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高效高精立式加工中心設計技術(shù)

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高效高精立式加工中心設計技術(shù)

高效高精立式加工中心設計技術(shù)2006-9-7 11:32:07 【文章字體:大中小】 打印 收藏 關(guān)閉 隨著科學技術(shù)的發(fā)展和工藝水平的提高,以及先進刀具的使用,機床向著高速、高精、高效方向發(fā)展。特別是汽車業(yè)、船舶業(yè)、航空業(yè)、軍工業(yè)的迅猛發(fā)展,對機床的精度和生產(chǎn)率要求也越來越高。為了適應國內(nèi)市場的需要,滿足用戶對高速、高精及強力切削的需求,我們決定研制新一代立式加工中心,用以作為原有KT系列產(chǎn)品外的另一高端產(chǎn)品系列。 全新結(jié)構(gòu)和高性能的立式加工中心1000系列基型產(chǎn)品(圖1)是在分析國內(nèi)外立式加工中心主流產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)的基礎上,并結(jié)合我國市場的需求研制出來的,充分體現(xiàn)了數(shù)控機床的高速、高精、高品質(zhì)、高穩(wěn)定性技術(shù)發(fā)展方向,具有較高階性價比。圖11000系列立式加工中心外觀 1設計原則及主參數(shù)的確定 (1)設計原則 在速度和精度方面達到國際同類型同規(guī)格產(chǎn)品先進水平,同時兼顧強力切削,滿足用戶一機多用目的; 高剛性結(jié)構(gòu)設計,保證機床設計壽命長; 產(chǎn)品模塊化設計,降低設計成本,形成不同配置的系列產(chǎn)品; 高精度設計,滿足N級加工精度的需要; 高效率設計,滿足現(xiàn)代高生產(chǎn)率的要求; 注重環(huán)保o (2)主要技術(shù)參數(shù) 根據(jù)市場調(diào)研確定標準配置。工作臺面尺寸為500mm1200mm;X、Y、Z行程分別為l000mm、560mm、550mm;主軸功率18.5/22kW,主軸轉(zhuǎn)速15000/min,BT40刀柄;ATC(自動換刀裝置)換刀時間1.5s,最大刀具重量7kg,刀庫容量24把;X、Y、Z快移速度分別為48m/min、48m/min、36m/min;全閉環(huán)情況下定位精度0.008mm,重復定位精度0.004mm。 作為系列產(chǎn)品和選用配置,五軸聯(lián)動控制時,其工作臺面尺寸為500mm,X、Y、Z行程分別為500mm、500mm、415mm;主軸轉(zhuǎn)速12000r/min、20000r/min任選,刀柄可選擇HSKA63。2合理的總體布局設計 為保證機床結(jié)構(gòu)設計的合理性,對基礎件、傳動系統(tǒng)、主軸及整機都進行了有限元分析,找出設計的薄弱環(huán)節(jié)加以改進,對機床整體性能優(yōu)化和高剛性設計起到很好的指導作用。 在設計開發(fā)過程的初期,初步設計了外形尺寸和工作區(qū)范圍相同而結(jié)構(gòu)不同的4套方案,即定梁頂置滑枕式、定立柱十字工作臺式、橫梁滑座式和定立柱三坐標單元式等四種結(jié)構(gòu)。通過有限元剛度分析和加工誤差分析,得出方案l(即定梁頂置滑枕式)的剛度是最大的,且誤差分配也比較合理,所以實際設計中,選擇了第1種方案(圖2)o圖2機床布局結(jié)構(gòu) 按方案1的結(jié)構(gòu)進行了機床整機和部件的設計。并且根據(jù)設計圖對機床整機和部件進行了有限元分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)改進,避免了薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。與同類立式加工中心相比,這臺機床在各個方向的剛度都具有較大的優(yōu)勢,綜合當量剛度約提高40100以上,并且3個方向的剛度值較均勻。見表1。由計算結(jié)果可知,機床整機的整體性能優(yōu)良,機床靜態(tài)剛度顯著提高,可以滿足高速、高精、高效的要求。 這種布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:床身立柱分體,且主要構(gòu)件均呈箱形結(jié)構(gòu),加工時不易變形,加工工藝性好;結(jié)合面較大,基礎穩(wěn)固,主軸懸伸小,整體結(jié)構(gòu)剛度高;左右完全對稱式設計,主軸X向熱平衡較好;y向懸伸小,熱變形影響??;X、Y、Z軸移動部件輕,加速性好;構(gòu)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)固易于保證導軌運動精度,精度穩(wěn)定性好。 表1類似規(guī)格加工中心剛度計算值比較N/m機床名稱X向剛度 KxY向剛度Ky Z向剛度 Kz 三向綜合當量剛度 K 其它類似加工中心 A 46.646.853.748.7 B 32.350.095.945.2 C 20.437.259.129.7 D 32.365.1118.248.7 E 31.234.239.734.5 1000 59.764.992.968.73優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計主要通過計算、分析、選擇各結(jié)構(gòu)件和承載件合理的參數(shù),以保證機床的精度穩(wěn)定、運動平穩(wěn)和使用壽命長。 (1)保證機床精度穩(wěn)定 為保證機床的精度穩(wěn)定,床身、立柱、滑座、主軸箱等都采用有限元分析,應用高阻尼性能的優(yōu)質(zhì)鑄鐵制造,合理的截面設計和筋格布置,盡量避免行程中出現(xiàn)不合理的懸臂狀態(tài)。導軌采用高剛性滾柱導軌,安裝基面精密刮研。 1000系列機床打破常規(guī)機床結(jié)構(gòu)型式,床身采用三點支撐,高附性設計,使機床調(diào)整簡單,不依賴于地基,機床可不需特殊的地基直接安裝在水泥地坪上。床身用基于無彎矩的力流原理的特殊筋板設計保證其上構(gòu)件在運動過程中,負載重心和切削力作用點始終不離開三點支撐的范圍,并有足夠的支撐剛度,有利于保持精度的穩(wěn)定。 滑座采用頂置式結(jié)構(gòu),其特點為高剛性輕型設計,使運動單元靈活,適應高速要求?;亓⒅鶎к壸鱔向運動,加長導軌支撐長度,運動時滑座始終不離開導軌,直線度、定位精度、加工精度均易保證。工作臺只做單方向(Y向)移動,與十字工作臺結(jié)構(gòu)相比,移動部件輕,且承重大,設計承重大于800kg。另外工作臺沿導軌方向運動,結(jié)構(gòu)剛性好,運動精度高,避免了傳統(tǒng)機床工作臺移動到兩端后直線度降低或超差問題。扁長的主軸箱結(jié)構(gòu),使主軸重心盡量靠近導軌,主軸中心距導軌距離為295mm,比傳統(tǒng)機床減少2/5,這樣主軸懸伸小,受彎矩小,另外導軌安裝在主軸箱上,滑塊在滑座上,大大增強了Z向剛性,提高了加工精度和運動穩(wěn)定性,定位精度高。采用了寬度較大的滾柱導軌,中等預載荷消除了間隙和爬行,提高系統(tǒng)剛度和運動精度。 (2)提高高速運動的平穩(wěn)性 線性軸驅(qū)動采用伺服電動機帶動高速滾珠絲杠副,采取了預緊式單螺母形式,結(jié)構(gòu)緊湊。絲杠兩端采用軸向固定支撐并施加預拉伸,以提高傳動系統(tǒng)剛度,吸收絲杠發(fā)熱引起的熱伸長造成的誤差。絲杠與電動機問的聯(lián)軸器選用波紋管形式,傳動效率高、剛性好、傳遞扭矩大、扭轉(zhuǎn)剛度高,且自身轉(zhuǎn)動慣量小,適應高速性。適當增加座的長度以增加螺母座及絲杠軸承座與基礎件間結(jié)合面剛度,同時工藝上采取配副研技術(shù),使精度直接進入穩(wěn)定期,提高了耐沖擊能力。 采用高剛性電主軸,前軸承選用中預載的4列背對背高速角接觸陶瓷球軸承,軸承內(nèi)徑70mm,這種組合方式使軸承可同時承受徑向和軸向載荷,主軸動靜剛度高。3)關(guān)鍵部件的長壽命設計 為了減少沖擊,提高定位精度,控制系統(tǒng)設定了鐘型加減速功能和HRV功能,調(diào)整了影響動態(tài)性能的位置和速度增益。同時,設計中對一些影響精度和工作性能的關(guān)鍵部件采取了相應措施。如:主軸軸承用油氣潤滑,因部分油氣會進入到電動機定子與轉(zhuǎn)子之間,造成電動機被污染而影響使用性能和壽命。為了克服這一點,在電動機前后端均有低壓干燥清潔氣體吹人,局部形成輕微正壓,防止油氣進入,保證電動機性能穩(wěn)定,壽命長;為避免主軸前端有臟物進入軸承,也防止軸承油氣潤滑的廢油滲出到主軸端面上,主軸最前端加有壓縮氣流吹出,防止臟物進入和吹散廢油;由于五軸聯(lián)動的轉(zhuǎn)臺電動機直接工作于工作區(qū),為防止臟物進入,影響其壽命,轉(zhuǎn)臺上兩個電動機罩均設有低壓氣體吹氣。為了保證光柵長久保持精度,提高使用壽命,在光柵的讀數(shù)頭上也加有干燥清潔的空氣吹入。 4多種誤差控制和補償技術(shù) (1)控制熱變形和振動 為了保證高精度,采用了多種措施來減少機床的熱變形和振動。如主軸套筒和前后軸承座恒溫循環(huán)冷卻,油氣潤滑減少軸承發(fā)熱,后軸承使用圓柱滾子軸承,一旦發(fā)生熱變形,主軸就向后伸長,不會影響加工精度;大流量冷卻刀具和工件,減少切削熱產(chǎn)生;床身上兩個螺旋排屑器及時將切屑排出,避免切屑大量堆積引起床身熱變形;機床對稱結(jié)構(gòu)設計,平衡熱變形等;主軸具有中心內(nèi)冷卻功能,內(nèi)冷最大壓力為2.2MPa,可滿足進行高速切削、小孔加工和深孔加工時對排屑暢通、及時帶走加工熱量的要求。 為了使主軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn),降低噪聲,減小振動,對主軸采用兩次動平衡,一次是主軸與轉(zhuǎn)子熱裝后,第二次是所有回轉(zhuǎn)零件裝配好后且?guī)缀尉葯z驗完畢后。另外,在主軸前后位置設計有平衡環(huán)以備在線動平衡用。刀庫放在機床的左側(cè)面,用單獨地基,這樣在刀庫和機械手換刀時產(chǎn)生的振動和不平衡不會傳到主機上,消除了一部分外加載荷,使機床精度更穩(wěn)定。(2)提高空間位置精度的補償技術(shù) 為了在較高的運動速度下,提高機床的定位精度和加工精度,特別是定位精度,機床上安裝了精度為0.003mm的HEIDENHAIN封閉式絕對光柵尺,進行全閉環(huán)控制。但機床的定位精度只能評價機床在特定位置時的精度,如果遠離測量面進行加工時,加工的位置度會有較大誤差。而傳統(tǒng)的螺距補償只能對特定位置絲杠的螺距誤差進行補償,并不能全面降低整個加工面的位置度誤差。為了盡可能消除加工區(qū)域內(nèi)的位置度誤差,提高機床的加工精度,增加了空間誤差補償功能。通過大量的試驗采集數(shù)據(jù),計算出機床在各空間點的幾何誤差,并通過CNC系統(tǒng)給予實時補償。 圖3和圖4示出在X、Y二維平面上測出的位置誤差,由補償前的最大23m降至5m。 (3)Z軸熱補償技術(shù) 主軸在運轉(zhuǎn)過程中,電動機、軸承及其它運動部件會因摩擦、損耗等產(chǎn)生熱量。如果熱量不能及時散發(fā)和排出,則會嚴重影響機床精度。因此,對主軸電動機外套和軸承座外套用通過恒溫油的方式進行循環(huán)冷卻,使主軸運轉(zhuǎn)過程中絕大部分的熱量隨循環(huán)油帶出機體,以減小熱變形。但是,再完善的冷卻也仍然會有部分熱量因傳導速度快而不能及時排出,使主軸產(chǎn)生熱變形。為了進一步解決主軸這部分熱變形對精度的影響,對主軸2向熱變形用軟件補償?shù)霓k法進行了補償。補償數(shù)據(jù)是通過實驗獲得的。圖3補償前平面位置誤差圖4補償后平面位置誤差 為了使補償軟件更具有通用性,采用了變量編程,可針對不同的機床、不同的使用情況分別給這些變量賦值,便可生成最具有針對性、實用性的補償程序。圖5示出了采用熱補償后Z向的誤差由補償前的25.93m降至8.76m,約減小到1/3(試驗條件:主軸轉(zhuǎn)速7500r/min,每2min測量一次溫度和位移,溫度測點為前后軸承及環(huán)境溫度,位移測點為主軸軸端。溫升為后軸承沒有冷卻的情況下。)圖5補償前后溫度升與主軸伸長量之間關(guān)系曲線比較5全面高速化和高剛度 全面高速化包括具有較高的快移速度48m/min高的切削進給速度30m/min,最大0.9g的加速度;高的主軸轉(zhuǎn)速12000r/min20000r/min以及高的換刀速度1.5s。主軸電動機選用FANUC的Bi系列內(nèi)裝電動機,具有低速繞組和高速繞組。在低速繞組額定轉(zhuǎn)速在1500r/min以下時,恒扭矩達118Nm。轉(zhuǎn)速至4000r/min時,仍有36Nm44Nm的較大扭矩輸出。在高速繞組下即使轉(zhuǎn)速20000r/min時,也仍有8.8Nm11Nm的扭矩輸出。恒功率恒扭矩范圍寬,可實現(xiàn)低速大拉矩切削和高速加工。 機床的三點支撐結(jié)構(gòu),可便于根據(jù)生產(chǎn)線需要調(diào)整位置實現(xiàn)快速重組,縮短了機床安裝調(diào)試周期,節(jié)約了調(diào)整工時。全封閉防護罩確保高速、高效加工條件下工人操作安全。使用油水分離器,將冷卻液中油分離過濾掉,延長冷卻液的使用壽命,提高冷卻液使用效果,并且符合環(huán)保要求。 6結(jié)語 該產(chǎn)品研制成功后進行了全面性能實驗,經(jīng)驗證完全滿足設計要求,并且在結(jié)構(gòu)、動靜態(tài)剛度和精度方面表現(xiàn)出色。Z軸實測定位精度3.4m,重復定位精度小于1.7m;用端銑刀銑削鋁件,表面粗糙度Ra平均為0.04m,及Ramax為0.1m(數(shù)據(jù)均為新產(chǎn)品鑒定時現(xiàn)場實測值)。它標志著機床在主軸轉(zhuǎn)速、快移速度、位置精度等方面均達到了較高水準,并形成了新一代高性能立式加工中心系列,研究成果實現(xiàn)了商品化、系列化、模塊化。產(chǎn)品在整體結(jié)構(gòu)上采用的三點支撐高附性結(jié)構(gòu)設計和基于可靠性增長分析的部件及元器件設計,確保了機床高速、高精和高可靠性,在熱變形誤差補償和平面位置誤差補償方面具有獨特的技術(shù)等優(yōu)點。l000系列機床滿足了市場對高檔立式加工中心的需要,已進行小批生產(chǎn)和銷售。這充分說明從常用的功能設計進一步發(fā)展機床結(jié)構(gòu)的剛度設計、精度設計、高速化設計、補償技術(shù)、壽命設計和可靠性設計等現(xiàn)代機床先進設計技術(shù)的作用和必要性。

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