高速龙门五轴加工中心设计

2550高速龙门五轴加工中心主要院用于汽车工业中的模具制造以及航空航天工业中的复杂零件加工,是航空、航天、模具和机车等高科技颂域的关键加工装备。所研究的机床主要针对加工难度更大的航空透明体模具设计的,该机床能满足对透明体注射成形模具粗、精加工的要求,确保加工精度和表面质量的要求。

1 机床的总体方案设计

1.1机床总体机械结构布局形式

如图1所示。2550加工中心采用龙门框架结构,工作台和左右桥梁固定,横梁、滑板和滑枕在直线电机的驱动下在两桥梁上前后移动做X向运动，滑板和滑枕通过直线电机动在横梁上左右移动做Y向运动，滑枕通过滚珠丝杠副驱动在滑板中上下移动做Z向运动:4/C轴双摆铣头绕Z轴转动(+360)为C轴.4/C轴双摆铣头统X轴摆动(+110)*作为A轴:A/C轴双摆铣头采购的是某公司的可换铣头形式的产品,轴部分固定在滑枕内,可以通过头库来选择两个不同的A轴铣头,以便满足粗加工和精加工的要求,整个交换过程自动化。

X轴的4条重载导轨分两组分别布置在左右桥梁上，直线电机初级与横梁相连接,次级布在每组导轨的中间位置,如图2所示。2轴采用滚珠丝杠副双驱结构,提高机床可靠性及精度稳定性。各轴采用光栅尺全闭环控制,确保机床的定位精度及精度的稳定。4、C轴与X、Y、Z3个直线轴五轴联动就可加工出复杂的空间曲面。该机床的结构布局适合大型航空透明体模具高速加工中的需要,更适合于大型飞机复杂结构件高速加工中的需要。

1.左桥梁 2.横梁 3.滑板 4.工作台 5.头库 6.双摆头 7.滑枕 8.右桥梁

1.2 机床设计及分析方法

机床采用先进的动态设计方法进行设计，考虑到产品的系列化,主要部件均采用模块化设计理念,用PROE软件进行三维设计,用ADAMS 软件对机床(尤其是A/C轴双摆头)进行适动模拟计算，用ANSYS 软件对机床整体和关键基础大件进行有限元分析和优化设计,使整台机床刚性高、振动小、运动部件质量小，从而可以改善动态性能和快移速度;整机设计重视工作区城的优化设计符合人体工程学,如图3所示。

图2 X轴直线电机的布置示意图

图3 整机的一阶模态示意图

通过对关键基础大件结构设计、机械加工、整机装配精度工艺保证方法的研究,整机刚度特性测试与分析,以及动力学特性对加工精度性能的影响规律的研究和机床智能化技术的研究,包括热变形及温度补偿技术、自适应加工技术，五轴变换功能中RTCP(Rolation Tool Cenln Puint 旋转刀具中心编程)自动补偿技术的研究,保证机床的精度。

2 机床的主要性能指标及对比

2550铣头可自动交换的高速龙门五轴加工中心产品与德国 ZimmemmannF38和法国Foresl-lineTH系列高速龙门五轴加工中心进行主要技术指标及性能参数对比,如表1所示。

表1主要技术指标及性能参数对比

3 关键部件的设计及选择

3.1 直线轴进给驱动的设计及选择

3.1.1X、Y轴驱动的设计及选型

X、Y轴采用西门子直线电机驱动，由于2550型机床X/轴的移动质量非常大,所以均选用推力*大的1FN3-900型号的直线电机。

IFN3电机是永磁同步直线电机,特点是功率大,超负载能力强,具有模块冷却功能,此电机是以内装式电机构件的形式提供的,如图4所示"。它由初级部构芯和次级部构芯构成,根据精密度要求的不同，电机可以配精密冷却器或次级部构芯冷却器，初级部构芯有固定尺寸;而次级部构芯包含了各种不同的构芯半体，这些构芯半体可以被组合起来产生一个所需要的移动轨道通过几个电机并联工作,驱动力可以扩展的远远超出标准范围，机床的X轴是横梁加上滑板滑枕框架移动，整个框架重达18t,项目选用瑞士某公司的MR65型号重载滚柱导轨和MRB6S型号的滑块,滚动导轨副的摩擦系数小,非常适合龙门框架移动的动静刚度要求。导轨的滑块选用加长加宽型,每个滑块的额定静态承载量C可达到295000N，额定动态承载量G可达到530000NP。考虑到安全系数,每根导轨安装4个滑块。y轴是滑板和滑枕组合体移动,重量达到8t,同样选用瑞士某公司的MR65型号重载滚柱导轨和MRB65型号的滑块,每根导轨安装3个滑块。每根导轨上均安装有防止机床高速共振的阻尼块和用来紧急制动的液压箝制器(日本产品)。

图4 SIEMENS直线电机结构示意图

3.1.2 Z轴驱动的设计及选型

Z轴采用了滚珠丝杠副双驱结构,提高了机床可靠性及精度稳定性，双驱动电机位于滑枕两侧，呈对称排布，电机选用SIEMENS的1FK7型号电机,与SHUTON丝杠通过KTR联轴器直联;同时,在滑枕上左右各配置一个液压缸,利用双液压缸平衡部分滑枕滑板以及双摆头的重力(70-80)96,以保证Z轴的动态性能。2轴驱动重量是滑枕和双摆头的重量之和,重约6.51,选用瑞士某公司的MR65型号重载滚柱导轨和MRD65型号的滑块、每根导轨安装3个滑块。

3.2 摆动轴驱动的设计及选择

A/C轴双摆铣头是本项目最关键的零部件之一,双摆头绕Z轴转动+360°为C轴,绕X轴摆动(+110)°作为A轴;A/C轴双摆铣头的A.C轴均为力矩电机驱动。

两个可交换的铣头分别选用德国某公司的G30系列重型铣头,其中低速重切时选用:功率42kW,转数7000mmin,*大扭矩400Nm,刀柄系统为HSKI00A的铣头;高速时选用:功率34kW转数24000rmin,*大扭矩72Nm,刀柄系统为HSK63A的铣头。两个铣头备有头库装置,如图5所示。

图5 铣头头库

摆头的A轴部分可以通过拉紧机构CyTeb和快速接头CyFit的组合应用进行自动交换,快速接头CyFit是某公司的一种非常可靠的精确的气路、油路快速对接系统,它结构紧凑,同时在高流速的情况下具备低阻抗的优点，保证了最小的压力损失;拉紧机构CyTeb具备方位偏差补偿功能,它允许对接件更大范围的误差和不准确,甚至不需要其他螺纹连接或导向装置。结构如图6 所示。

图6快速换头机构示意图

3.3 数控系统的设计及选择

根据高速龙门五轴加工中心的设计需要选用SINUMERIK 840D 数控系统。

SINUMERIK840D是某公司20世纪90年代推出的高性能数控系统。它保持某公司前两代系统SINUMERIK880和840C的三CPU结构:人机通信CPU(MMC-CPU)数字控制CPU(NC-CPU)和可编程逻辑控制器CPU(PLC-CPU)。3部分在功能上既相互分工,又互为支持。相对于前几代系统,SINUMERIK840D具有以下几个特点.:

(1)数字化驱动:(2)轴控规模大*多可以配31个轴,其中可配10个主轴:(3)具备五轴联动功能:(4)操作系统视窗化,采用Windows95作为操作平台,使操作简单、灵活,易掌握:(5)软件内容丰高功能强大:(6)具有远程诊断功能:(7)保护功能健全:(8)硬件高度集成化:(9)模块化设计:(10)内装大容量的PC系统:(11)是一个基于PC的数控系统。