三坐標(biāo)CNC龍門加工中心自動換頭關(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，如未有顯示請刷新或轉(zhuǎn)換瀏覽器嘗試，手機(jī)瀏覽可能無法正常使用！三坐標(biāo)CNC龍門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。普通龍門加工中心通常配置立式銑頭，適合外形簡單工件上面及側(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，普通龍門加工中心通過一次裝夾無法完成這些工序。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，這類工件往往外形大、質(zhì)量重，二次裝夾費(fèi)時費(fèi)力，而二次裝夾往往又對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（以下簡稱附件頭）的三坐標(biāo)CNC龍門加工中心為此類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，附件頭可分為自動交換自動分度單/雙軸銑削頭、自動交換手動分度單/雙軸銑削頭、手動交換自動分度單/雙軸銑削頭和手動交換手動分度單/雙軸銑削頭4種類型。各種類型附件頭的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。在加工中心實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，選用何種類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)算來綜合考慮。國外大型CNC龍門加工中心普遍配置自動交換附件頭庫，加工中心可更換多種類型的附件頭以滿足各種不同的加工需求。隨著國內(nèi)CNC加工中心擋次的不斷提升和自動交換附件頭所需關(guān)鍵零部件性能的日趨完善，配備多種全自動交換附件頭功能的加工中心逐漸成為主流發(fā)展趨勢。 表1附件頭類型比較 換頭方式 分度方式 特征 優(yōu)缺點(diǎn) 手動 手動 附件頭結(jié)構(gòu)簡單，無需設(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 自動 附件頭結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜,無需設(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 手動 附件頭結(jié)構(gòu)簡單，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 自動 附件頭結(jié)構(gòu)相對較復(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-動龍門框架式結(jié)構(gòu)，主要由床身工作臺、立柱、橫梁、滑板、滑枕及附件頭庫等幾大部件組成。其整體外形如圖1所示。為了滿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)備配置了可自動交換的4/C擺角分度頭。其最大扭矩500最高轉(zhuǎn)速2 000 r/min,自動換頭，自動分度。4軸擺動范圍為 ±110。，2.5。一分，C軸擺動范圍為-90。2自動換頭關(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，并需滿足附件頭不使用時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，兩級機(jī)械變速,分別滿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、電氣功能上的快速連通是該類加工中心設(shè) 計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。加工中心的自動換頭功能通過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、氣動管路、電氣線路通過滑枕進(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)（以下簡稱32瓣爪），實(shí)現(xiàn)對附件頭的抓取。當(dāng)32瓣爪在油壓力作用下拉緊附件頭時，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^氣控制信號的傳遞是通過外部的信號接近傳感器實(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)部傳動機(jī)構(gòu)與機(jī)床主軸傳動機(jī)構(gòu)的連通，如圖5所示。2.2附件頭庫設(shè)計(jì)通常加工中心在不使用附件頭時，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，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)先放置在一個預(yù)設(shè)的位置上，方便32瓣拉爪機(jī)構(gòu)抓取。為此專門設(shè)計(jì)了一個專用的附件頭庫，來存放防塵蓋和附件頭。G3 3060 M加工中心的附件頭庫放置在床身工作臺后端,不占用工作臺有效工作面積。其內(nèi)部裝有防塵蓋支架及附件頭支架，外部為附件頭庫外罩并配有可沿Z向開啟/關(guān)閉的頭庫門，如圖7所示。加工中心更換附件頭的動作順序?yàn)椋菏紫仍跉飧鬃饔孟聦⒏郊^庫門沿加工中心Z(前后）方向打開，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,此時防塵蓋支架上的4支錐銷導(dǎo)入防塵蓋錐銷孔內(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,頭庫門關(guān)閉。加工中心更換防塵蓋的動作順序與更換附件頭的動作順序相反。2.3控制功能設(shè)計(jì)2.3.1自動換頭功能的開發(fā)設(shè)計(jì)加工中心自動換頭過程由加工中心坐標(biāo)的點(diǎn)位控制，上模組32瓣爪及附件頭庫動作共同配合完成。因此，加工中心自動換頭過程控制要求復(fù)雜，對加工中心坐標(biāo)定位、各環(huán)節(jié)的時序和邏輯關(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)行自動換頭功能的開發(fā)設(shè)計(jì)，保證自動換頭的安全性、換頭過程的穩(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)位分度的動力源都是機(jī)床主軸電動機(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,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軸分度除需識別加工中心外部4軸絕對旋轉(zhuǎn)編碼器之外，其它過程與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完善的反饋及檢測功能由于自動換頭過程包含的功能較多，動作復(fù)雜，因此控制時要求各動作的時序必須準(zhǔn)確無誤，否則換頭動作將無法順利完成,換頭后4/C軸分度轉(zhuǎn)位功能將無法正常使用，嚴(yán)重時甚至還會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)時對自動換頭功能每一個動作的執(zhí)行情況分別安裝了傳感器進(jìn)行檢測，接收到傳感器的到位反饋信號，確認(rèn)當(dāng)前動作完成，才能執(zhí)行下一個動作。2.4.1附件頭的識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裝載。因此,在上模組內(nèi)部裝有兩個加工中心主軸頭部狀態(tài)檢出接近開關(guān)，以確認(rèn)加工中心主軸頭部當(dāng)前的狀態(tài)。同時，在機(jī)床附件頭庫內(nèi)部分別裝有檢測防塵蓋和附件頭是否在相應(yīng)位置上的接近開關(guān)，與上模組內(nèi)部開關(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)功能的開啟和關(guān)閉。若防塵蓋及附件頭均無裝載，加工中心無法正常工作，顯示報警信息。2.4.2到位檢測為確保換頭過程中每一個動作準(zhǔn)確、可靠,對附件頭庫開啟與關(guān)閉，32瓣爪夾緊與松開，C軸夾緊與松開和4軸夾緊與松開動作是否到位分別設(shè)置了接近開關(guān)進(jìn)行檢測。執(zhí)行自動換頭指令時,根據(jù)幵關(guān)的發(fā)訊情況，檢測運(yùn)動部件是否正常工作，判斷下一個動作是否執(zhí)行。 [2]2.4.3軸信號及反饋在附件頭內(nèi)部設(shè)有C軸原點(diǎn)與正負(fù)限位行程開關(guān)，用于C軸原點(diǎn)及超出行程的檢測和反饋，防止C軸轉(zhuǎn)位超出行程時對附件頭造成損壞。C軸轉(zhuǎn)位分度通過主軸末端的旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。4軸設(shè)有原點(diǎn)接近開關(guān)，并配有絕對旋轉(zhuǎn)編碼器,實(shí)現(xiàn)對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。自動換頭動作的時序如圖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啟。因此，合理及完備的加工中心安全保護(hù)功能是此類加工中心設(shè)計(jì)過程中不可缺少的一部分。2.5.1加工中心行程限定執(zhí)行自動換頭指令后，加工中心首先需要沿X向移動并開出工作區(qū)域，到達(dá)附件頭庫所在區(qū)域進(jìn)行換頭。這就要求將加工中心原Z向行程開關(guān)負(fù)限位信號屏蔽,同時擴(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)附件頭庫位置,以便自動換頭動作順利進(jìn)行。待換頭動作完成后，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)床主軸電動機(jī)驅(qū)動，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，需要對加工中心主軸電動機(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，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，會對其電氣元件及機(jī)械傳動部件造成損壞。使用附件頭加工工件時，附件頭主軸水冷功能也應(yīng)隨之開啟。3結(jié)語縱觀目前國內(nèi)市場，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)加工中心已不能滿足市場需求,具有自動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。本文對具有自動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)思路可推廣到同類加工中心設(shè)計(jì)上，加工中心的成功研制擴(kuò)展了國產(chǎn)高檔CNC加工中心的產(chǎn)品種類,為今后同類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！