三坐标CNC龙门加工中心自动换头关键技术研究


伯特利数控 加工中心  钻攻中心  

 前言:

 

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 三坐标CNC龙门加工中心具有加工范围广、切削力大等特点,适用于大型工件的多工序加工,目前在航空、航天、兵器、船舶、冶金等行业得到日益广泛的应用。普通龙门加工中心通常配置立式铣头,适合外形简单工件上面及侧面多工序的粗、精加工。如果工件外形复杂,侧面或斜面上还有待加工的孔,普通龙门加工中心通过一次装夹无法完成这些工序。在实际生产过程中,这类工件往往外形大、质量重,二次装夹费时费力,而二次装夹往往又对工件最终的加工精度产生极其重要的影响。所以如何通过一次装夹完成工件的所有特征加工就显得尤为重要。配置多种附件铣削头(以下简称附件头)的三坐标CNC龙门加工中心为此类难题提供了便捷的解决途径。

多种附件头的配置避免了工件二次装夹导致加工精度降低的问题,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围,使加工中心的使用价值得到很大的提升。按照交换方式和分度方式的不同,附件头可分为自动交换自动分度单/双轴铣削头、自动交换手动分度单/双轴铣削头、手动交换自动分度单/双轴铣削头和手动交换手动分度单/双轴铣削头4种类型。各种类型附件头的优缺点见表1。

在加工中心实际设计过程中,选用何种类型的附件头主要基于加工工件的工艺特点及加工中心的成本预算来综合考虑。国外大型CNC龙门加工中心普遍配置自动交换附件头库,加工中心可更换多种类型的附件头以满足各种不同的加工需求。随着国内CNC加工中心挡次的不断提升和自动交换附件头所需关键零部件性能的日趋完善,配备多种全自动交换附件头功能的加工中心逐渐成为主流发展趋势。

表1附件头类型比较

换头方式

分度方式

特征

优缺点

手动

手动

附件头结构简单,无需设计换头机构

成本最低,加工效率受换头频率及分度频率的双重影响,效率最低

手动

自动

附件头结构相对较复杂,无需设计换头机构

成本较低,加工效率仅受换头频率影响,效率较低

自动

手动

附件头结构简单,但需设计换头机构

成本较高,加工效率仅受分度频率影响,效率较高

自动

自动

附件头结构相对较复杂,需设计换头机构

成本最高,加工效率不受换头频率及分度频率的影响,效率最高


 


 


1加工中心概况

G3 3060 M三坐标CNC龙门加工中心是用于加工材料为铸钢、铸铁、钢锻件、铝等的模具和加工中心夹具的专用设备。设备具有镗孔、钻孔、铰孔、攻丝、粗精铣削加工等多种加工功能。设备整体为定工作台-动龙门框架式结构,主要由床身工作台、立柱、横梁、滑板、滑枕及附件头库等几大部件组成。其整体外形如图1所示。

为了满足模具和加工中心夹具多面及复杂型面加工的工艺特点,设备配置了可自动交换的4/C摆角分度头。其最大扭矩500最高转速2 000 r/min,自动换头,自动分度。4轴摆动范围为 ±110。,2.5。一分,C轴摆动范围为-90。

2自动换头关键技术

2.1硬件接口设计

附件头一般安装在加工中心滑枕前端面,并需满足附件头不使用时加工中心原主轴的正常工作。G3 3060 M机床配置高刚性大扭矩机械主轴,主轴箱由精密齿轮传动,两级机械变速,分别满足加工中心高速和大负载切削加工需求。主轴额定功率30 kW,额定扭矩880 N m,最高转速4 000 r/min由于主轴转速高、扭矩大,除一些外形复杂,使用普通的三坐标无法加工的工件都用其加工完成。附件头仅作为一些难加工型面、孔的辅助加工手段,使用频率较低。G3 3060 M加工中心滑枕主轴如图3所示。

加工中心更换附件头后,如何实现附件头与加工中心在机械、液压、气动、电气功能上的快速连通是该类加工中心设 计的重点和难点。加工中心的自动换头功能通过在滑枕前端加装上模组的方式实现,其外形如图4所示。硬件连通的实现思路为:将上模组固定在加工中心滑枕前端面上,附件头的液压、气动管路、电气线路通过滑枕进入上模组内部,上模组内部设置沿圆周均匀分布的32瓣拉爪机构(以下简称32瓣爪),实现对附件头的抓取。

32瓣爪在油压力作用下拉紧附件头时,位于上模组与附件头结合面上的快插接头瞬间接通,

实现附件头与加工中心主体在液压功能上的连通。上模组与附件头电3G33060M^L^气控制信号的传递是通过外部的信号接近传感器实现的。最后主轴拉刀机构拉紧附件头末端的假刀柄,从而实现附件头内部传动机构与机床主轴传动机构的连通,如图5所示。

2.2附件头库设计

通常加工中心在不使用附件头时,上模组前端面配有防尘盖,如图6所示,防止切屑、切削液和灰尘等进入上模组内部。当加工中心需要更换附件头时,首先应当移去防尘盖,并将其存放在某一固定的位置上方便下一次抓取。加工中心附件头也应当预先放置在一个预设的位置上,方便32瓣拉爪机构抓取。为此专门设计了一个专用的附件头库,来存放防尘盖和附件头。

G3 3060 M加工中心的附件头库放置在床身工作台后端,不占用工作台有效工作面积。其内部装有防尘盖支架及附件头支架,外部为附件头库外罩并配有可沿Z向开启/关闭的头库门,如图7所示。加工中心更换附件头的动作顺序为:首先在气缸作用下将附件头库门沿加工中心Z(前后)方向打开,随后将加工中心主轴在ZF方向精确定位,确保加工中心主轴轴线与防尘盖支架轴线重合。加工中心主轴沿Z(上下方向快速下降150 mm,然后继续沿Z方向匀速下降15 mm,此时防尘盖支架上的4支锥销导入防尘盖锥销孔内。上模组32瓣爪释放防尘盖,加工中心主轴沿Z方向再上升15 mm,保证防尘盖与上模组完全分离。主轴沿Z方向继续上升150 mm,然后将加工中心主轴在XF方向精确定位,确保加工中心主轴轴线与附件头刀柄轴线重合。加工中心主轴沿Z(上下方向快速下降150 mm,然后继续沿Z方向匀速下降15 mm,加工中心主轴定向停,主轴端键置入附件头末端假刀柄键槽中。上模组32瓣爪执行夹紧动作,加工中心主轴夹刀。加工中心主轴沿Z方向上升15 mm,保证附件头与附件头支架的4支锥销完全分离。主轴沿Z方向继续上升150 mm,加工中心主轴移出换头位置,头库门关闭。加工中心更换防尘盖的动作顺序与更换附件头的动作顺序相反。

2.3控制功能设计

2.3.1自动换头功能的开发设计

加工中心自动换头过程由加工中心坐标的点位控制,上模组32瓣爪及附件头库动作共同配合完成。因此,加工中心自动换头过程控制要求复杂,对加工中心坐标定位、各环节的时序和逻辑关系、多方位的安全保护、可靠性等方面的要求很高。采用何种设计思路进行自动换头功能的开发设计,保证自动换头的安全性、换头过程的稳定性、可靠性及易操作性,是加工中心控制的关键。加工中心自动换头主程序流程如图8所示。

2.3.2 4/C轴的转位控制

附件头主轴和4/C轴转位分度的动力源都是机床主轴电动机,加工中心主轴的旋转编码器既作为主轴本身的位置反馈,附件头装载后,也作为附件头主轴及C轴的位置反馈。C轴分度时,需要将主轴换至低档,再将主轴切换到定位模式,完成C轴分度。4轴分度除需识别加工中心外部4轴绝对旋转编码器之外,其它过程与C轴相同。C轴回零程序流程图如图9所示,C轴分度程序流程图如图10所示。

2.4完善的反馈及检测功能

由于自动换头过程包含的功能较多,动作复杂,因此控制时要求各动作的时序必须准确无误,否则换头动作将无法顺利完成,换头后4/C轴分度转位功能将无法正常使用,严重时甚至还会造成加工中心主轴的损坏。基于加工中心自身控制要求及安全性综合考虑,设计时对自动换头功能每一个动作的执行情况分别安装了传感器进行检测,接收到传感器的到位反馈信号,确认当前动作完成,才能执行下一个动作。

2.4.1附件头的识别

加工中心主轴的端头状态有3种,分别为:①防尘盖装载。②附件头装载。③防尘盖和附件头均无装载。因此,在上模组内部装有两个加工中心主轴头部状态检出接近开关,以确认加工中心主轴头部当前的状态。同时,在机床附件头库内部分别装有检测防尘盖和附件头是否在相应位置上的接近开关,与上模组内部开关组合使用,确定加工中心主轴头部当前状态及相关功能的开启和关闭。若防尘盖及附件头均无装载,加工中心无法正常工作,显示报警信息。

2.4.2到位检测

为确保换头过程中每一个动作准确、可靠,对附件头库开启与关闭,32瓣爪夹紧与松开,C轴夹紧与松开和4轴夹紧与松开动作是否到位分别设置了接近开关进行检测。执行自动换头指令时,根据幵关的发讯情况,检测运动部件是否正常工作,判断下一个动作是否执行。 [2]

2.4.3轴信号及反馈

在附件头内部设有C轴原点与正负限位行程开关,用于C轴原点及超出行程的检测和反馈,防止C轴转位超出行程时对附件头造成损坏。C轴转位分度通过主轴末端的旋转编码器实现位置的闭环控制。4轴设有原点接近开关,并配有绝对旋转编码器,实现对4轴转位分度的闭环控制及4轴的正负限位控制与反馈。自动换头动作的时序如图11所示。

2.5安全保护

附件头装载后,加工中心主轴的尺寸、姿态都发生了变化,各轴行程也相应随之改变,控制上需要对加工中心各轴行程重新设定。根据附件头的使用要求J轴和C轴分度转速应当设定为3 r/min,且附件头最高转速应当限定在2 000 r/min以下。另外,附件头装载后,加工中心原主轴水冷功能将被禁止使用,附件头主轴水冷功能随之开启。因此,合理及完备的加工中心安全保护功能是此类加工中心设计过程中不可缺少的一部分。

2.5.1加工中心行程限定

执行自动换头指令后,加工中心首先需要沿X向移动并开出工作区域,到达附件头库所在区域进行换头。这就要求将加工中心原Z向行程开关负限位信号屏蔽,同时扩大加工中心在Z向的软限位,使得加工中心主轴可以到达附件头库位置,以便自动换头动作顺利进行。待换头动作完成后,再将加工中心原Z向软硬限位进行恢复。此外,附件头加载后,加工中心主轴端面沿Z向下移611 mm(如图12所),加工中心Z轴负向软硬限位也应随之下移。

2.5.2主轴限速

附件头主轴旋转及4轴和C轴转位分度均由机床主轴电动机驱动,而加工中心主轴的转速范围为0 ~4 000 r/min,附件头的转速范围为0?2 000 r/min,因此附件头装载后,需要对加工中心主轴电动机重新限速。根据附件头的使用要求J轴和C轴分度转速要求为3 r/min,当执行4轴或C轴分度指令时,加工中心主轴转速也要加以限制。

2.5.3限制加工中心部分功能

附件头装载后,加工中心原主轴水冷功能应禁止使用,否则冷却液进入附件头内部,会对其电气元件及机械传动部件造成损坏。使用附件头加工工件时,附件头主轴水冷功能也应随之开启。

3结语

纵观目前国内市场,配备4/C摆角分度头的三坐标加工中心需求日益增大,仅提供普通的三坐标加工中心已不能满足市场需求,具有自动换头功能的加工中心已经成为现阶段CNC加工中心发展的主流方向之一。本文对具有自动换头功能加工中心的研发进行了系统性的阐述,总结出此类加工中心设计若干项关键技术。本文所述的设计思路可推广到同类加工中心设计上,加工中心的成功研制扩展了国产高档CNC加工中心的产品种类,为今后同类加工中心的研制打下坚实的基础。



 

 

 

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