介绍了一种铳头可自动交换的桥式高速龙门五轴加工中心的总体设计方案，对现 在国内外存在的功能相似的机床的性能指标一一作出对比，其中，主要描述了机床的机械 结构、性能和主要零部件的设计和选择，对三个直线轴驱动的方法、两个摆动轴驱动方法 和数控操作系统的的设计选择逐一作岀分析和讨论，其中主要展示了强推力直线电机的使 用和双摆铳头自动交换技术的使用；为强推力直线电机的使用以及快速龙门机床的设计研 究给出了重要的理论依据和实践经验。本发明提供一种大型龙门五轴加工中心，包括工作 台、左桥梁、右桥梁以及在左右横梁上移动的横梁，其X, Y向采用直线电机直接驱动， 滑板内部放置平衡油缸。Z向双电机重心驱动滑枕。自制AC双摆头，根据加工需求实现A 轴可自动交换。两桥梁分置两套刀库，容纳32把刀具。头库放置在工作台后面，可方便 的实现A轴摆头的自动交换。系统悬挂安装在机床前方右桥梁上。本发明使用直线电机驱 动，运行平稳，性能稳定，适用于航空，航天，汽车等模具的精密加工关键词：龙门五轴加工中心；铳头；自动交换；直线电机；高速加工AbstractAn overall design proposal for High -Speed Gantry -Type 5 -Axis Machining Center with milling head exchangeable is introduced and a detailed comparison in performance is made with the similar existing machine at home and abroad, in which mechanical structure characteristics as well as designing and choosing of key components are expounded.And further analysis and discussion are made in the drive type of three liner axis two rotary axis as well as the designing and choosing of CNC operating system.Especially the application of high thrust linear motor and automatic -exchangeable technology of double rotary milling head are focused on, which provides important theoretical basis and practical experience for the application of high thrust linear motordesign and research of highspeed gantry-type machine.The present invention provides a large gantry five axis machining center, including the workbench, Bridges, bridge right and left in the beam and around the X，Y to adopt linear motor direct drive, skateboard internal placed balance cylinder. Z focus to the two motor drives the ram. Homemade AC double pendulum head, according to the processing requirements to achieve A shaft can be automatic switching. Two sets of knife library, two Bridges division to hold 32 knife. Head library placed behind the workbench, easy to the realization of A shaft head automatic switching. Suspension system is installed on the machine right in front of the bridge. The present invention USES linear motor drive, smooth operation, stable performance and is suitable for the aviation, aerospace, automobile mold and precision machiningKeywords: Gantry-type5-axismachiningcenter； High-speed machining摘要IAbstractII绪论11铳头自动交换技术简介11本课题主要工作22铳头自动交换原理32铳头自动交换高速龙门加工中心简介32.2 A轴自动交换原理53铳头自动交换系统设计63电、液、气快换63.2定位夹紧及扭矩传递73.3自锁拉钉的选用83.3.1拉钉工作原理93.3.2拉钉自锁条件103.4 A轴编码器选用123.4.1基于西门子840D系统编码器类型选择及参数设置123.4.2基于海徳汉iTNC530系统编码器类型选择及参数设置143.5交换状态监控153.5.1流量计简介163.5.2监控原理174机床的总体方案设计184机床总体机械结构布局形式184.2机床设计及分析方法185机床的主要性能指标及对比196关键部件的设计及选择216直线轴进给驱动的设计及选择216.1.1 X、Y轴驱动的设计及选型216.1.2Z轴驱动的设计及选型216.2摆动轴驱动的设计及选择21结论23致谢24参考文献25GMC2550U快速龙门的五轴加工中心主要使用于汽车产业的工业中模具牛产和航天航空 产业的复杂零件生产，是航天、航空、模具制造，机动车制造业等产业先进科学技术领域 的重要加工设备。其中研究的数控机床的重点针对生产加工难度相对较大的航天透明体模 具设计的，此机床可以满足对透明体注射成形模具粗加工、精加工的要求，确保加工准确 度和加工表面高质量的技术要求。1铳头自动交换技术简介参考论文“双摆头自动交换技术研究”、“高速精密五轴坐标数控加工中心结构设计及性 能研究、“自动交换主轴铳头的三高数控加工机床”、“国外龙门加工中心的结构特点及先 进性能五轴坐标数控加工中心与五面加工中心常常被混淆，但事实上它们却是截然不同 的东西，这俩个加工中心都是能在一次装夹后完成除装夹面之外；另外那些面的加工内 容，但对于五轴坐标数控加工中心，准确的说应该称它为五坐标坐标数控加工中心，机床 的五个坐标轴能够实现联动，然后就可以满足空间中的曲面和任何轮廓的加工，可以让工 件在一次装夹后加工工序大量的完成，确保零件的精确度；此外，加工工艺的快速发展， 航空领域的加工工艺要求的特别严谨，如航天航空领域所说的“薄壁掏空”工艺，其中针 对五轴坐标数控加工中心提出多轴联动的同时，机床轴的高转速也是要求之一，所以在五 轴坐标数控加工中心上还采用了例如高速主轴、高速控制系统、先进刀具技术等，使其成 为一种多方面高技术集成的产品。双摆头为五轴坐标数控加工中心的主要功能部件，此应用能够满足复杂曲面、复杂型 腔及特殊工序的加工，使工件在每一次装卡后，能够完成所以工序或大部分工序，大大地 提升了加工效率和准确度，并拥有可自动交换功能的双摆头，从而使从粗到细的加工能够 在一台机床上完成，发展了机床的应用范围，提高了机床的效率和提高了机床的使用价 值。龙门加工中心铳头自动交换技术存在机电液耦合技术、交换状态监测、铳头夹紧牢靠 性低等技术难题。针对这些难题采用电、液、气快插快换结构、液压夹紧自锁机构、液压 流量监测诸多的解决方案，实现铳头自动交换的可靠性与安全性。A1.1本课题主要工作本课题主要对双摆头自动交换系统的结构进行了设计，包括交换结合处的机电液耦合 及快插快换、交换过程中的自锁拉钉选用、交换状态液压流量监控等均进行了相关研究及 应用。最终设计了安全可靠的双摆头自动交换系统，并取得了良好的应用效果。2铳头自动交换原理2.1铁头自动交换高速龙门加工中心简介该设备满足于航空和汽车工业中的模具制造、原型制造、大型钢模和铸铁模具的制造 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领域的关键加 工装备。其主要工作性能指标如下：1、工作台面：5000X2500inni2、X/Y/Z 行程：5000X2500X1400mni, A/C 轴转角范围：110 /3603、A/C轴双摆铢头：主轴可自动交换4、主轴转速：高速主轴24000rpm,低速主轴9000rpm5、主轴扭矩：72Nm （高速）,303 Nm （低速）6、X/Y/Z 定位精度:0. 018/0. 018/0. 013inm, A/C 轴定位精度:10”7、X/Y/Z重复定位精度：0. 009/0. 009/0. 007imn, A/C轴重复定位精度：5”8、X/Y/Z 快进速度：50/50/30m/min, A/C 轴快进速度：60r/min9、系统：SIEMENS 840D/HEIDEHAIN ITNC530机床整体结构如图2. 1所示，图中第7部分即为可自动交换A轴及主轴的A/C轴双摆头，第8部分为供交换过程中用于放置主轴头的头库装置。图2.1机床整体结构示意图序号说明1工作台2左桥梁3右桥梁4横梁5滑板6滑枕7AC双摆头8头库9左刀库10右刀库2.2A轴自动交换原理A/C轴双摆角铳头是中、大规格五轴联动加工中心的核心功能部件，常用于加工具 有复杂曲面的大型精密零部件。为了有效保证待加工工件的加工精度，避免因二次装夹等 因素引起的加工误差，通常需要在一台加工中心上完成从粗加工到精加工的全部工序，即 现在的机床设计中倡导的Done in one理念”，这样的加工背景需要A/C轴双摆角铳头应 当具有A轴自动交换功能。如图2.2所示，A/C轴自动交换接口包括16对液压快接插 头、4对电气快接插头、4对拉钉、2个定位销以及1对齿盘，一共5种对接元件。在A 轴自动交换时，必须遵循这样一套原理:C轴首先将欲换下的A轴放到铳头库的相应位置 上并松开，然后滑枕带动C轴上移并移动到即将换取的A轴正上方，此时，必须保证C 轴与A轴所有的对接元件在对接之前的位置一一对应，不允许有错位的现象发生，否则 会损坏对接元件;在定位准确之后，滑枕带动C轴缓慢下移开始抓取A轴，在抓取A轴 时，C轴与A轴交换接口中对接行程长的元件先对接，对接行程短的元件后对接；当C 轴完成抓取A轴时，所有的对接元件同时完成对接。C轴完成抓取A轴后，滑枕带动双 摆角铳头上移脱离铳头库，此时，完成了 A轴自动交换的全部过程。1-上齿盘；2-液压快接公插头；3-电冗快接母插头；4-拉钉堪片； 5拉钉；6定位销孔；7下齿盘;8液压快接母插头；9拉钉端 盖；10、11 一定位销；12电气快接公插头。图2 .2A/C轴双摆头自动交换接口