高效高精立式加工中心設計技術

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高效高精立式加工中心設計技術 2006-9-7 11:32:07 【文章字體：大中小】 打印 收藏 關閉 隨著科學技術的發(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率要求也越來越高。為了適應國內市場的需要，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系列產品外的另一高端產品系列。 全新結構和高性能的立式加工中心μ1000系列基型產品(圖1)是在分析國內外立式加工中心主流產品規(guī)格參數的基礎上，并結合我國市場的需求研制出來的，充分體現了數控機床的高速、高精、高品質、高穩(wěn)定性技術發(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設計原則及主參數的確定 (1)設計原則 ①在速度和精度方面達到國際同類型同規(guī)格產品先進水平，同時兼顧強力切削，滿足用戶一機多用目的； ②高剛性結構設計，保證機床設計壽命長； ③產品模塊化設計，降低設計成本，形成不同配置的系列產品； ④高精度設計，滿足N級加工精度的需要； ⑤高效率設計，滿足現代高生產率的要求； ⑥注重環(huán)保o (2)主要技術參數 根據市場調研確定標準配置。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，重復定位精度≤0.004mm。 作為系列產品和選用配置，五軸聯動控制時，其工作臺面尺寸為500mm，X、Y、Z行程分別為500mm、500mm、415mm；主軸轉速12000r/min、20000r/min任選，刀柄可選擇HSKA63。 2合理的總體布局設計 為保證機床結構設計的合理性，對基礎件、傳動系統(tǒng)、主軸及整機都進行了有限元分析，找出設計的薄弱環(huán)節(jié)加以改進，對機床整體性能優(yōu)化和高剛性設計起到很好的指導作用。 在設計開發(fā)過程的初期，初步設計了外形尺寸和工作區(qū)范圍相同而結構不同的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單元式等四種結構。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，所以實際設計中，選擇了第1種方案(圖2)o 圖2機床布局結構 按方案1的結構進行了機床整機和部件的設計。并且根據設計圖對機床整機和部件進行了有限元分析和結構參數改進，避免了薄弱環(huán)節(jié)的出現。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。 這種布局結構的優(yōu)點是：床身立柱分體，且主要構件均呈箱形結構，加工時不易變形，加工工藝性好；結合面較大，基礎穩(wěn)固，主軸懸伸小，整體結構剛度高；左右完全對稱式設計，主軸X向熱平衡較好；y向懸伸小，熱變形影響小；X、Y、Z軸移動部件輕，加速性好；構件結構穩(wěn)固易于保證導軌運動精度，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)化結構設計 優(yōu)化結構設計主要通過計算、分析、選擇各結構件和承載件合理的參數，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，應用高阻尼性能的優(yōu)質鑄鐵制造，合理的截面設計和筋格布置，盡量避免行程中出現不合理的懸臂狀態(tài)。導軌采用高剛性滾柱導軌，安裝基面精密刮研。 μ1000系列機床打破常規(guī)機床結構型式，床身采用三點支撐，高附性設計，使機床調整簡單，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計保證其上構件在運動過程中，負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。 滑座采用頂置式結構，其特點為高剛性輕型設計，使運動單元靈活，適應高速要求。滑座沿立柱導軌作X向運動，加長導軌支撐長度，運動時滑座始終不離開導軌，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，與十字工作臺結構相比，移動部件輕，且承重大，設計承重大于800kg。另外工作臺沿導軌方向運動，結構剛性好，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。扁長的主軸箱結構，使主軸重心盡量靠近導軌，主軸中心距導軌距離為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軌，中等預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 線性軸驅動采用伺服電動機帶動高速滾珠絲杠副，采取了預緊式單螺母形式，結構緊湊。絲杠兩端采用軸向固定支撐并施加預拉伸，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軸器選用波紋管形式，傳動效率高、剛性好、傳遞扭矩大、扭轉剛度高，且自身轉動慣量小，適應高速性。適當增加座的長度以增加螺母座及絲杠軸承座與基礎件間結合面剛度，同時工藝上采取配副研技術，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，前軸承選用中預載的4列背對背高速角接觸陶瓷球軸承，軸承內徑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)關鍵部件的長壽命設計 為了減少沖擊，提高定位精度，控制系統(tǒng)設定了鐘型加減速功能和HRV功能，調整了影響動態(tài)性能的位置和速度增益。同時，設計中對一些影響精度和工作性能的關鍵部件采取了相應措施。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；由于五軸聯動的轉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，轉臺上兩個電動機罩均設有低壓氣體吹氣。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 (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；機床對稱結構設計，平衡熱變形等；主軸具有中心內冷卻功能，內冷最大壓力為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，一次是主軸與轉子熱裝后，第二次是所有回轉零件裝配好后且?guī)缀尉葯z驗完畢后。另外，在主軸前后位置設計有平衡環(huán)以備在線動平衡用。刀庫放在機床的左側面，用單獨地基，這樣在刀庫和機械手換刀時產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 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據，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 主軸在運轉過程中，電動機、軸承及其它運動部件會因摩擦、損耗等產生熱量。如果熱量不能及時散發(fā)和排出，則會嚴重影響機床精度。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速度快而不能及時排出，使主軸產生熱變形。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的辦法進行了補償。補償數據是通過實驗獲得的。 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系列內裝電動機，具有低速繞組和高速繞組。在低速繞組額定轉速在1500r/min以下時，恒扭矩達118Nm。轉速至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，可實現低速大拉矩切削和高速加工。 機床的三點支撐結構，可便于根據生產線需要調整位置實現快速重組，縮短了機床安裝調試周期，節(jié)約了調整工時。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結語 該產品研制成功后進行了全面性能實驗，經驗證完全滿足設計要求，并且在結構、動靜態(tài)剛度和精度方面表現出色。Z軸實測定位精度3.4μm，重復定位精度小于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(數據均為新產品鑒定時現場實測值)。它標志著機床在主軸轉速、快移速度、位置精度等方面均達到了較高水準，并形成了新一代高性能立式加工中心系列，研究成果實現了商品化、系列化、模塊化。產品在整體結構上采用的三點支撐高附性結構設計和基于可靠性增長分析的部件及元器件設計，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，已進行小批生產和銷售。這充分說明從常用的功能設計進一步發(fā)展機床結構的剛度設計、精度設計、高速化設計、補償技術、壽命設計和可靠性設計等現代機床先進設計技術的作用和必要性。