三坐標CNC龍門加工中心自動換頭關鍵技術研究
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，本文核心內容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉換瀏覽器嘗試，手機瀏覽可能無法正常使用！三坐標CNC龍門加工中心具有加工范圍廣、切削力大等特點，適用于大型工件的多工序加工，目前在航空、航天、兵器、船舶、冶金等行業得到日益廣泛的應用。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面多工序的粗、精加工。如果工件外形復雜，側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。在實際生產過程中，這類工件往往外形大、質量重，二次裝夾費時費力，而二次裝夾往往又對工件最終的加工精度產生極其重要的影響。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缺點見表1。在加工中心實際設計過程中，選用何種類型的附件頭主要基于加工工件的工藝特點及加工中心的成本預算來綜合考慮。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CNC加工中心擋次的不斷提升和自動交換附件頭所需關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展趨勢。 表1附件頭類型比較 換頭方式 分度方式 特征 優缺點 手動 手動 附件頭結構簡單，無需設計換頭機構 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 附件頭結構相對較復雜,無需設計換頭機構 成本較低，加工效率僅受換頭頻率影響，效率較低 自動 手動 附件頭結構簡單，但需設計換頭機構 成本較高，加工效率僅受分度頻率影響，效率較高 自動 自動 附件頭結構相對較復雜，需設計換頭機構 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備。設備具有鏜孔、鉆孔、鉸孔、攻絲、粗精銑削加工等多種加工功能。設備整體為定工作臺-動龍門框架式結構，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雜型面加工的工藝特點，設備配置了可自動交換的4/C擺角分度頭。其******扭矩500最高轉速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自動換頭關鍵技術2.1硬件接口設計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機床配置高剛性大扭矩機械主軸，主軸箱由精密齒輪傳動，兩級機械變速,分別滿足加工中心高速和大負載切削加工需求。主軸額定功率30 kW,額定扭矩880 N • m,最高轉速4 000 r/min。由于主軸轉速高、扭矩大，除一些外形復雜，使用普通的三坐標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，如何實現附件頭與加工中心在機械、液壓、氣動、電氣功能上的快速連通是該類加工中心設 計的重點和難點。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現，其外形如圖4所示。硬件連通的實現思路為：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入上模組內部,上模組內部設置沿圓周均勻分布的32瓣拉爪機構（以下簡稱32瓣爪），實現對附件頭的抓取。當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合面上的快插接頭瞬間接通，實現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現的。最后主軸拉刀機構拉緊附件頭末端的假刀柄,從而實現附件頭內部傳動機構與機床主軸傳動機構的連通，如圖5所示。2.2附件頭庫設計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、切削液和灰塵等進入上模組內部。當加工中心需要更換附件頭時，首先應當移去防塵蓋，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當預先放置在一個預設的位置上，方便32瓣拉爪機構抓取。為此專門設計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/關閉的頭庫門，如圖7所示。加工中心更換附件頭的動作順序為：首先在氣缸作用下將附件頭庫門沿加工中心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,然后繼續沿Z方向勻速下降15 mm,此時防塵蓋支架上的4支錐銷導入防塵蓋錐銷孔內。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方向繼續上升150 mm,加工中心主軸移出換頭位置,頭庫門關閉。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控制功能設計2.3.1自動換頭功能的開發設計加工中心自動換頭過程由加工中心坐標的點位控制，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雜，對加工中心坐標定位、各環節的時序和邏輯關系、多方位的安全保護、可靠性等方面的要求很高。采用何種設計思路進行自動換頭功能的開發設計，保證自動換頭的安全性、換頭過程的穩定性、可靠性及易操作性，是加工中心控制的關鍵。加工中心自動換頭主程序流程如圖8所示。2.3.2 4/C軸的轉位控制附件頭主軸和4/C軸轉位分度的動力源都是機床主軸電動機，加工中心主軸的旋轉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，動作復雜，因此控制時要求各動作的時序必須準確無誤，否則換頭動作將無法順利完成,換頭后4/C軸分度轉位功能將無法正常使用，嚴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，設計時對自動換頭功能每一個動作的執行情況分別安裝了傳感器進行檢測，接收到傳感器的到位反饋信號，確認當前動作完成，才能執行下一個動作。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,在上模組內部裝有兩個加工中心主軸頭部狀態檢出接近開關，以確認加工中心主軸頭部當前的狀態。同時，在機床附件頭庫內部分別裝有檢測防塵蓋和附件頭是否在相應位置上的接近開關，與上模組內部開關組合使用，確定加工中心主軸頭部當前狀態及相關功能的開啟和關閉。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確、可靠,對附件頭庫開啟與關閉，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置了接近開關進行檢測。執行自動換頭指令時,根據幵關的發訊情況，檢測運動部件是否正常工作，判斷下一個動作是否執行。 [2]2.4.3軸信號及反饋在附件頭內部設有C軸原點與正負限位行程開關，用于C軸原點及超出行程的檢測和反饋，防止C軸轉位超出行程時對附件頭造成損壞。C軸轉位分度通過主軸末端的旋轉編碼器實現位置的閉環控制。4軸設有原點接近開關，并配有絕對旋轉編碼器,實現對4軸轉位分度的閉環控制及4軸的正負限位控制與反饋。自動換頭動作的時序如圖11所示。2.5安全保護附件頭裝載后，加工中心主軸的尺寸、姿態都發生了變化，各軸行程也相應隨之改變，控制上需要對加工中心各軸行程重新設定。根據附件頭的使用要求J軸和C軸分度轉速應當設定為3 r/min,且附件頭最高轉速應當限定在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功能是此類加工中心設計過程中不可缺少的一部分。2.5.1加工中心行程限定執行自動換頭指令后，加工中心首先需要沿X向移動并開出工作區域，到達附件頭庫所在區域進行換頭。這就要求將加工中心原Z向行程開關負限位信號屏蔽,同時擴大加工中心在Z向的軟限位，使得加工中心主軸可以到達附件頭庫位置,以便自動換頭動作順利進行。待換頭動作完成后，再將加工中心原Z向軟硬限位進行恢復。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軸負向軟硬限位也應隨之下移。2.5.2主軸限速附件頭主軸旋轉及4軸和C軸轉位分度均由機床主軸電動機驅動，而加工中心主軸的轉速范圍為0 ~4 000 r/min,附件頭的轉速范圍為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重新限速。根據附件頭的使用要求J軸和C軸分度轉速要求為3 r/min,當執行4軸或C軸分度指令時，加工中心主軸轉速也要加以限制。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禁止使用,否則冷卻液進入附件頭內部，會對其電氣元件及機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隨之開啟。3結語縱觀目前國內市場，配備4/C擺角分度頭的三坐標加工中心需求日益增大,僅提供普通的三坐標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成為現階段CNC加工中心發展的主流方向之一。本文對具有自動換頭功能加工中心的研發進行了系統性的闡述，總結出此類加工中心設計若干項關鍵技術。本文所述的設計思路可推廣到同類加工中心設計上，加工中心的成功研制擴展了國產高檔CNC加工中心的產品種類,為今后同類加工中心的研制打下堅實的基礎。海天精工是一家集銷售、應用及服務于一體的公司。產品包括：CNC加工中心、鉆攻中心、龍門加工中心、雕銑機、石墨機、五軸加工中心、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機床的生產工廠設在廣東省寧波市，目前其生產的加工中心70%出口，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心、盡力、盡意的服務！聲明：本站文章均來自網絡，所有內容不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任！