国外龙门加工中心的结构特点及先进性能

      根据工厂实际生产和产品开发的需要，大连机车车辆厂决定引进一台高水平的龙门加工中心用于加工柴油机机体。为此，我们曾多次与德国、法国、日本及西班牙等国家的十几个龙门加工中心制造商进行了广泛深入的技术交流，充分了解当代高水平龙门加工中心的结构特点及先进性能，从十几个生产厂家中挑选出性能价格比高的机床作为设备选型的候选对象，并综述如下，借同行参考。

    1 工作台

    龙门加工中心的工作台基本上是长方形的。工作台、床身、立柱、横梁和滑枕等大铸件采用米汉纳铸铁，铸件内腔系蜂巢式复合排列结构，设计先进，均经时效及二次回火处理，消除残留内应力使材质稳定，确保工件加工精度的稳定及机床寿命。

    工作台的类型

    工作台是装卸工件的地方。由于柴油机机体重量约为6t，需要用吊车装卸，装卸时间较长。为了减少辅助时间，采用双工作台。工作台分为串联工作台和交换工作台两种类型。串联的两个工作台既可以自动结合用于加工较大、较长的工件，又可以自动分离用其中的一个工作台进行加工，用另一个工作台进行工件的装卸和调整，以提高机床的实际使用效率。这种类型的工作台的优点是承载量大、结构简单、价格低，缺点是占地面积大。交换工作台一般采用托盘交换方式，承载量小、结构复杂、价格高、占地面积小。

    导轨型式

    导轨用于承受工作台和工件的负载及引导工作台做直线运动，分为静压导轨和滚动导轨两种形式。静压导轨采用液压方式，其优点是摩擦系数极小，无粘结滑移现象；导轨面局部的凹凸不影响移动精度；非接触引导无轨面磨损；移动时无噪音；受温度变化的影响较小；有吸收共振的功能；刚性较好。其缺点是需要有气压或油压供应；轨面需耐蚀。为了在大承载量的时候进行高精度加工，采用相对载荷变化油膜厚度不变的定压比阀式的静压导轨，并采用高效、高精度进给的静压蜗杆齿条传动。滚动导轨分为滚柱导轨和滚珠导轨，直线滚柱导轨比滚珠导轨刚度高，阻尼性能也更好。滚动导轨的滚动体采用德INA公司的产品，由该公司将滚动体预装在支架里，每个支架可以接受135kN的动载荷或305kN的静载荷。龙门加工中心制造商在安装滚动导轨时，根据工作台的结构和被加工的工件，在600mm～1000mm的范围内调整滚动体支架的间距，而无需用户调整和维护。

    2 龙门

    龙门由一个横梁和两个立柱构成。分为横梁固定、横梁靠定位块锁定分段升降和横梁任意升降三种类型。横梁固定型结构机床刚性好，但不适合加工高大的工件，因为在加工靠近工作台面的工件部位时，滑枕伸出长度过大，加工刚性较差，影响加工尺寸精度；横梁靠定位块锁定分段升降型结构机床刚性较好，但横梁升降运动不能与滑枕上下移动联动，且操作较复杂；横梁任意升降型结构横梁升降运动可以与滑枕上下移动联动，加工范围较广，适合新产品开发。立柱和横梁的横截面为矩形，刚性好，可耐重切削并长期保持高精度。主轴箱在横梁上的导轨有自重平衡装置，其动作灵活、迅速且准确。由于主轴箱左右移动时，横梁升降用滚珠丝杠所受负载有变动，使精度降低，所以采用配置在横梁左右两侧的油缸来平衡主轴箱左右移动造成的变动负载和横梁本身的自重，以提高机床的精度。

    3 滑枕

    滑枕从结构上可分为开式和闭式两种型式。开式结构的滑枕通过压板夹紧在主轴箱上，滑枕的截面积大；闭式结构的滑枕被夹紧在主轴箱内，滑枕的截面积小。主轴箱内有液压平衡装置，使滑枕上下移动灵活，可实现强力重切削。主轴滑枕内部采用强制内冷却，即使作长时间连续重切削，也可保持高精度。滑枕的行程以满足工件侧面下部的加工要求为宜，不宜太长，以免影响加工时的机床刚度。自动更换附件头装置采用大直径的鼠齿盘和强力液压夹紧机构，动作简单，附件头可进行重切削，主轴的分度简单准确。当鼠齿盘齿数为72时，主轴的最小分度为5o;当鼠齿盘齿数为144时，主轴的最小分度为2.5o。主轴可进行空转，定心、换刀很方便。滑枕采用一体型的结构，以提高机床的刚性。

    4 刀库

    刀库的基本型式有转塔型、轮鼓型和链长型三种。转塔型刀库的刀具储存在一个转塔上，通过主轴旋转选刀，没有换刀臂，刀具数量有限，一般仅用于小型机床；轮鼓型刀库的刀具储存在一个圆型轮鼓的圆周上，通过轮鼓旋转选刀，使用较普遍；链条型刀库的刀具储存在类似链条的环节上，通过链轮驱动选刀，刀库外形变化较多，可适用于大、中、小型机床。大型龙门加工中心多采用立式链条型刀库。刀库配置在立柱的侧面，利用具有双夹持器的走行机械手自动进行垂直主轴和水平主轴的刀具交换，以减少刀具交换的非加工时间。ATC(自动换刀具)装置采用固定地址自由选择换刀，即使工件发生更换，也不必每次更换刀库中的刀具，程序的编制和修改容易。ATC装置的结构紧凑，不需要太大的占地面积。

    5 附件头库

    大型复杂零件的加工通常需要很多附件头。附件头根据工件的加工要求进行特殊设计，一般分为直角头、加长头、特殊角度头及万能头等。附件头库可以容纳很多附件头，附件头的更换方式分为半自动和自动两种型式。半自型的附件头旋转在带滑轮的小车上，由操作工沿着轨道将其推到一个固定位置上，再通过机械手更换；自动型可以自动交换附件头，减轻工人的劳动强度，提高机床的自动化水平。

    6 数控系统

    数控系统一般采用德国SIEMENS公司的SINUMERIK840C和840D或日本FANUC公司的15、16系列，数控轴采用全闭环控制。进给系统采用大扭矩低惯量的交流伺服电机，通过大导程的精密滚珠丝杠实现快速进给。机床进给的最高分辨率可达0.001mm/pulse,为了保证高精度机床的反馈检测的高分辨率，作为控制系统反馈检测元件的脉冲编码器，也从每转2万脉冲增至每转10万脉冲。测量系统一般采用德国HEIDENHAIN公司的密封线性测量系统和旋转编码器。控制轴由X轴(工作台纵向移动)、Y轴(主轴箱横向移动)、Z轴(主轴滑枕上下移动)和W轴(横梁升降)构成。控制轴采用精密滚珠丝杠和预载双螺母传动，无间隙，动作灵活，可长期保持高精度。

    ISO标准 VDI标准 NMTBA标准 JIS标准

    目标点数 2米以内：5点/m,大于2米点数增加 与轴向长度有关，至少5点 未规定，但举例中为20点 与长度有关，1米以内：1点/50mm;以后：1点/100mm

    每点测量次数 每个方向至少5次 每个方向每米10次 至少7次 定位精度每个方向测1次，重复定位精度测7次

    单向/双向趋近 建议采用双向 建议采用双向 建议采向单向 建议采用双向

    定位精度 不考虑位置和运动方向，取X+3∑和X-3∑极限值之间的最大差值 与ISO标准相类似，用“定位不精确度”表示 与ISO标准相类似，用“精度”表示 与另三者中的任一个都不同，取任意实际位置和目标位置之间测出的最大变化量

    重复定位精度 取各目标位置上的最大离散值 与ISO标准相类似 与ISO标准相类似 与另三者中的任一个都不同，取目标位置的最大离散值的一半再加上±

    7 精度

    机床的精度是指机床在未受外载荷的条件下的原始精度。精度通常用它的反面—与理想状态之间的偏差(简称误差)来表示，误差越小，则精度越高。一般来说，精度是指一台机床的刀尖到达程序所设定的目标的能力。当判断一台数控机床的精度高低时，首先必须确定其采用哪种精度检验标准。目前主要有四种精度检验标准，即国际标准(ISO)、德国通则(VDI/DGQ3441)、美国机床制造者协会(现更名为美国制造技术协会)标准(NMTBA)和日本工业标准(JIS)。日本机床制造商往往采用JIS标准，美国机床制造商通常采用NMTBA标准，欧洲特别是德国机床制造商常参照VDI/DGQ3441通则，目前只有较少的机床制造商采用ISO标准。同一台机床，根据JIS标准得出的精度大大高于根据其他三种标准得出的精度。上述四种标准主要区别于①目标点数；②移动次数；③移动是单向(从同一方向)趋近还是双向(从两个方向)趋近；④最重要的是如何计算精度和其他术语值。详见附表。

    8 结语

    综上所述，一般地说，日本制造的龙门加工中心与欧美特别是德国制造的龙门加工中心相比，有一定的差距。日本的机床精度、刚度比德国的低，使用寿命比德国的短，主轴电机功率也比德国的小，但日本的机床占地面积比德国的小，机床价格也比德国的低。