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高效高精立式加工中心設(shè)計技術(shù) 2006-9-7 11:32:07 【文章字體：大中小】 打印 收藏 關(guān)閉 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工藝水平的提高，以及先進刀具的使用，機床向著高速、高精、高效方向發(fā)展。特別是汽車業(yè)、船舶業(yè)、航空業(yè)、軍工業(yè)的迅猛發(fā)展，對機床的精度和生產(chǎn)率要求也越來越高。為了適應(yīng)國內(nèi)市場的需要，滿足用戶對高速、高精及強力切削的需求，我們決定研制新一代立式加工中心，用以作為原有KT系列產(chǎn)品外的另一高端產(chǎn)品系列。 全新結(jié)構(gòu)和高性能的立式加工中心μ1000系列基型產(chǎn)品(圖1)是在分析國內(nèi)外立式加工中心主流產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合我國市場的需求研制出來的，充分體現(xiàn)了數(shù)控機床的高速、高精、高品質(zhì)、高穩(wěn)定性技術(shù)發(fā)展方向，具有較高階性價比。 圖1μ1000系列立式加工中心外觀 1設(shè)計原則及主參數(shù)的確定 (1)設(shè)計原則 ①在速度和精度方面達到國際同類型同規(guī)格產(chǎn)品先進水平，同時兼顧強力切削，滿足用戶一機多用目的； ②高剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證機床設(shè)計壽命長； ③產(chǎn)品模塊化設(shè)計，降低設(shè)計成本，形成不同配置的系列產(chǎn)品； ④高精度設(shè)計，滿足N級加工精度的需要； ⑤高效率設(shè)計，滿足現(xiàn)代高生產(chǎn)率的要求； ⑥注重環(huán)保o (2)主要技術(shù)參數(shù) 根據(jù)市場調(diào)研確定標(biāo)準(zhǔn)配置。工作臺面尺寸為500mm1200mm；X、Y、Z行程分別為l000mm、560mm、550mm；主軸功率18.5/22kW，主軸轉(zhuǎn)速15000/min，BT40刀柄；ATC(自動換刀裝置)換刀時間1.5s，最大刀具重量7kg，刀庫容量24把；X、Y、Z快移速度分別為48m/min、48m/min、36m/min；全閉環(huán)情況下定位精度≤0.008mm，重復(fù)定位精度≤0.004mm。 作為系列產(chǎn)品和選用配置，五軸聯(lián)動控制時，其工作臺面尺寸為500mm，X、Y、Z行程分別為500mm、500mm、415mm；主軸轉(zhuǎn)速12000r/min、20000r/min任選，刀柄可選擇HSKA63。 2合理的總體布局設(shè)計 為保證機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，對基礎(chǔ)件、傳動系統(tǒng)、主軸及整機都進行了有限元分析，找出設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)加以改進，對機床整體性能優(yōu)化和高剛性設(shè)計起到很好的指導(dǎo)作用。 在設(shè)計開發(fā)過程的初期，初步設(shè)計了外形尺寸和工作區(qū)范圍相同而結(jié)構(gòu)不同的4套方案，即定梁頂置滑枕式、定立柱十字工作臺式、橫梁滑座式和定立柱三坐標(biāo)單元式等四種結(jié)構(gòu)。通過有限元剛度分析和加工誤差分析，得出方案l(即定梁頂置滑枕式)的剛度是最大的，且誤差分配也比較合理，所以實際設(shè)計中，選擇了第1種方案(圖2)o 圖2機床布局結(jié)構(gòu) 按方案1的結(jié)構(gòu)進行了機床整機和部件的設(shè)計。并且根據(jù)設(shè)計圖對機床整機和部件進行了有限元分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)改進，避免了薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。與同類立式加工中心相比，這臺機床在各個方向的剛度都具有較大的優(yōu)勢，綜合當(dāng)量剛度約提高40％—100％以上，并且3個方向的剛度值較均勻。見表1。由計算結(jié)果可知，機床整機的整體性能優(yōu)良，機床靜態(tài)剛度顯著提高，可以滿足高速、高精、高效的要求。 這種布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：床身立柱分體，且主要構(gòu)件均呈箱形結(jié)構(gòu)，加工時不易變形，加工工藝性好；結(jié)合面較大，基礎(chǔ)穩(wěn)固，主軸懸伸小，整體結(jié)構(gòu)剛度高；左右完全對稱式設(shè)計，主軸X向熱平衡較好；y向懸伸小，熱變形影響??；X、Y、Z軸移動部件輕，加速性好；構(gòu)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)固易于保證導(dǎo)軌運動精度，精度穩(wěn)定性好。 表1類似規(guī)格加工中心剛度計算值比較N/μm 機床名稱 X向剛度 Kx Y向剛度Ky Z向剛度 Kz 三向綜合當(dāng)量剛度 K 其它類似加工中心 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優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計主要通過計算、分析、選擇各結(jié)構(gòu)件和承載件合理的參數(shù)，以保證機床的精度穩(wěn)定、運動平穩(wěn)和使用壽命長。 (1)保證機床精度穩(wěn)定 為保證機床的精度穩(wěn)定，床身、立柱、滑座、主軸箱等都采用有限元分析，應(yīng)用高阻尼性能的優(yōu)質(zhì)鑄鐵制造，合理的截面設(shè)計和筋格布置，盡量避免行程中出現(xiàn)不合理的懸臂狀態(tài)。導(dǎo)軌采用高剛性滾柱導(dǎo)軌，安裝基面精密刮研。 μ1000系列機床打破常規(guī)機床結(jié)構(gòu)型式，床身采用三點支撐，高附性設(shè)計，使機床調(diào)整簡單，不依賴于地基，機床可不需特殊的地基直接安裝在水泥地坪上。床身用基于無彎矩的力流原理的特殊筋板設(shè)計保證其上構(gòu)件在運動過程中，負(fù)載重心和切削力作用點始終不離開三點支撐的范圍，并有足夠的支撐剛度，有利于保持精度的穩(wěn)定。 滑座采用頂置式結(jié)構(gòu)，其特點為高剛性輕型設(shè)計，使運動單元靈活，適應(yīng)高速要求?；亓⒅鶎?dǎo)軌作X向運動，加長導(dǎo)軌支撐長度，運動時滑座始終不離開導(dǎo)軌，直線度、定位精度、加工精度均易保證。工作臺只做單方向(Y向)移動，與十字工作臺結(jié)構(gòu)相比，移動部件輕，且承重大，設(shè)計承重大于800kg。另外工作臺沿導(dǎo)軌方向運動，結(jié)構(gòu)剛性好，運動精度高，避免了傳統(tǒng)機床工作臺移動到兩端后直線度降低或超差問題。扁長的主軸箱結(jié)構(gòu)，使主軸重心盡量靠近導(dǎo)軌，主軸中心距導(dǎo)軌距離為295mm，比傳統(tǒng)機床減少2/5，這樣主軸懸伸小，受彎矩小，另外導(dǎo)軌安裝在主軸箱上，滑塊在滑座上，大大增強了Z向剛性，提高了加工精度和運動穩(wěn)定性，定位精度高。采用了寬度較大的滾柱導(dǎo)軌，中等預(yù)載荷消除了間隙和爬行，提高系統(tǒng)剛度和運動精度。 (2)提高高速運動的平穩(wěn)性 線性軸驅(qū)動采用伺服電動機帶動高速滾珠絲杠副，采取了預(yù)緊式單螺母形式，結(jié)構(gòu)緊湊。絲杠兩端采用軸向固定支撐并施加預(yù)拉伸，以提高傳動系統(tǒng)剛度，吸收絲杠發(fā)熱引起的熱伸長造成的誤差。絲杠與電動機問的聯(lián)軸器選用波紋管形式，傳動效率高、剛性好、傳遞扭矩大、扭轉(zhuǎn)剛度高，且自身轉(zhuǎn)動慣量小，適應(yīng)高速性。適當(dāng)增加座的長度以增加螺母座及絲杠軸承座與基礎(chǔ)件間結(jié)合面剛度，同時工藝上采取配副研技術(shù)，使精度直接進入穩(wěn)定期，提高了耐沖擊能力。 采用高剛性電主軸，前軸承選用中預(yù)載的4列背對背高速角接觸陶瓷球軸承，軸承內(nèi)徑70mm，這種組合方式使軸承可同時承受徑向和軸向載荷，主軸動靜剛度高。 3)關(guān)鍵部件的長壽命設(shè)計 為了減少沖擊，提高定位精度，控制系統(tǒng)設(shè)定了鐘型加減速功能和HRV功能，調(diào)整了影響動態(tài)性能的位置和速度增益。同時，設(shè)計中對一些影響精度和工作性能的關(guān)鍵部件采取了相應(yīng)措施。如：主軸軸承用油氣潤滑，因部分油氣會進入到電動機定子與轉(zhuǎn)子之間，造成電動機被污染而影響使用性能和壽命。為了克服這一點，在電動機前后端均有低壓干燥清潔氣體吹人，局部形成輕微正壓，防止油氣進入，保證電動機性能穩(wěn)定，壽命長；為避免主軸前端有臟物進入軸承，也防止軸承油氣潤滑的廢油滲出到主軸端面上，主軸最前端加有壓縮氣流吹出，防止臟物進入和吹散廢油；由于五軸聯(lián)動的轉(zhuǎn)臺電動機直接工作于工作區(qū)，為防止臟物進入，影響其壽命，轉(zhuǎn)臺上兩個電動機罩均設(shè)有低壓氣體吹氣。為了保證光柵長久保持精度，提高使用壽命，在光柵的讀數(shù)頭上也加有干燥清潔的空氣吹入。 4多種誤差控制和補償技術(shù) (1)控制熱變形和振動 為了保證高精度，采用了多種措施來減少機床的熱變形和振動。如主軸套筒和前后軸承座恒溫循環(huán)冷卻，油氣潤滑減少軸承發(fā)熱，后軸承使用圓柱滾子軸承，一旦發(fā)生熱變形，主軸就向后伸長，不會影響加工精度；大流量冷卻刀具和工件，減少切削熱產(chǎn)生；床身上兩個螺旋排屑器及時將切屑排出，避免切屑大量堆積引起床身熱變形；機床對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，平衡熱變形等；主軸具有中心內(nèi)冷卻功能，內(nèi)冷最大壓力為2.2MPa，可滿足進行高速切削、小孔加工和深孔加工時對排屑暢通、及時帶走加工熱量的要求。 為了使主軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低噪聲，減小振動，對主軸采用兩次動平衡，一次是主軸與轉(zhuǎn)子熱裝后，第二次是所有回轉(zhuǎn)零件裝配好后且?guī)缀尉葯z驗完畢后。另外，在主軸前后位置設(shè)計有平衡環(huán)以備在線動平衡用。刀庫放在機床的左側(cè)面，用單獨地基，這樣在刀庫和機械手換刀時產(chǎn)生的振動和不平衡不會傳到主機上，消除了一部分外加載荷，使機床精度更穩(wěn)定。 (2)提高空間位置精度的補償技術(shù) 為了在較高的運動速度下，提高機床的定位精度和加工精度，特別是定位精度，機床上安裝了精度為0.003mm的HEIDENHAIN封閉式絕對光柵尺，進行全閉環(huán)控制。但機床的定位精度只能評價機床在特定位置時的精度，如果遠(yuǎn)離測量面進行加工時，加工的位置度會有較大誤差。而傳統(tǒng)的螺距補償只能對特定位置絲杠的螺距誤差進行補償，并不能全面降低整個加工面的位置度誤差。為了盡可能消除加工區(qū)域內(nèi)的位置度誤差，提高機床的加工精度，增加了空間誤差補償功能。通過大量的試驗采集數(shù)據(jù)，計算出機床在各空間點的幾何誤差，并通過CNC系統(tǒng)給予實時補償。 圖3和圖4示出在X、Y二維平面上測出的位置誤差，由補償前的最大23μm降至5μm。 (3)Z軸熱補償技術(shù) 主軸在運轉(zhuǎn)過程中，電動機、軸承及其它運動部件會因摩擦、損耗等產(chǎn)生熱量。如果熱量不能及時散發(fā)和排出，則會嚴(yán)重影響機床精度。因此，對主軸電動機外套和軸承座外套用通過恒溫油的方式進行循環(huán)冷卻，使主軸運轉(zhuǎn)過程中絕大部分的熱量隨循環(huán)油帶出機體，以減小熱變形。但是，再完善的冷卻也仍然會有部分熱量因傳導(dǎo)速度快而不能及時排出，使主軸產(chǎn)生熱變形。為了進一步解決主軸這部分熱變形對精度的影響，對主軸2向熱變形用軟件補償?shù)霓k法進行了補償。補償數(shù)據(jù)是通過實驗獲得的。 圖3補償前平面位置誤差 圖4補償后平面位置誤差 為了使補償軟件更具有通用性，采用了變量編程，可針對不同的機床、不同的使用情況分別給這些變量賦值，便可生成最具有針對性、實用性的補償程序。圖5示出了采用熱補償后Z向的誤差由補償前的25.93μm降至8.76μm，約減小到1/3(試驗條件：主軸轉(zhuǎn)速7500r/min，每2min測量一次溫度和位移，溫度測點為前后軸承及環(huán)境溫度，位移測點為主軸軸端。溫升為后軸承沒有冷卻的情況下。) 圖5補償前后溫度升與主軸伸長量之間關(guān)系曲線比較 5全面高速化和高剛度 全面高速化包括具有較高的快移速度48m/min高的切削進給速度30m/min，最大0.9g的加速度；高的主軸轉(zhuǎn)速12000r/min—20000r/min以及高的換刀速度1.5s。主軸電動機選用FANUC的αBi系列內(nèi)裝電動機，具有低速繞組和高速繞組。在低速繞組額定轉(zhuǎn)速在1500r/min以下時，恒扭矩達118Nm。轉(zhuǎn)速至4000r/min時，仍有36Nm—44Nm的較大扭矩輸出。在高速繞組下即使轉(zhuǎn)速20000r/min時，也仍有8.8Nm—11Nm的扭矩輸出。恒功率恒扭矩范圍寬，可實現(xiàn)低速大拉矩切削和高速加工。 機床的三點支撐結(jié)構(gòu)，可便于根據(jù)生產(chǎn)線需要調(diào)整位置實現(xiàn)快速重組，縮短了機床安裝調(diào)試周期，節(jié)約了調(diào)整工時。全封閉防護罩確保高速、高效加工條件下工人操作安全。使用油水分離器，將冷卻液中油分離過濾掉，延長冷卻液的使用壽命，提高冷卻液使用效果，并且符合環(huán)保要求。 6結(jié)語 該產(chǎn)品研制成功后進行了全面性能實驗，經(jīng)驗證完全滿足設(shè)計要求，并且在結(jié)構(gòu)、動靜態(tài)剛度和精度方面表現(xiàn)出色。Z軸實測定位精度3.4μm，重復(fù)定位精度小于1.7μm；用端銑刀銑削鋁件，表面粗糙度Ra平均為0.04μm，及Ramax為0.1μm(數(shù)據(jù)均為新產(chǎn)品鑒定時現(xiàn)場實測值)。它標(biāo)志著機床在主軸轉(zhuǎn)速、快移速度、位置精度等方面均達到了較高水準(zhǔn)，并形成了新一代高性能立式加工中心系列，研究成果實現(xiàn)了商品化、系列化、模塊化。產(chǎn)品在整體結(jié)構(gòu)上采用的三點支撐高附性結(jié)構(gòu)設(shè)計和基于可靠性增長分析的部件及元器件設(shè)計，確保了機床高速、高精和高可靠性，在熱變形誤差補償和平面位置誤差補償方面具有獨特的技術(shù)等優(yōu)點。μl000系列機床滿足了市場對高檔立式加工中心的需要，已進行小批生產(chǎn)和銷售。這充分說明從常用的功能設(shè)計進一步發(fā)展機床結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計、精度設(shè)計、高速化設(shè)計、補償技術(shù)、壽命設(shè)計和可靠性設(shè)計等現(xiàn)代機床先進設(shè)計技術(shù)的作用和必要性。