数控卧式铣镗床主动换头体系

  传统的数控刨台卧式铣镗床替换附件头需操作人员手动完结，功率较低，可靠性较差，且无法满意智能化、主动化的出产需求，开发一种大型数控刨台卧式铣镗床的立体主动换头组织，经过机电一体化、柔性化规划，大大进步了附件头替换功率及可靠性。

  因为数控刨台卧式铣镗床的主轴加工功用有限，因此需求多种附件头一起合作加工，完结多视点孔系、面的加工工序。传统的附件头设备费时、吃力，严重影响出产功率，尤其是频频运用附件进行切削加工时，附件头的拆装便成了其间一项无足轻重的工序。为处理附件头设备不便利、可靠性较差的问题，主动换头体系应运而生。主动换头体系是在主动化加工进程中寄存和替换附件头的一种设备，可大幅进步换头功率。主动换头头库在龙门式铣镗床中运用较为广泛，特别是在加工风电船只叶片、大型柴油机机体等零件时发挥着重要效果。现在，国内大型刨台数控卧式铣镗床的厂商出产的产品仍是手动替换附件头，国外的一些厂商选用的都是主动替换附件头，不只价格昂贵，并且占用的空间较大。比较数控落地式铣镗床、龙门式铣镗床，刨台式铣镗床空间布局有限，且无法经过移动机床主轴完结附件头的抓取，一起考虑到机床本钱，用户场所约束等要素，规划了一种新式的立体换头头库[1]。

  依据用户加工工件的全体需求、附件的数量以及工况的要求，规划了2种立体头库方式：分层伸出＋滑枕移动抓取、双层伸出＋滑枕移动抓取。2种计划特色见表1。

  经充分考虑用户场所布局、操作人员运用状况及总本钱预算等要素，挑选了双层伸出＋滑枕移动抓取方式。此立体头库共规划2个换头工位，为确保头库推出时的全体刚性，削减伸出挠曲，基层工位寄存直角铣头、全能铣头、延伸铣头平和旋盘等自重较大的附件，上层工位寄存主轴维护罩。为便利操作人员对刀调查等操作，将头库安放在操作区邻近，因为间隔切削区较近，因此需求较好的防护。规划电动卷帘门仇人库各部件进行有用维护，避免切削液及切屑仇人库部件产生危害及搅扰。

  考虑到设备空间、本钱及实践功用，头库支架伸出与缩回、支架的定位均选用液压驱动。其液压体系是由2个并联回路所组成，按体系的功用要求，每个回路均独自作业。附件头安放在双层移动支架上，由液压缸进行拖动，依照全体布局，支架移动行程1000mm，冲程为40mm，在起动时，液压缸推进支架快速移动，间隔行程极限200mm时，由调速阀操控使支架缓慢抵达指定方位。抵达指定方位后，液压插销刺进定位孔，感应式挨近开关宣布到位指令信号，滑枕伸出完结进一步换头动作。详细计划如图2所示。

  移动支架及附件头负载F＝5000N，移动支架驱动液压缸活塞液压P1＝700×104N/m2，定位插销驱动液压缸液压P2＝100×104N/m2，移动支架驱动液压缸横截面积A1＝F/P1，则缸径d1＝（4A1/π）1/2＝0.031m，按核算成果取移动支架驱动液压缸缸径d1＝40mm，活塞速度v1＝8mm/s。

  定位插销驱动液压缸缸径d2＝50mm，活塞速度v2＝20mm/s，并联油路的流速v3 ＝1.5m/s，吸油管的流速v4＝1m/s，管路长度l＝10m，油路部分缩短系数ξ1＝0.3，液压泵总功率η＝0.75。则液压泵流量Q＝k（Q1 ＋Q2）＝1.3×（A1v1＋A2v2）＝1.3×（πd12v1/4＋πd22v2/4）＝0.000064m3/s≈4L/min，其间k为体系走漏系数、Q1为移动支架驱动液压缸流量、Q2为定位插销驱动液压缸流量。

  液压体系的液压丢失包含各段管路的液压丢失、部分液压丢失和各元件液压丢失之和。因为液压缸的作业液压低于体系液压，故在油路中设置减压阀，为确保抵达换头指定方位时，液压缸移动进程中的平稳性，在油路中设置调速阀[2，3]。液压原理如图3所示。

  现在此台机床装备的液压泵为台湾油昇V38-A2R-10-X柱塞泵，作业液压为10MPa，电动机功率为11kW，流量55L/min，除掉主机部分的刀库、主轴松夹刀、变挡和作业台松夹紧外，余量彻底满意运用需求。

  为确保每一次滑枕抓取附件头的方位精确且进步头库的柔性化、主动化程度，进步主动替换的可靠性，需求精准的定位设备和柔性设备。当移动支架抵达指定方位时，液压油推进活塞杆在缸体内移动，运动行程为25mm，将其推进至定位套内，活塞杆选用鼻端倒角，定位套选用球面可调方式，支承座上规划灌胶孔及排气孔，定位套调整至活塞杆与定位套触摸杰出时，用高精度定位胶进行定位，活塞杆与定位套需求配磨，确保其触摸率≥90%，且因为活塞杆的频频运用，外表还需求渗碳淬火处理，定位设备如图4所示。当活塞杆抵达预订方位时，感应式开关会宣布到位信号，机床敞开吹气指令，此刻滑枕便可进行抓取。将附件头偿还至头库时，液压油推进活塞杆脱离定位套，当活塞杆抵达初始方位时，感应式开关宣布信号，移动支架便可缩回。

  为确保每次附件头替换时附件在移动支架上的方位精确，还需求对附件头在支架上的方位进行定位。当附件头偿还到头库时，经过支承杆与双定位销进行“三点”定位，一起感应开关宣布到位信号，附件头抵达指定方位。附件头在支架上装置时需经过双螺母及调整块进行调整，调整后将其锁紧，支架上定位设备如图5所示。

  图5的定位设备由2组定位销和支承杆组成，2组定位销约束了笛卡尔坐标系中的X、Z坐标的位移及旋转方向的自由度和Y 坐标的旋转方向的自由度，支承杆约束了Y 方向向下的自由度，定位销选用锥销自锁规划，能够削减每次拆开附件头对精度的影响[4]。

  立体头库是一个常用的机床部件，需求频频弹性，而导轨的刚性、精度、承载才能及运用寿数关于头库的作业质量至关重要。考虑到运用的工况、载荷、设备空间、移动支架伸出时全体的刚性，挑选GGB35 AB2P2×2000-4双滚柱直线导轨。这种导轨的额外动载荷、静载荷别离为Ca＝35.1kN、C0＝47.2kN，硬度系数fh＝1，温度系数ft＝1，触摸系数fc＝0.81，精度系数fa＝1，载荷系数fw＝1.2，移动支架自重G＝200kg，附件自重F＝400kg，P为当量动载荷Fmax ，额外寿数单位K＝100km，指数ε＝10/3，行程La＝1000mm，每小时往复次数n2＝2，力学简化模型如图6所示[5]。

  导轨副的寿数L＝（fhftfcfa/fw×Ca/P）εK＝33000km，按年作业日300d，两班作业制，每班8h，开机功率90%核算，则估计寿数年限Lh＝103L/（2La×n2）＞20年。

  按上述核算可知，两条导轨的安置已彻底满意寿数需求，但附件自重较大，移动支架在伸出时存在必定的挠曲变形，从选材的视点动身，为了避免零件的弹性变形失效，选用弹性模量比较高的低碳钢，全体焊接方式，以添加支架的截面积。依据胡克定律，应力与应变的联系σ＝P/A＝Eεe。支架移动到换头方位时，力学模型可视为是悬臂梁，则悬臂梁在P效果下的挠度δ＝4l 3P/Et4 。其间E为弹性模量，εe为弹性应变，σ为弹性应力，l为支架长度，t为型钢截面积[6]。

  为确保移动支架的全体强度一起削减变形，规划“三导轨”安置方式，在移动支架上方安置一条辅佐导轨。现对支架移动到行程极限时，支架的受力状况进行剖析。使用Solidworks Simulation进行强度剖析，成果如图7、图8所示。

  由位移变形图能够看出辅佐导轨不同滑块的安置对支架挠曲变形影响较小，但对支架的强度影响却较大，支架的应力单薄区首要坐落驱动液压缸处，能够对此区域选用加强筋处理，以进步强度。关于产生的位移变形，在头库地基灌浆调试好后，由数控体系依照实践数值调整换头点的坐标，以确保换头方位精确。

  为进一步完结立体头库的主动化、智能化水平，在机械结构、可靠性规划完结之后，还需求电气对其运动逻辑次序进行下一步规划。铣头按操控流程可分为铣头出库和铣头归库两个进程。主动抓取和偿还附件头的方位有必要精确，因此铣头在每一个运动进程中都需求有安全维护，动作到位指令，避免误操作产生磕碰，影响铣头的方位[7，8]。抓取附件头和偿还附件头逻辑次序别离如图9、图10所示。

  本文剖析了现在国内外大型数控刨台卧式铣床附件头替换的缺乏，依据用户需求开发了双层伸出式立体头库，特别适用于工程机械多平面、孔系的零件加工。可伸出式立体头库大幅缩短了加工预备和辅佐时刻，节约人工并进步了可靠性，明显进步了机床的主动化水平。现在该设备已交给用户，无故障运用时刻6000h，是国内首例自主研制的全新立体主动化头库，得到业界的共同好评。

  [1] 田立敏，王智刚. 数控龙门加工中心新式主动换头头库[J]. 金属加工（冷加工），2013（13）：36-38.

  [2] 沈阳榜首机床厂. 机床工人技能手册[M]. 沈阳：辽宁科学技能出版社，1989.

  [3] 王守城，容一鸣. 液压传动[M]. 北京：北京大学出版社，2006.

  [4] 周光万. 机械制造工艺学[M]. 成都：西南交通大学出版社，2010.

  [5] 机械规划手册编委会. 机械规划手册[M]. 3版. 北京：机械工业出版社，2004.

  [7] 李军，杨靖，李红，等. 大型数控机床主动替换功用附件头库的改善规划[J]. 机械规划，2018，35（S1）：247-250.

  [8] 俞竹青. 机电一体化体系规划[M]. 北京：电子工业出版社，1982.

  本文发表于《金属加工（冷加工）》2023年第3期第58~63页，作者：通用技能集团沈阳机床有限责任公司，姜昂，原标题：《数控卧式铣镗床主动换头体系》。