具有自主知识产权的精密高效卧式加工中心的开发

xiaotiaopi

表1 机床的主参数
参数范围
+ ]7 g- n( O2 Q: ?9 \μ2000/800H
5 |4 i: K+ d$ }5 H8 q& B& Bμ2000/5-630H
工作台面尺寸
8 o; t( Y+ H4 I1 g( F800×800mm
# E+ y- k2 l. }' O* T  _! BØ630mm
$ O. u. r8 l6 m- X  J4 w& J# z" ]" h工作台承重
9 _" l- c  E, ^% j, G3 D1500kg
' J. L) l1 K( I' N% s650kg
工作行程
0 h* N5 g$ I) p9 m7 h$ ?+ q1200×1000×900mm
820×1000×900mm
7 y7 ?5 h7 f/ j$ H) h6 C  K主轴电机最大功率
22/25(15min)kW
: f! d) M3 V9 y, k22/25(15min)kW
; m. [& E% V2 A& p% q( U主轴最高转速
8000r/min
; V: K0 n( R7 A7 T' s( U* o& H' H8000r/min
, h) _+ C0 r# p# u快速移动速度
+ g' Y% ?! N5 {+ t6 `X、Y：48m/min
% A  |6 B% C: r4 K% K6 [1 T2 kX、Y：48m/min
Z：36m/min
Z：36m/min
. f( |+ o. C1 `刀柄形式
BT50
HSK A100
换刀时间(刀-刀)
5 {- G1 Z% s- J: X9 \; ?7s
' g5 V' Y; x  [9 y5 m/ x# y7s
8 A- M2 I" @3 b1 [刀库容量
38
38
定位精度/全行程
X、Y、Z：0.008mm
X、Y、Z：0.008mm
重复定位精度
X、Y、Z：0.004mm
X、Y、Z：0.004mm
倾斜角度
-
0 ^4 {3 f0 u% u7 T# d1 @, y-20°～+100°
5 c9 ~" R5 F% {9 ]5 e' J5 \5 p. m回转轴定位精度
" A6 p7 V  ~# k$ w3 k-
9 d  y6 J5 [, m8 M; r10”
  ~4 l0 X' c$ [  j% _( L二、机床设计目标和主参数的确定
$ |9 _7 p9 P7 ^4 X* I% b+ ]由于本系列机床具有很强的针对性，特别是针对汽车发动机缸体孔方面的特殊要求，详细确定了机床的设计目标。主要体现在机床的高刚性、高速度方面，从而为机床最后的高精度、高效率提供保障。
机床的主参数如表1所示。
* A# f7 A8 u2 M$ L0 U3 A$ Q% C三、总体布局方案及确定
. ]9 b. g+ H0 h/ H; e总体设计的原则：(1)要满足开发输入参数的要求，统筹考虑机床的加工精度、加工效率及高速性能；(2)确保机床具有相应的刚度、抗振性、热变形及噪声水平；(3)应用现有技术，减少开发风险，缩短开发周期，最大限度地考虑机床的系列化和部件的通用化程度；(4)注重采用新技术，同时新技术的应用及其风险要尽可能小；(5)便于观察加工过程，便于操作、调整和维修机床，便于输送、装卸工件和排除切屑，注意机床防护，确保安全生产；(6)考虑宜人性和环保要求；(7)巿场前景好，开发及生产成本低。
/ O( X! |9 V: F" o本系列产品在总体方案阶段主要设计考虑了两种技术方案。方案1为倒T字型结构，整体床身及整体立柱、工作台左右移动，立柱前后移动，主轴箱上下移动。优点：该结构对所正在生产销售的传统卧式加工中心具有借鉴性，如果采取新的设计手段和方法，采用新技术，在规格提升的同时大幅度提高刚性，在主轴及伺服进给、刀库及转台等方面有较大提高，技术相对成熟，可节约设计研发时间。其缺点主要表现在立柱上具有两个直线坐标轴的传动，因而较重，此方向的线性轴在高速移动方面可能会有所牺牲。
' R& o& e# K$ Q; E
" H2 w. K1 I9 [- p. j图1 μ2000系列卧式加工中心布局结构
1 s9 u3 N+ T6 v, L. i2 ?" @: t方案2为正T字型结构，工作台前后移动，立柱左右移动，主轴箱上下移动。优点：立柱较轻，适合高速移动。其缺点主要是：当选用分度工作台时，该结构只可在前方配置回转式双工位交换工作台，一般双工位交换工作台与主机为一体设计，为必选配置，不能根据用户的要求，灵活选择是否配置；同时对传统产品没有较多借鉴性，设计研发周期相对较长。
根据总体设计原则，方案2虽然较方案1高速性能好，但与现有技术的兼容性差，技术风险相对高，研发周期较长。对于方案1，通过选择高特性伺服电机，可满足对立柱、转台的驱动要求，同时可以实现48m/min 的快速移动。同时，通过减少结合部、非常规布筋等方式增强机床的刚度，可以满足机床的精度要求。因此，方案1能够更好地满足总体设计的原则标准，最终确定按方案1进行机床设计(图1)。
0 ~+ Y7 q- K. ?# I/ B" o# a
图2 本机床的主轴部件外形图
四、具体结构优化设计
4 X' n5 j: }7 T% R高刚性、高速度的主轴部件
* Z, ~+ }# G: E: c# a' I6 x3 k& s衡量数控机床水平的高速精密电主轴在中国还主要依赖进口，但我所在电主轴的技术方面一直拥有自主产权。
4 f" a0 z6 B! {- N图2的内装式电机主轴单元，由于是零传动的方式，降低了噪声、发热、振动和功率损失，在加工中心的应用上越来越广泛。
/ i8 i3 u& G( m# E主轴电机的选择
4 N) ^/ y  J8 S7 o主轴电机功率—扭矩曲线图如图3。
9 e! n& L2 [9 l" \9 }% y% e) F- n
( F6 o! u4 s+ m1 m; {/ m图3 主轴电机功率—扭矩曲线图
8 B  n6 N$ p% h$ ?6 U
图4 整体床身的外形图和结构图
$ S+ s$ Y. {' }9 t* v) n9 ~* v
# r# k5 _! I7 U* N图5 整体立柱的外形图和结构图

图6 主轴箱的外形图和结构图
4 S+ v; }% |$ J; e
! ]& H& J2 \( J" f6 R  ?; T3 U图7 本机床的高速精密滚珠丝杠副伺服进给系统

图8 整机的有限元模型及网构图
对基础结构件的小圆角、小倒角全部以直角处理；小角度斜面以平面处理，对分析无影响或影响较小的搭子面、螺孔及孔内部筋孔等去除，安装地脚螺钉的凹槽去除，安装导轨压板的斜槽去除，安装光栅的支撑台去除，主轴以实心处理；主轴与转子及轴承内圈做一体处理；定子与轴承外圈及外部支撑冷却件做一体处理；工作台以内部布筋的箱体来简化，使计算模型与实际零件保持最大限度的同一性。有限元网格的划分采用了局部手工划分与自由划分相结合的方法，选取SOLID45 8节点六面体单元作为局部划分网格用单元，SOLID95 20节点六面体单元为程序自动划分网格用单元，选取 COMBIN14阻尼弹簧拉压单元。丝杠、导轨及轴承移动结合部采用了等效弹簧连接，固定结合部采用了粘接方式。共划分单元数115226个，节点总数208914个。计算用图依次为：实体装配图、结合部网格、主轴网格、主轴箱网格、整机有限元模型(图8)。
- ^+ Y8 S, i. Z9 L2 |计算及检测结果
" g, q9 Z" K6 w  Y4 R对比来看，计算及检测的结果之间具有相似性。X轴方向的静、动刚度较Y、Z轴方向低，机床的薄弱环节在X轴方向。对加工影响较大的两种优势固有频率的振型见图9，从中可见，振动的薄弱点均发生在大结构件之间的导轨结合部处，因此，导轨结合部处的刚度成为机床整体刚度的薄弱环节，是今后改进设计，进一步提高机床刚度、改进机床性能的关键。
2 Q/ Q& X+ o: w5 ]1 T% O
图9整机的有限元分析结果(两种固有频率下的振型)
3 F6 m; W: {5 x- c' m机床主轴的热变形及补偿试验
( u4 o  u6 L# l5 [4 T补偿方法：
9 c8 G  c! g8 h& B* `在机床上有两个温度传感器，一个设置于主轴外部作为基准温度，另一个设置于主轴内部，测量主轴的温度，二者之差作为补偿温度。
* ~8 p1 @8 |/ G$ E- a通过试验的方法得到温度与主轴伸长量的关系曲线，然后将此曲线的数据通过温度输入模块输入到PMC的数据表中，PMC用插补计算的方法将温差计算出来并作为补偿依据，通过数控系统对主轴热伸长进行实时补偿。
按照ISO230-3的测量方法及要求，使用HEIDENHAIN的热效应精密测量仪、可伸缩式精密位移传感器，对主轴进行热变形试验。
3 v$ [; Y) q& N) F) L根据所测得的曲线，在系统里可对主轴进行补偿。主轴热补偿功能，可以消除因热伸长引起的误差，从而提高机床精度。图10为补偿前和补偿后的比较图，补偿前主轴热伸长为0.033mm，补偿后为0.009mm，具有明显的效果。

3 `+ I0 j" e5 Ua)补偿前(最大值33µm)

b)补偿后(最大值9µm)
图10 补偿前后主轴热伸长的实测结果
4 T, S$ U4 o- {! ^, j" j/ m$ N六、μ2000系列卧式加工中心的应用
; t3 n, w3 L0 Fμ系列卧式加工中心可用于加工汽车发动机缸体汽缸孔和曲轴颈孔、精密传动箱、泵体等箱体类零件，并可应用于模具工业、军工、航空航天等领域进行空间复杂曲面的加工(图11、12)。
- o! a; I/ E+ _1 F, x* m* }
1 S# u$ j4 L* F1 E& p图11μ2000/800H卧式加工中心用于某缸盖厂
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: X3 d0 R  \& F9 K4 A( o# C% U图12μ2000/5-630H以长刀加工发动机缸体厂
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