高效高精立式加工中心設(shè)計(jì)技術(shù)

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高效高精立式加工中心設(shè)計(jì)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(jìn)刀具的使用，機(jī)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(duì)機(jī)床的精度和生產(chǎn)率要求也越來(lái)越高。為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要，滿足用戶對(duì)高速、高精及強(qiáng)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(guó)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(guó)市場(chǎng)的需求研制出來(lái)的，充分體現(xiàn)了數(shù)控機(jī)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(jià)比。 圖1μ1000系列立式加工中心外觀 1設(shè)計(jì)原則及主參數(shù)的確定 (1)設(shè)計(jì)原則 ①在速度和精度方面達(dá)到國(guó)際同類型同規(guī)格產(chǎn)品先進(jìn)水平，同時(shí)兼顧強(qiáng)力切削，滿足用戶一機(jī)多用目的； ②高剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證機(jī)床設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)； ③產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，形成不同配置的系列產(chǎn)品； ④高精度設(shè)計(jì)，滿足N級(jí)加工精度的需要； ⑤高效率設(shè)計(jì)，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(chǎng)調(diào)研確定標(biāo)準(zhǔn)配置。工作臺(tái)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(dòng)換刀裝置)換刀時(shí)間1.5s，最大刀具重量7kg，刀庫(kù)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(dòng)控制時(shí)，其工作臺(tái)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(jì) 為保證機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)基礎(chǔ)件、傳動(dòng)系統(tǒng)、主軸及整機(jī)都進(jìn)行了有限元分析，找出設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)，對(duì)機(jī)床整體性能優(yōu)化和高剛性設(shè)計(jì)起到很好的指導(dǎo)作用。 在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程的初期，初步設(shè)計(jì)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(tái)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(guò)有限元?jiǎng)偠确治龊图庸ふ`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(shí)際設(shè)計(jì)中，選擇了第1種方案(圖2)o 圖2機(jī)床布局結(jié)構(gòu) 按方案1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)床整機(jī)和部件的設(shè)計(jì)。并且根據(jù)設(shè)計(jì)圖對(duì)機(jī)床整機(jī)和部件進(jìn)行了有限元分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)，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(tái)機(jī)床在各個(gè)方向的剛度都具有較大的優(yōu)勢(shì)，綜合當(dāng)量剛度約提高40％—100％以上，并且3個(gè)方向的剛度值較均勻。見(jiàn)表1。由計(jì)算結(jié)果可知，機(jī)床整機(jī)的整體性能優(yōu)良，機(jī)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(diǎn)是：床身立柱分體，且主要構(gòu)件均呈箱形結(jié)構(gòu)，加工時(shí)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(duì)稱式設(shè)計(jì)，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(dòng)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(yùn)動(dòng)精度，精度穩(wěn)定性好。 表1類似規(guī)格加工中心剛度計(jì)算值比較N/μm 機(jī)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(jì) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要通過(guò)計(jì)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(jī)床的精度穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和使用壽命長(zhǎng)。 (1)保證機(jī)床精度穩(wěn)定 為保證機(jī)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(jì)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(jī)床打破常規(guī)機(jī)床結(jié)構(gòu)型式，床身采用三點(diǎn)支撐，高附性設(shè)計(jì)，使機(jī)床調(diào)整簡(jiǎn)單，不依賴于地基，機(jī)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(wú)彎矩的力流原理的特殊筋板設(shè)計(jì)保證其上構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，負(fù)載重心和切削力作用點(diǎn)始終不離開(kāi)三點(diǎn)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(diǎn)為高剛性輕型設(shè)計(jì)，使運(yùn)動(dòng)單元靈活，適應(yīng)高速要求?；亓⒅鶎?dǎo)軌作X向運(yùn)動(dòng)，加長(zhǎng)導(dǎo)軌支撐長(zhǎng)度，運(yùn)動(dòng)時(shí)滑座始終不離開(kāi)導(dǎo)軌，直線度、定位精度、加工精度均易保證。工作臺(tái)只做單方向(Y向)移動(dòng)，與十字工作臺(tái)結(jié)構(gòu)相比，移動(dòng)部件輕，且承重大，設(shè)計(jì)承重大于800kg。另外工作臺(tái)沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)剛性好，運(yùn)動(dòng)精度高，避免了傳統(tǒng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)到兩端后直線度降低或超差問(wèn)題。扁長(zhǎng)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(jī)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(qiáng)了Z向剛性，提高了加工精度和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)精度。 (2)提高高速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性 線性軸驅(qū)動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)剛度，吸收絲杠發(fā)熱引起的熱伸長(zhǎng)造成的誤差。絲杠與電動(dòng)機(jī)問(wèn)的聯(lián)軸器選用波紋管形式，傳動(dòng)效率高、剛性好、傳遞扭矩大、扭轉(zhuǎn)剛度高，且自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，適應(yīng)高速性。適當(dāng)增加座的長(zhǎng)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(shí)工藝上采取配副研技術(shù)，使精度直接進(jìn)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(duì)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(shí)承受徑向和軸向載荷，主軸動(dòng)靜剛度高。 3)關(guān)鍵部件的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì) 為了減少?zèng)_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(dòng)態(tài)性能的位置和速度增益。同時(shí)，設(shè)計(jì)中對(duì)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(rùn)滑，因部分油氣會(huì)進(jìn)入到電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間，造成電動(dòng)機(jī)被污染而影響使用性能和壽命。為了克服這一點(diǎn)，在電動(dòng)機(jī)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(jìn)入，保證電動(dòng)機(jī)性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)；為避免主軸前端有臟物進(jìn)入軸承，也防止軸承油氣潤(rùn)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(jìn)入和吹散廢油；由于五軸聯(lián)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)直接工作于工作區(qū)，為防止臟物進(jìn)入，影響其壽命，轉(zhuǎn)臺(tái)上兩個(gè)電動(dòng)機(jī)罩均設(shè)有低壓氣體吹氣。為了保證光柵長(zhǎng)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(bǔ)償技術(shù) (1)控制熱變形和振動(dòng) 為了保證高精度，采用了多種措施來(lái)減少機(jī)床的熱變形和振動(dòng)。如主軸套筒和前后軸承座恒溫循環(huán)冷卻，油氣潤(rùn)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(zhǎng)，不會(huì)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(gè)螺旋排屑器及時(shí)將切屑排出，避免切屑大量堆積引起床身熱變形；機(jī)床對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jìn)行高速切削、小孔加工和深孔加工時(shí)對(duì)排屑暢通、及時(shí)帶走加工熱量的要求。 為了使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低噪聲，減小振動(dòng)，對(duì)主軸采用兩次動(dòng)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(yàn)完畢后。另外，在主軸前后位置設(shè)計(jì)有平衡環(huán)以備在線動(dòng)平衡用。刀庫(kù)放在機(jī)床的左側(cè)面，用單獨(dú)地基，這樣在刀庫(kù)和機(jī)械手換刀時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和不平衡不會(huì)傳到主機(jī)上，消除了一部分外加載荷，使機(jī)床精度更穩(wěn)定。 (2)提高空間位置精度的補(bǔ)償技術(shù) 為了在較高的運(yùn)動(dòng)速度下，提高機(jī)床的定位精度和加工精度，特別是定位精度，機(jī)床上安裝了精度為0.003mm的HEIDENHAIN封閉式絕對(duì)光柵尺，進(jìn)行全閉環(huán)控制。但機(jī)床的定位精度只能評(píng)價(jià)機(jī)床在特定位置時(shí)的精度，如果遠(yuǎn)離測(cè)量面進(jìn)行加工時(shí)，加工的位置度會(huì)有較大誤差。而傳統(tǒng)的螺距補(bǔ)償只能對(duì)特定位置絲杠的螺距誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并不能全面降低整個(gè)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(jī)床的加工精度，增加了空間誤差補(bǔ)償功能。通過(guò)大量的試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，計(jì)算出機(jī)床在各空間點(diǎn)的幾何誤差，并通過(guò)CNC系統(tǒng)給予實(shí)時(shí)補(bǔ)償。 圖3和圖4示出在X、Y二維平面上測(cè)出的位置誤差，由補(bǔ)償前的最大23μm降至5μm。 (3)Z軸熱補(bǔ)償技術(shù) 主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)、軸承及其它運(yùn)動(dòng)部件會(huì)因摩擦、損耗等產(chǎn)生熱量。如果熱量不能及時(shí)散發(fā)和排出，則會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)床精度。因此，對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)外套和軸承座外套用通過(guò)恒溫油的方式進(jìn)行循環(huán)冷卻，使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中絕大部分的熱量隨循環(huán)油帶出機(jī)體，以減小熱變形。但是，再完善的冷卻也仍然會(huì)有部分熱量因傳導(dǎo)速度快而不能及時(shí)排出，使主軸產(chǎn)生熱變形。為了進(jìn)一步解決主軸這部分熱變形對(duì)精度的影響，對(duì)主軸2向熱變形用軟件補(bǔ)償?shù)霓k法進(jìn)行了補(bǔ)償。補(bǔ)償數(shù)據(jù)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的。 圖3補(bǔ)償前平面位置誤差 圖4補(bǔ)償后平面位置誤差 為了使補(bǔ)償軟件更具有通用性，采用了變量編程，可針對(duì)不同的機(jī)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(duì)性、實(shí)用性的補(bǔ)償程序。圖5示出了采用熱補(bǔ)償后Z向的誤差由補(bǔ)償前的25.93μm降至8.76μm，約減小到1/3(試驗(yàn)條件：主軸轉(zhuǎn)速7500r/min，每2min測(cè)量一次溫度和位移，溫度測(cè)點(diǎn)為前后軸承及環(huán)境溫度，位移測(cè)點(diǎn)為主軸軸端。溫升為后軸承沒(méi)有冷卻的情況下。) 圖5補(bǔ)償前后溫度升與主軸伸長(zhǎng)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(jìn)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(dòng)機(jī)選用FANUC的αBi系列內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)，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(shí)，恒扭矩達(dá)118Nm。轉(zhuǎn)速至4000r/min時(shí)，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(shí)，也仍有8.8Nm—11Nm的扭矩輸出。恒功率恒扭矩范圍寬，可實(shí)現(xiàn)低速大拉矩切削和高速加工。 機(jī)床的三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，可便于根據(jù)生產(chǎn)線需要調(diào)整位置實(shí)現(xiàn)快速重組，縮短了機(jī)床安裝調(diào)試周期，節(jié)約了調(diào)整工時(shí)。全封閉防護(hù)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(guò)濾掉，延長(zhǎng)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(yǔ) 該產(chǎn)品研制成功后進(jìn)行了全面性能實(shí)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證完全滿足設(shè)計(jì)要求，并且在結(jié)構(gòu)、動(dòng)靜態(tài)剛度和精度方面表現(xiàn)出色。Z軸實(shí)測(cè)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(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值)。它標(biāo)志著機(jī)床在主軸轉(zhuǎn)速、快移速度、位置精度等方面均達(dá)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(shí)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(diǎn)支撐高附性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基于可靠性增長(zhǎng)分析的部件及元器件設(shè)計(jì)，確保了機(jī)床高速、高精和高可靠性，在熱變形誤差補(bǔ)償和平面位置誤差補(bǔ)償方面具有獨(dú)特的技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)。μl000系列機(jī)床滿足了市場(chǎng)對(duì)高檔立式加工中心的需要，已進(jìn)行小批生產(chǎn)和銷售。這充分說(shuō)明從常用的功能設(shè)計(jì)進(jìn)一步發(fā)展機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)、高速化設(shè)計(jì)、補(bǔ)償技術(shù)、壽命設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)等現(xiàn)代機(jī)床先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的作用和必要性。