wú)法正常工作,，顯示報(bào)警信息,。2.4.2到位檢測(cè)為確保換頭過(guò)程中每一個(gè)動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠,對(duì)附件頭庫(kù)開(kāi)啟與關(guān)閉,，32瓣爪夾緊與松開(kāi),，C軸夾緊與松開(kāi)和4軸夾緊與松開(kāi)動(dòng)作是否到位分別設(shè)置了接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)。執(zhí)行自動(dòng)換頭指令時(shí),根據(jù)幵關(guān)的發(fā)訊情況,，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件是否正常工作,，判斷下一個(gè)動(dòng)作是否執(zhí)行。 [2]2.4.3軸信號(hào)及反饋在附件頭內(nèi)部設(shè)有C軸原點(diǎn)與正負(fù)限位行程開(kāi)關(guān),，用于C軸原點(diǎn)及超出行程的檢測(cè)和反饋,，防止C軸轉(zhuǎn)位超出行程時(shí)對(duì)附件頭造成損壞。C軸轉(zhuǎn)位分度通過(guò)主軸末端的旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制,。4軸設(shè)有原點(diǎn)接近開(kāi)關(guān),，并配有絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器,實(shí)現(xiàn)對(duì)4軸轉(zhuǎn)位分度的閉環(huán)控制及4軸的正負(fù)限位控制與反饋。自動(dòng)換頭動(dòng)作的時(shí)序如圖11所示,。2.5安全保護(hù)附件頭裝載后,，加工中心主軸的尺寸、姿態(tài)都發(fā)生了變化,，各軸行程也相應(yīng)隨之改變,，控制上需要對(duì)加工中心各軸行程重新設(shè)定。根據(jù)附件頭的使用要求J軸和C軸分度轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)設(shè)定為3 r/min,且附件頭最高轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)限定在2 000 r/min以下,。另外,，附件頭裝載后，加工中心原主軸水冷功能將被禁止使用,，附件頭主軸水冷功能隨之開(kāi)啟,。因此，合理及完備的加工中心安全保護(hù)功能是此類(lèi)加工中心設(shè)計(jì)過(guò)程中不可缺少的一部分,。2.5.1加工中心行程限定執(zhí)行自動(dòng)換頭指令后,，加工中心首先需要沿X向移動(dòng)并開(kāi)出工作區(qū)域,，到達(dá)附件頭庫(kù)所在區(qū)域進(jìn)行換頭。這就要求將加工中心原Z向行程開(kāi)關(guān)負(fù)限位信號(hào)屏蔽,同時(shí)擴(kuò)大加工中心在Z向的軟限位,，使得加工中心主軸可以到達(dá)附件頭庫(kù)位置,以便自動(dòng)換頭動(dòng)作順利進(jìn)行,。待換頭動(dòng)作完成后，再將加工中心原Z向軟硬限位進(jìn)行恢復(fù),。此外,附件頭加載后,，加工中心主軸端面沿Z向下移611 mm(如圖12所示)，加工中心Z軸負(fù)向軟硬限位也應(yīng)隨之下移,。2.5.2主軸限速附件頭主軸旋轉(zhuǎn)及4軸和C軸轉(zhuǎn)位分度均由機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),，而加工中心主軸的轉(zhuǎn)速范圍為0 ~4 000 r/min,附件頭的轉(zhuǎn)速范圍為0?2 000 r/min,因此附件頭裝載后，需要對(duì)加工中心主軸電動(dòng)機(jī)重新限速,。根據(jù)附件頭的使用要求J軸和C軸分度轉(zhuǎn)速要求為3 r/min,當(dāng)執(zhí)行4軸或C軸分度指令時(shí),，加工中心主軸轉(zhuǎn)速也要加以限制。2.5.3限制加工中心部分功能附件頭裝載后,，加工中心原主軸水冷功能應(yīng)禁止使用,否則冷卻液進(jìn)入附件頭內(nèi)部,，會(huì)對(duì)其電氣元件及機(jī)械傳動(dòng)部件造成損壞。使用附件頭加工工件時(shí),，附件頭主軸水冷功能也應(yīng)隨之開(kāi)啟,。3結(jié)語(yǔ)縱觀目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，配備4/C擺角分度頭的三坐標(biāo)加工中心需求日益增大,僅提供普通的三坐標(biāo)加工中心已不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求,具有自動(dòng)換頭功能的加工中心已經(jīng)成為現(xiàn)階段CNC加工中心發(fā)展的主流方向之一,。本文對(duì)具有自動(dòng)換頭功能加工中心的研發(fā)進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述,，總結(jié)出此類(lèi)加工中心設(shè)計(jì)若干項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文所述的設(shè)計(jì)思路可推廣到同類(lèi)加工中心設(shè)計(jì)上,，加工中心的成功研制擴(kuò)展了國(guó)產(chǎn)高檔CNC加工中心的產(chǎn)品種類(lèi),為今后同類(lèi)加工中心的研制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。海天精工是一家集銷(xiāo)售、應(yīng)用及服務(wù)于一體的公司,。產(chǎn)品包括：CNC加工中心,、鉆攻中心、龍門(mén)加工中心,、雕銑機(jī),、石墨機(jī)、五軸加工中心,、立式加工中心,、臥式加工中心等。我們機(jī)床的生產(chǎn)工廠設(shè)在廣東省寧波市,，目前其生產(chǎn)的加工中心70%出口,，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心,、盡力,、盡意的服務(wù),！聲明：本站文章均來(lái)自網(wǎng)絡(luò)，所有內(nèi)容不代表本站觀點(diǎn),，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任,！