高效高精立式加工中心设计技术

    随着科学技术的发展和工艺水平的提高，以及先进刀具的使用，机床向着高速、高精、高效方向发展。特别是汽车业、船舶业、航空业、军工业的迅猛发展，对机床的精度和生产率要求也越来越高。为了适应国内市场的需要，满足用户对高速、高精及强力切削的需求，我们决定研制新一代立式加工中心，用以作为原有KT系列产品外的另一高端产品系列。

    全新结构和高性能的立式加工中心μ1000系列基型产品(图1)是在分析国内外立式加工中心主流产品规格参数的基础上，并结合我国市场的需求研制出来的，充分体现了数控机床的高速、高精、高品质、高稳定性技术发展方向，具有较高阶性价比。

图1μ1000系列立式加工中心外观

    1 设计原则及主参数的确定

    (1)设计原则

    ①在速度和精度方面达到国际同类型同规格产品先进水平，同时兼顾强力切削，满足用户一机多用目的；

    ②高刚性结构设计，保证机床设计寿命长；

    ③产品模块化设计，降低设计成本，形成不同配置的系列产品；

    ④高精度设计，满足N级加工精度的需要；
    
    ⑤高效率设计，满足现代高生产率的要求；

    ⑥注重环保o

    (2)主要技术参数

    根据市场调研确定标准配置。工作台面尺寸为500mm×1200mm；X、Y、Z行程分别为l000mm、560mm、550mm；主轴功率18.5/22kW，主轴转速15000/min，BT40刀柄；ATC(自动换刀装置)换刀时间1.5s，最大刀具重量7kg，刀库容量24把；X、Y、Z快移速度分别为48m/min、48m/min、36m/min；全闭环情况下定位精度≤0.008mm，重复定位精度≤0.004mm。

    作为系列产品和选用配置，五轴联动控制时，其工作台面尺寸为500mm，X、Y、Z行程分别为500mm、500mm、415mm；主轴转速12000r/min、20000 r/min任选，刀柄可选择HSKA63。

    2 合理的总体布局设计

    为保证机床结构设计的合理性，对基础件、传动系统、主轴及整机都进行了有限元分析，找出设计的薄弱环节加以改进，对机床整体性能优化和高刚性设计起到很好的指导作用。

    在设计开发过程的初期，初步设计了外形尺寸和工作区范围相同而结构不同的4套方案，即定梁顶置滑枕式、定立柱十字工作台式、横梁滑座式和定立柱三坐标单元式等四种结构。通过有限元刚度分析和加工误差分析，得出方案l(即定梁顶置滑枕式)的刚度是最大的，且误差分配也比较合理，所以实际设计中，选择了第1种方案(图2)o

图2 机床布局结构

    按方案1的结构进行了机床整机和部件的设计。并且根据设计图对机床整机和部件进行了有限元分析和结构参数改进，避免了薄弱环节的出现。与同类立式加工中心相比，这台机床在各个方向的刚度都具有较大的优势，综合当量刚度约提高40％—100％以上，并且3个方向的刚度值较均匀。见表1。由计算结果可知，机床整机的整体性能优良，机床静态刚度显著提高，可以满足高速、高精、高效的要求。

    这种布局结构的优点是：床身立柱分体，且主要构件均呈箱形结构，加工时不易变形，加工工艺性好；结合面较大，基础稳固，主轴悬伸小，整体结构刚度高；左右完全对称式设计，主轴X向热平衡较好；y向悬伸小，热变形影响小；X、Y、Z轴移动部件轻，加速性好；构件结构稳固易于保证导轨运动精度，精度稳定性好。

    表1 类似规格加工中心刚度计算值比较 N/μm

机床名称 

X向刚度   Kx

Y向刚度 Ky 

Z向刚度 Kz

三向综合当量刚度      K         

其它类似加工中心      

  A

46.6

46.8

53.7

48.7

  B

32.3

50.0

95.9

45.2

  C

20.4

37.2

59.1

29.7

  D

32.3

65.1

118.2

48.7

  E

31.2

34.2

39.7

34.5

     μ1000

59.7

64.9

92.9

68.7

    3 优化结构设计

    优化结构设计主要通过计算、分析、选择各结构件和承载件合理的参数，以保证机床的精度稳定、运动平稳和使用寿命长。

    (1)保证机床精度稳定

    为保证机床的精度稳定，床身、立柱、滑座、主轴箱等都采用有限元分析，应用高阻尼性能的优质铸铁制造，合理的截面设计和筋格布置，尽量避免行程中出现不合理的悬臂状态。导轨采用高刚性滚柱导轨，安装基面精密刮研。
   
    μ1000系列机床打破常规机床结构型式，床身采用三点支撑，高附性设计，使机床调整简单，不依赖于地基，机床可不需特殊的地基直接安装在水泥地坪上。床身用基于无弯矩的力流原理的特殊筋板设计保证其上构件在运动过程中，负载重心和切削力作用点始终不离开三点支撑的范围，并有足够的支撑刚度，有利于保持精度的稳定。

    滑座采用顶置式结构，其特点为高刚性轻型设计，使运动单元灵活，适应高速要求。滑座沿立柱导轨作X向运动，加长导轨支撑长度，运动时滑座始终不离开导轨，直线度、定位精度、加工精度均易保证。工作台只做单方向(Y向)移动，与十字工作台结构相比，移动部件轻，且承重大，设计承重大于800kg。另外工作台沿导轨方向运动，结构刚性好，运动精度高，避免了传统机床工作台移动到两端后直线度降低或超差问题。扁长的主轴箱结构，使主轴重心尽量靠近导轨，主轴中心距导轨距离为295mm，比传统机床减少2/5，这样主轴悬伸小，受弯矩小，另外导轨安装在主轴箱上，滑块在滑座上，大大增强了Z向刚性，提高了加工精度和运动稳定性，定位精度高。采用了宽度较大的滚柱导轨，中等预载荷消除了间隙和爬行，提高系统刚度和运动精度。

    (2)提高高速运动的平稳性

    线性轴驱动采用伺服电动机带动高速滚珠丝杠副，采取了预紧式单螺母形式，结构紧凑。丝杠两端采用轴向固定支撑并施加预拉伸，以提高传动系统刚度，吸收丝杠发热引起的热伸长造成的误差。丝杠与电动机问的联轴器选用波纹管形式，传动效率高、刚性好、传递扭矩大、扭转刚度高，且自身转动惯量小，适应高速性。适当增加座的长度以增加螺母座及丝杠轴承座与基础件间结合面刚度，同时工艺上采取配副研技术，使精度直接进入稳定期，提高了耐冲击能力。

    采用高刚性电主轴，前轴承选用中预载的4列背对背高速角接触陶瓷球轴承，轴承内径70mm，这种组合方式使轴承可同时承受径向和轴向载荷，主轴动静刚度高。

    (3)关键部件的长寿命设计

    为了减少冲击，提高定位精度，控制系统设定了钟型加减速功能和HRV功能，调整了影响动态性能的位置和速度增益。同时，设计中对一些影响精度和工作性能的关键部件采取了相应措施。如：主轴轴承用油气润滑，因部分油气会进入到电动机定子与转子之间，造成电动机被污染而影响使用性能和寿命。为了克服这一点，在电动机前后端均有低压干燥清洁气体吹人，局部形成轻微正压，防止油气进入，保证电动机性能稳定，寿命长；为避免主轴前端有脏物进入轴承，也防止轴承油气润滑的废油渗出到主轴端面上，主轴最前端加有压缩气流吹出，防止脏物进入和吹散废油；由于五轴联动的转台电动机直接工作于工作区，为防止脏物进入，影响其寿命，转台上两个电动机罩均设有低压气体吹气。为了保证光栅长久保持精度，提高使用寿命，在光栅的读数头上也加有干燥清洁的空气吹入。

    4 多种误差控制和补偿技术

    (1)控制热变形和振动

    为了保证高精度，采用了多种措施来减少机床的热变形和振动。如主轴套筒和前后轴承座恒温循环冷却，油气润滑减少轴承发热，后轴承使用圆柱滚子轴承，一旦发生热变形，主轴就向后伸长，不会影响加工精度；大流量冷却刀具和工件，减少切削热产生；床身上两个螺旋排屑器及时将切屑排出，避免切屑大量堆积引起床身热变形；机床对称结构设计，平衡热变形等；主轴具有中心内冷却功能，内冷最大压力为2.2MPa，可满足进行高速切削、小孔加工和深孔加工时对排屑畅通、及时带走加工热量的要求。

    为了使主轴运转平稳，降低噪声，减小振动，对主轴采用两次动平衡，一次是主轴与转子热装后，第二次是所有回转零件装配好后且几何精度检验完毕后。另外，在主轴前后位置设计有平衡环以备在线动平衡用。刀库放在机床的左侧面，用单独地基，这样在刀库和机械手换刀时产生的振动和不平衡不会传到主机上，消除了一部分外加载荷，使机床精度更稳定。

    (2)提高空间位置精度的补偿技术

    为了在较高的运动速度下，提高机床的定位精度和加工精度，特别是定位精度，机床上安装了精度为0.003mm的HEIDENHAIN封闭式绝对光栅尺，进行全闭环控制。但机床的定位精度只能评价机床在特定位置时的精度，如果远离测量面进行加工时，加工的位置度会有较大误差。而传统的螺距补偿只能对特定位置丝杠的螺距误差进行补偿，并不能全面降低整个加工面的位置度误差。为了尽可能消除加工区域内的位置度误差，提高机床的加工精度，增加了空间误差补偿功能。通过大量的试验采集数据，计算出机床在各空间点的几何误差，并通过CNC系统给予实时补偿。
    图3和图4示出在X、Y二维平面上测出的位置误差，由补偿前的最大23μm降至5μm。

    (3)Z轴热补偿技术

    主轴在运转过程中，电动机、轴承及其它运动部件会因摩擦、损耗等产生热量。如果热量不能及时散发和排出，则会严重影响机床精度。因此，对主轴电动机外套和轴承座外套用通过恒温油的方式进行循环冷却，使主轴运转过程中绝大部分的热量随循环油带出机体，以减小热变形。但是，再完善的冷却也仍然会有部分热量因传导速度快而不能及时排出，使主轴产生热变形。为了进一步解决主轴这部分热变形对精度的影响，对主轴2向热变形用软件补偿的办法进行了补偿。补偿数据是通过实验获得的。

图3 补偿前平面位置误差  

 图4 补偿后平面位置误差 

    为了使补偿软件更具有通用性，采用了变量编程，可针对不同的机床、不同的使用情况分别给这些变量赋值，便可生成最具有针对性、实用性的补偿程序。图5示出了采用热补偿后Z向的误差由补偿前的25.93μm降至8.76μm，约减小到1/3(试验条件：主轴转速7500r/min，每2min测量一次温度和位移，温度测点为前后轴承及环境温度，位移测点为主轴轴端。温升为后轴承没有冷却的情况下。)

图5 补偿前后温度升与主轴伸长量之间关系曲线比较

    5 全面高速化和高刚度

    全面高速化包括具有较高的快移速度48m/min高的切削进给速度30m/min，最大0.9g的加速度；高的主轴转速12000r/min—20000r/min以及高的换刀速度1.5s。主轴电动机选用FANUC的 α Bi系列内装电动机，具有低速绕组和高速绕组。在低速绕组额定转速在1500r/min以下时，恒扭矩达118Nm。转速至4000r/min时，仍有36Nm—44Nm的较大扭矩输出。在高速绕组下即使转速20000r/min时，也仍有8.8Nm—11Nm的扭矩输出。恒功率恒扭矩范围宽，可实现低速大拉矩切削和高速加工。

    机床的三点支撑结构，可便于根据生产线需要调整位置实现快速重组，缩短了机床安装调试周期，节约了调整工时。全封闭防护罩确保高速、高效加工条件下工人操作安全。使用油水分离器，将冷却液中油分离过滤掉，延长冷却液的使用寿命，提高冷却液使用效果，并且符合环保要求。

    6 结语
   
    该产品研制成功后进行了全面性能实验，经验证完全满足设计要求，并且在结构、动静态刚度和精度方面表现出色。Z轴实测定位精度3.4μm，重复定位精度小于1.7μm；用端铣刀铣削铝件，表面粗糙度Ra平均为0.04μm，及Ramax为0.1μm(数据均为新产品鉴定时现场实测值)。它标志着机床在主轴转速、快移速度、位置精度等方面均达到了较高水准，并形成了新一代高性能立式加工中心系列，研究成果实现了商品化、系列化、模块化。产品在整体结构上采用的三点支撑高附性结构设计和基于可靠性增长分析的部件及元器件设计，确保了机床高速、高精和高可靠性，在热变形误差补偿和平面位置误差补偿方面具有独特的技术等优点。μl000系列机床满足了市场对高档立式加工中心的需要，已进行小批生产和销售。这充分说明从常用的功能设计进一步发展机床结构的刚度设计、精度设计、高速化设计、补偿技术、寿命设计和可靠性设计等现代机床先进设计技术的作用和必要性。