双主轴数控镗铣床系统设计

双主轴数控镗铣床系统设计

作者：林鹏李宁

来源：《科技创新导报》2011年第20期

摘要:本文所设计的数控双主轴数控镗铣机床为一体化设计,集成了机、电、液,机床采用了卧式60°倾斜床身导轨形式,具有结构紧凑、布局先进合理、排屑性能好、操作方便等优点,而且便于配置工业机器人,为全自动和无人化生产提供了方便。在机床的防护方面,采用全封闭的框架结构,达到了内外同时防护的设计目的,可以有效地对避免冷却液、油和铁屑进入机床内部。同时便于对机床的维护。

关键词:双主轴数控镗铣床

中图分类号:TG53 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(b)-0067-01

目前的机床设计,常采用单主轴设计,也有少数采用平行双主轴设计形式的,但在加工具有复杂结构的部件时,普通的单主轴数控机床在切削功能上就受到很大的限制,无法达到加工的要求,为了完成加工工作,不得不采用价格昂贵的大型加工中心。

基于以上情况,设计开发一种双主轴数控机床就变得尤为迫切。为了达到提高加工效率、降低机床成本的目的,在本文的设计中采用了同轴双套主轴结构。

1 机床性能特点

本数控镗铣机床采用三轴控制的卧式结构,当左侧主轴完成加工后,右侧主轴会自动夹持已完成加工的部件,这样机床就可以对零件未加工的部位进行镗铣加工,从而大大提高了加工的效率。本机床适用于航天航空,化工,汽车等行业零件的加工。本机床可以加工盘类零件和轴类零件,并可以根据要求对这类零件进行各种端面、曲面及螺纹的车削加工。实现了对零件加工的一次夹持多工序加工,使得一套机床具有多种功能,使之成为高效高速的数控镗铣机床。

本机床的数控系统采用德国S主EMENS 840D数控系统,左主轴和右主轴分别采用

13/18kW的交流主轴伺服电机和10.1/13kW的1PH2型内置式交流电主轴,左主轴电机通过皮带将动力传递到主轴上,右主轴由电主轴直接驱动主轴。在右主轴上安装扮杠螺母,使其可以在纵向上作可编程运动,从而可实现更多可能的加工方案。先进的1FK型交流伺服电机控制X、

Z1、Z2车的进给。机床纵横两个方向的导轨均采用THK/SHS30C 2级精度的直线滚动导轨。

2 机床的关键技术

本机床功能齐全,布局合理紧凑,排屑方便,三防效果好各功能部件布局紧凑合理,外观造型宜人。机床操纵台采用旋转式结构,操作简单、安全。机床在设计制造中攻克了以下几个关键技术。

2.1 电主轴

在机床的设计工作中,需要用到电主轴时,一般可以通过两种途径来获得电主轴:一种是由数控控制系统厂商提供电主轴的主要零部件,如电主轴的定子、转子等,其他零部件由机床生产厂家自行设计制造。二是直接购买电主轴成品,这种方法,不仅成本高,而且因规格有限,外形和安装尺寸难以满足机床要求。本机床采用第一种方案,电主轴(右主轴箱)自行开发设计,这样不仅可以使成本大为降低,同时还能满足机床的整体布局要求。因机床数控系统采用S主EMENS 840D,因此具体结构采用德国1PH2型电主轴,将其与主轴箱、主轴等零件组装在一起。通过转子与主轴的过盈配合,使动力直接作用在主轴上。在电主轴设计和制造过程中,需要解决两个技术难题,一是电主轴的动平衡问题,二是电主轴的发热问题。

由力学原理可知,当电主轴运转过程中,其微小的不平衡量,都产生很大的离心力,造成机床的振动,使得加工精度和表面质量受到严重的影响。对电动主轴进行严格的动平衡变得十分必要。主轴及其部件的加工、装配和调校工作都得十分精密,这样才能使主轴组件动平衡精度达到0.3级以上的水平。在设计电主轴时,要采取必要的措施,来保证主轴的动平衡,我们设计了一个平衡环,在平衡环上对称地加工出15～23mm的螺纹孔,当电主轴组装完毕后,依据动平衡测试结果,在一定方位上,转动平衡螺钟,并调整其深度,知道达到平衡精度,达到平衡精度后,利用氧化树脂将其固定。在采取必要措施的同时,还必须严格遵守结构对称性原则,机床主轴与电动机转子之间扭矩的传递要通过过盈配合来实现,按照过盈量来计算所传递的扭矩,其值有时高达

0.07～0.11mm。

在电主轴的内部装由电动机,这就使得电动机的散热成为一项亟待解决的难题,因电动机与主轴装在一起,电动机所散发的热量会直接影响轴承的工作精度,如果这个问题解决的不好,会降低机床的可靠性。为了解决这一问题,本机床设计了一套外循环水冷冷却系统。我们将带螺旋槽的冷却套套在主电动机定子的外,当机床工作时,在螺旋槽中连续流动冷却水会将主轴电机所产生的热量及时、迅速地带走。通过计算主电动机的发热量,确定冷却水的流量。经过分析计算,本机床选用制冷量为3kW的制冷机。主轴在高速运转过程中也会产生热量,处理不好同样会影响加工精度,由于本机床设计的最高转速为3500r/min,主轴的发热量并不是很大,因此记过测算,只要采用脂润滑方式即能满足使用要求,而不需要采用成本高的油雾润滑的冷却措施。

2.2 右主轴同轴度

为了使本机床能够加工盘、套类零件,本机床采用了左右主轴同轴对置,并且右主轴可在移动过程中完成工件的交换。一般来说,工件的交换都是在主轴的运转的情况下进行的,由于工件的交换是在主轴运转的情况下进行,这就要求右主轴的同轴度及转速具有很高的精度。同轴度允差≤0.005mm。为解决转速同步问题,设计时分别在左右主轴上安装了分辨率为2048线的增量式编码器来反馈主轴的速度,于此同时,我们还设计开发了一套同步主轴功能和同步控制程序。经过验证,机床转速在2500rpm以下可完全实现同步。为了提高同轴度,我们分别在右主轴箱体的A、B面上增加镶条结构,装配过程以左主轴为基准,分别通过调整右主轴上的镶条1,镶条2来调整A、B面,从而达到左右主轴的同轴要求。转速同步100％。

3 结语

本双主轴数控镗铣床经过测试和实际应用,表明其性能可靠,安全稳定,可以满足用户的需要,并得到了用户的好评。通过应用本机床产品,介绍了部件的周转时间,提高了加工效率。该机床的研发成功不仅填补了国内空白,而且为企业提高了经济效益,具有很强的市场竞争力。

参考文献

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[2] 刘茂祥．我国风电设备制造技术现状及发展建议[J]．水利水电快报,2006(6).