【豆丁-免费】-》五轴联动数控机床的设计

2010年4月第38卷第8期

机床与液压

MACHINETOOL&HYDRAULICS

Apr12010

Vol138No18

DOI:10.3969/j1issn11001-3881120101081003

五轴联动数控机床的设计

张惠敏

(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061)

摘要:介绍已研制成功的具有自主知识产权与多项专利技术的XTK138/5五轴联动数控机床的总体设计,A、C联动回转轴设计,传动系统设计及数控系统设计。该机床已投入生产,其运行状况良好,加工精度和加工效率达到同类进口机床的水平。

关键词:五轴联动数控机床;A、C联动回转轴;电主轴;滚珠丝杠;控制系统中图分类号:TG547　　文献标识码:B　　文章编号:1001-3881(2010)8-008-3

DesignofFive2axisNCMachineTool

ZHANGHuimin

(CollegeofElectromechanicalEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,QingdaoShandong266061,)

Abstract:XTK138/5five2axisNCmachinetoolhasself2ownedintellectualpropertypatents.Theoveralldesignofthismachinetool,thedesignofACaxis,thedesignofthedriven.Themachinetoolwasusedinmanufactureandtheoperatingconditionwasgood,themachiningpthemachiningleveloftheimpor2tedmachinetool.

Keywords:Five2axisNCmachinetool;axis;pBallscrew;Controlsystem

　　20世纪60年代,一些发达国家开始研制五轴数控机床。五轴数控机床集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工于一体,可高效、准确完成复杂曲面的加工,特别是在加工叶轮、叶片、船用螺旋桨及大型柴油机曲轴等方面具有独特的优势。由于五轴技术难度较大,国际上通常把五轴联动数控技术作为衡量一个国家生产设备自动化水平的重要标志。长期以来,西方发达国家一直把五轴联动数控技术作为重要的战略物资控制出口,发展中国家在研发和引进两方面都碰到了很大的阻力,因而研究五轴联动数控技术对提高国家的综合国力意义深远。

为打破国外的技术封锁,实现“十一五”规划的发展目标,某公司研制了具有自主知识产权与多项专利技术的XTK138/5五轴联动数控机床。作者着重介绍该机床的结构特点、加工性能以及使用情况,为促进我国五轴联动数控机床技术进步和快速发展抛砖引玉。

1　机床总体设计

111　整体结构

XTK138/5五轴数控机床主要用于小型高精度复

杂零件的加工。该机床为单立柱悬臂式,整体结构紧凑,占地面积小,主要由床身5、十字滑台4、滑枕2、立柱1、AC联动铣头3、自动供油系统6、冷却系统7和数控系统8等组成。整体结构如图1所示。安装在床身上面的十字滑台带动工作台沿X、Y轴两个方向运动,安装在立柱上的滑枕带动A、C轴联动铣头沿Z轴方向运动,铣刀绕X、Z轴摆动和旋转,从而形成了3

个直线轴和两个回转轴的五轴运动系统。

图1　XTK138/5五轴数控机床总图

沿3个直线轴的运动分别由3个伺服电机通过滚珠丝杠完成。绕两个回转轴的运动分别由两个伺服电机通过可消隙的蜗轮蜗杆装置完成。X、Y向导轨采用直线滚动导轨,刚性好、摩擦系数小、运动灵敏度高;Z向采用矩形贴塑导轨,承载能力强,精度高。采用自动供油方式,定时润滑机床的摩擦面。进给电机均设有过载、过热电器保护功能。

三向进给机构设

收稿日期:2009-04-28

作者简介:张惠敏(1954—),女,教授,研究方向为机械工程及自动化。电话:0532-88890622,E-mail:zhanghuimin2

qust@1631com。

第8期张惠敏

:五轴联动数控机床的设计

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有限位控制装置,机床工作安全可靠。

112　主要技术参数

工作台尺寸(长×宽)为725mm×485mm;强力电永磁吸盘尺寸(长×宽×高)为680mm×300mm×100mm;工作台纵向行程(X轴)600mm;工作台横向行程(Y轴)400mm;滑枕垂直行程(Z轴)300mm;回转轴回转角度(A轴)360°;摆动轴摆动角度(C轴)±90°;最小摆动半径150mm;电主轴功率212kW;电主轴转数1000～24000r/mim。伺服电机转矩:X轴6N m;Y轴6N m;Z轴11N m;A轴6N m;C轴6N m。工作台最大承重600kg;机床总重415t;机床外形尺寸为2008mm×1600mm×2480mm。2　A、C

联动回转轴设计

加工非常灵活,尤其是用球面铣刀加工曲面时,可使

球面铣刀避开顶点切削,保证有一定的线速度,从而提高表面加工质量。具体结构如图2所示,C轴传动系统安装在基座上面,通过一穿过基座的传动轴与A轴摆动头相连,A轴传动系统安装在基座下面。整个装置各传动副和支承零部件安装空间大,A轴与C轴传动轴的直径不受其限制,因此铣头的整体刚度大,

[2]

工作平稳,抗冲击性强。

另外,A、C轴联动铣头的传动环节少,并且设计了蜗轮蜗杆消隙装置,有效地消除了回转轴的轴向和径向间隙,从而保证了回转精度和承载能力,并可在传动零件出现磨损时调整间隙,延长传动副使用寿[3]

命。A、C轴联动铣头的定位精度为01003°,重复定位精度为01005°。蜗轮蜗杆消隙装置结构如图3所示,蜗杆由多段蜗杆套组成,各段蜗杆套之间安装有弹性元件,,使

从而保证了传动精度。

图3　蜗轮蜗杆消隙装置

3　传动系统设计

311　主传动系统的设计

主传动系统是五轴联动数控机床关键件之一。对于五轴联动数控机床常常需要用小直径铣刀加工复杂曲面,因此主传动系统必须具有很高的转速,才能完成高精度加工。主电机—皮带转动—齿轮变速的传统传动方式已经远远不能满足五轴高精度、高效率加工的要求。因而XTK138/五轴联动数控机床采用了具有高速切削能力的电主轴传动。电主轴是交流伺服电动机直接驱动的集成化结构,电动机转子与主轴连为一体,直接驱动主轴旋转,取消了齿轮变速机构,简化了主传动结构,消除了机械传动产生的振动噪声,最重要的是电主轴具有高效率、高精度的加工功能,可满足五轴数控机床的要求。

电主轴工作转速为1000～24000r/min。如此高的转速在工作中势必产生大量的热量。这些热量将通过主轴传到轴承上去,最终影响轴承的寿命,并且会使主轴产生热伸长,影响加工精度。为了改善电主轴的散热状况,设计了冷却水循环系统,冷却水从进水口进入定子水槽,进行循环冷却后,从出水口排除。为加强冷却效果,保持电主轴的温度恒定,冷却系统设有调温制冷功能。

[4-5]

图2　AC轴联动铣头

五轴数控机床的3个直线运动轴和两个回转运动轴联动使铣刀始终垂直于工件曲面,从而实现复杂曲面的高精度加工。五轴数控机床有立式与卧式两种类型。立式数控机床的5个运动轴为X、Y、Z3个直线轴和A、C两个回转轴。卧式数控机床的5个运动轴为X、Y、Z3个直线轴和A、B两个回转轴。由于卧式机床的主轴在径向有自重力,轴承高速运转时径向受力不均,因而主轴转速不宜过高,一般限制在2000r/min以下。而立式机床主轴不存在自身重力

[1]

影响,最高转速可达到40000r/min。对于模具复杂曲面的加工常用小直径铣刀,而小直径铣刀必须有很高的转速才能达到高精度要求。因而该机床采用立式结构。立式结构的两个回转轴是A、C轴。该机床将A、C回转轴设置在主轴上。铣头绕Z轴旋转360°,形成C轴,绕X轴旋转±90°形成A轴。这样的结构形式工作台上无旋转轴,因此工作台承受力大,工作台的尺寸也可设计得大些,更重要的是主轴

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根据经验,转速在1500r/min以下的电主轴轴

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承,dn值一般小于110×10mm r/min采用脂润滑。< …… 此处隐藏：3602字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……