隨著國民經(jīng)濟飛速發(fā)展役默，制造業(yè)向著高校增、精、尖方向發(fā)展芳企，特別是汽車烛蘑、船舶、紡織造过、電子技術唱较、航空航天的迅猛發(fā)展，對機床的精度和生產(chǎn)率要求也越來越高召川，急需一大批加工精度為“μ”級南缓、主軸轉(zhuǎn)速12,000r/min以上胸遇、快移速度大于40m/min的高效高精機床。為了適應國內(nèi)市場的需要汉形，滿足用戶對高速纸镊、高精及強力切削的需求，北京機床研究所研制了新一代精密立式加工中心μ1000系列获雕。

　　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)薄腻，結(jié)合中國市場需求，同時按照高速届案、高精庵楷、高品質(zhì)、高穩(wěn)定性的技術發(fā)展方向和高性能價格比的目標進行開發(fā)的楣颠。

　　例：北京機床研究所μ1000系列立式加工中心

　　1.設計原則

　　新一代立式加工中心的設計原則如下：

　　-在速度和精度方面達到國際同類型同規(guī)格產(chǎn)品的先進水平尽纽，同時兼顧強力切削，滿足用戶一機多用的目的拯拓；

　　-高剛性結(jié)構(gòu)設計披贰，保證機床設計壽命長；

　　-產(chǎn)品模塊化設計涌咪，降低設計成本臣碟，形成不同配置的系列產(chǎn)品；

　　-高精度設計降乔，滿足μ級加工精度的需要踊眠；

　　-高效率設計，滿足現(xiàn)代高生產(chǎn)率的要求讨楔；

　　-注重環(huán)保布缨。

　　1.1主要技術參數(shù)確定

　　根據(jù)市場調(diào)研確定作為標準配置。μ1000系列的工作臺面尺寸為500mm×1200mm玻市；坐標行程X柜涛、Y、Z分別為1000mm父独、560mm格缘、550mm；主軸功率18.5/22KW酬屉，主軸轉(zhuǎn)速15,000r/min挖胃，BT40刀柄；換刀時間(刀到刀)1.5s梆惯，最大刀具重量7kg，刀庫容量24把吗垮；快速移動速度X垛吗、Y凹髓、Z分別為48m/min、48m/min怯屉、36m/min蔚舀；全閉環(huán)情況下定位精度≤0.008mm，重復定位精度≤0.004mm(執(zhí)行GB/T8771.4標準)锨络。

　　作為系列產(chǎn)品和選用配置赌躺，五軸聯(lián)動控制時配兩軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺，工作臺面尺寸為?500mm羡儿，坐標行程X礼患、Y、Z分別為500mm姥购、500mm渺因、415mm(五軸時)；主軸轉(zhuǎn)速12,000r/min概给、20,000 r/min任選妙裸，刀柄可選擇HSKA63。

　　1.2設計過程

　　機床設計從常用的功能設計進一步發(fā)展為機床結(jié)構(gòu)的剛度設計跛庶、精度設計睁去、高速化設計、誤差補償技術质凰、壽命設計和可靠性設計等現(xiàn)代先進機床設計技術殃宜。為了實現(xiàn)精密機床設計要求，在機床設計中對各方面進行了綜合考慮羡财。

　　為保證機床結(jié)構(gòu)設計的合理性监镰，對基礎件、傳動系統(tǒng)伐怀、主軸及整機都進行了有限元分析俐芬，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细溅。

　　在設計開發(fā)過程的初期褥傍，初步設計了外形尺寸和工作區(qū)范圍相同而結(jié)構(gòu)不同的四套方案，即：定梁頂置滑枕式喇聊、定立柱十字工作臺式恍风、橫梁滑座式和定立柱三坐標單元式四種結(jié)構(gòu)。通過有限元剛度分析和加工誤差分析誓篱，得出方案1(即定梁頂置滑枕式)的剛度是最大的朋贬，且誤差分配也比較合理，所以在實際設計中選擇了方案。

　　按方案1的結(jié)構(gòu)進行了機床整機和部件的設計锦募，并且根據(jù)設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)改進摆屯，避免薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。結(jié)論如下：與同類的立式加工中心相比糠亩，這臺機床在各個方向的剛度都具有較大的優(yōu)勢虐骑，綜合當量剛度約提高40%至兩倍以上，并且三個方向的剛度值較均勻(見表1)赎线。

　　表1　與類似規(guī)格加工中心的剛度計算值比較

　　機床名稱 X向剛度

　　Kx(N/μm) Y向剛度

　　Ky(N/μm) Z向剛度

　　Kz(N/μm) 三向綜合當量剛度

　　K(N/μm)

　　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

　　由計算結(jié)果可知疆虑，機床整機的整體性能優(yōu)良，機床靜態(tài)剛度顯著提高徽橄，可以滿足高速澄月、高精、高效的要求擂椎。

　　這種布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：床身例氓、立柱分體，且主要構(gòu)件均呈箱形結(jié)構(gòu)融卿，加工中不易變形峡黍，加工工藝性好；結(jié)合面較大油蒙，基礎穩(wěn)固居串，主軸懸伸小，整體結(jié)構(gòu)剛度高保地；左右完全對稱式設計撰拯，主軸X向熱平衡較好；Y向懸伸小嗓奢，熱變形影響兴先觥；X股耽、Y根盒、Z軸移動部件輕，加速性好物蝙；構(gòu)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)固易于保證導軌運動精度炎滞，精度穩(wěn)定性好。

　　為保證機床的精度穩(wěn)定诬乞，床身册赛、立柱、滑座震嫉、主軸箱等都采用有限元分析森瘪，應用高阻尼性能的優(yōu)質(zhì)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(xiàn)不合理的懸臂狀態(tài)扼睬；導軌采用高剛性滾柱導軌湃望，安裝基面精密刮研。

　　μ1000系列機床打破通常機床結(jié)構(gòu)形式芬莫，床身采用三點支撐，高剛性設計歪眨，使機床調(diào)整簡單众被，不依賴于地基，機床可不需特殊地基而直接安裝在水泥地坪上蛉增。床身用基于無彎矩的力流原理的特殊筋板設計唤抚，保證其上構(gòu)件在運動過程中，負載重心和切削點始終不離開三點支撐的范圍践寄，并有足夠的支撐剛度说庶，有利于保持精度的穩(wěn)定。

　　滑座采用頂置式結(jié)構(gòu)檩渐，其特點為高剛性輕型設計秆牍，使運動單元靈活，適應高速要求剃拇≈Ф粒滑座沿立柱導軌作X向運動，加長導軌支撐長度害淤，運動時滑座始終不離開導軌扇雕，易保證直線度、定位精度和加工精度窥摄。工作臺只作單方向(Y向)移動镶奉，與十字工作臺結(jié)構(gòu)相比移動部件輕，且承重大崭放，設計承重大于800kg哨苛。另外工作臺沿導軌方向運動，結(jié)構(gòu)剛性好莹菱，運動精度高移国，避免了傳統(tǒng)機床工作臺移動到兩端後直線度降低或超差問題。扁長的主軸箱結(jié)構(gòu)道伟，使主軸重心盡量靠近X向?qū)к壖Ｗ海鬏S中心與導軌距離295mm，比傳統(tǒng)機床減少五份之二蜜徽，這樣主軸懸伸小祝懂，受彎矩小。另外導軌安裝在主軸箱上，滑塊在滑座上窜旺，大大增強了Z向剛性共悼，提高了加工精度和運動穩(wěn)定性，定位精度高杏紫。

　　采用了寬度較大的滾柱導軌钙瘫，中等預載荷消除了間隙和爬行，提高系統(tǒng)剛度和運動精度申蔗。

　　線性軸驅(qū)動采用伺服電機帶動高速滾珠絲杠副侯砸，它采取預緊式單螺母形式，結(jié)構(gòu)緊湊些玖。絲杠的支撐采用兩端固定支撐并施加預拉伸俗衍，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步垢。絲杠與電機間的聯(lián)軸器選用波紋管形式簸隅，其優(yōu)點是：傳動效率高、剛性好易解、傳遞扭矩大撰钥、扭轉(zhuǎn)剛度高，且自身轉(zhuǎn)動慣量小蓉冈，適應高速性城舞。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(jié)合面剛度，同時工藝上采取配刮研技術寞酿，使精度直接進入穩(wěn)定期家夺，提高耐沖擊能力。

　　高剛性內(nèi)裝式電主軸伐弹，前軸承選用中預載的四列背對背高速角接觸陶瓷球軸承拉馋，軸承內(nèi)徑?70，這種組合方式使軸承可同時承受徑向和軸向載荷惨好，主軸動靜剛度高煌茴。

　　為了減少沖擊、提高定位精度日川，控制系統(tǒng)設定了鐘型加減速功能和HRV(High Response Vector)控制功能蔓腐，調(diào)整了影響動態(tài)性能的位置和速度增益。同時龄句，為了實現(xiàn)長壽命設計回论，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：由于主軸軸承用油氣潤滑畦洞，部分油氣會進入電機定子與轉(zhuǎn)子之間晴消，使電機被污染而影響使用性能和壽命贰嚷，為了克服這一點，在電機前後端均有低壓乾燥清潔氣體吹入战决，局部形成輕微正壓泵位，以防止油氣進入，保證電機性能穩(wěn)定窘燎，壽命長辙肿；為避免主軸前端有臟物進入軸承，并防止軸承油氣潤滑的廢油滲出到主軸端面上昂待，主軸最前端加一路氣褥疆，以防止臟物進入和吹散廢油；五軸聯(lián)動的轉(zhuǎn)臺電機直接運動于工作區(qū)時糊怖，臟物可能進入電機，影響壽命生碗，為此捻艳，轉(zhuǎn)臺上兩個電機罩均加有低壓氣體吹氣，形成正壓庆猫，阻止異物侵入认轨；為了保證光柵長久保持精度，提高使用壽命月培，光柵的讀數(shù)頭上也有乾燥清潔的空氣吹入嘁字。

　　為了保證高精度，多種措施被采用以減少機床的熱變形和振動杉畜。如主軸套筒和前後軸承座恒溫循環(huán)冷卻纪蜒，油氣潤滑減少軸承發(fā)熱，後軸承使用圓柱滾子軸承此叠，一旦發(fā)生熱變形纯续，主軸就向後伸長，不影響加工精度灭袁；大流量冷卻刀具和工件猬错，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機體茸歧，避免切屑大量堆積引起床身熱變形倦炒；機床對稱式設計，平衡熱變形等晶会；主軸具有中心內(nèi)冷卻功能毁兼，內(nèi)冷最大壓力為22 bar，可滿足高速切削暂韭、小孔加工和深孔加工對排屑暢通姿抒、及時帶走加工熱量的要求奇门。

　　為了使主軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低噪聲茂蓬，減小振動栖啰，對主軸采用兩次動平衡，一次在主軸與轉(zhuǎn)子熱裝後吴钧，第二次在所有回轉(zhuǎn)零件裝配好且?guī)缀尉葯z驗完畢後劫漠。這樣動平衡精度高，保證回轉(zhuǎn)精度和防止振動宙娃。另外拄弯，在主軸前後位置設計有平衡環(huán)以備在線動平衡用。刀庫放在機床的左側(cè)面幻林，用單獨地基贞盯，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沪饺，使機床精度更穩(wěn)定躏敢。

　　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，特別是定位精度整葡，機床上安裝了精度為0.003mm的HEIDENHAIN封閉式絕對光柵尺件余，進行全閉環(huán)控制。但機床的定位精度只能評估機床在特定位置時的精度遭居，如果遠離測量面進行加工時啼器，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俱萍，并不能全面降低整個加工面的位置度誤差端壳。為盡量消除加工區(qū)域內(nèi)的位置度誤差，提高機床的加工精度枪蘑，增加了空間誤差補償功能更哄，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齿矗，并通過CNC系統(tǒng)給與實時補償用玷。

　　主軸在運轉(zhuǎn)過程中，電機爷凫、軸承及其它運動部件會因摩擦疗涎、損耗等產(chǎn)生熱量。如果熱量不能及時散發(fā)和排出罪团，則會嚴重影響機床精度理若。因此，對主軸電機外套和軸承座外套用通過恒溫油的方式進行循環(huán)冷卻嗤渔，使主軸運轉(zhuǎn)過程中絕大部分的熱量隨循環(huán)油帶出機體涡似，以降低熱變形霸篡。但是，冷卻再完善也仍然會有部分熱量因傳導速度快而不能及時排出怨怒，使主軸產(chǎn)生熱變形吹毫。為了進一步解決主軸熱變形對精度的影響，主軸Z向的熱變形可用軟件補償?shù)霓k法進行了補償榴痢。補償數(shù)據(jù)是通過實驗獲得的龟卷。

　　為了使補償軟件更具有通用性，變量編程被采用粤策，針對不同的機床樟澜、不同的使用情況分別給這些變量賦值，便可生成具針對性叮盘、實用性的補償程序秩贰。圖5示出采用熱補償后Z向的誤差由補償前的25.93μm降至8.76μm，約降低三分之二柔吼。(試驗條件：主軸轉(zhuǎn)速7500r/min萍膛，每兩分鐘測量一次溫度和位移，溫度測點為前後軸承及環(huán)境溫度嚷堡，位移測點為主軸軸端。溫升為后軸承沒有冷卻的情況下艇棕。)

　　高生產(chǎn)率的實現(xiàn)是由于具有較高的快速移動速度48m/min蝌戒，高的切削進給速度30m/min，最大0.9g的加速度沼琉；高的主軸轉(zhuǎn)速12,000~20,000r/min以及高的換刀速度1.5s北苟。主軸電機選用FANUC的&alphaBi系列內(nèi)裝電機，具有低速繞組和高速繞組琉枚，在低速繞組額定轉(zhuǎn)速在1500r/min以下時酌涮，恒扭矩達118Nm，即使增高至4000r/min時更鼻，仍有36Nm~44Nm的較大扭矩輸出丑炒，在高速繞組下即使20,000r/min時，也仍有8.8Nm~11Nm的扭矩輸出措铸，恒功率范圍寬芬阀，可實現(xiàn)低速大扭矩切削和高速加工。

　　機床的三點支撐結(jié)構(gòu)废含，便于根據(jù)生產(chǎn)線需要調(diào)整位置實現(xiàn)快速重組讽渐，縮短了機床安裝調(diào)試周期，節(jié)約了調(diào)整工時锰玩。

　　機床的模塊化設計主要體現(xiàn)在BT40與HSKA63刀柄的互換揭斥；轉(zhuǎn)臺和工作臺可以方便地互相更換凝估；導軌和絲杠可根據(jù)用戶需求選用不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，如STAR眶衙、NSK甜奄、THK等。數(shù)控高速銑床王滤、三軸贺嫂、四軸、五軸加工中心可以快速配置出來雁乡。液壓第喳、潤滑、冷卻的設計以及電氣設計均可根據(jù)用戶不同要求及不同配置方便地取舍踱稍；根據(jù)用戶不同需求曲饱，轉(zhuǎn)臺傾斜角度也可以改變等，拓寬了用戶的選擇面和使用面珠月。

　　全封閉防護罩確保高速扩淀、高效加工條件下工人操作安全。使用油水分離器啤挎，將冷卻液中油物分離過濾掉驻谆，延長冷卻液的使用壽命，提高冷卻液使用效果庆聘，并且符合環(huán)保要求胜臊。

　　3.應用

　　μ1000系列立式加工中心應用范圍很廣，機床為精密級加工中心商寝，各項精度包括幾何精度筝便、加工精度均為國家標準的精密級，而定位精度比精密級還提高一倍愁淀。設計的高剛性在滿足高精度的前提下匆力，還有很強的切削能力。應用范圍如下：汽車的發(fā)動機缸體缸蓋曙椎、制動器龟些、變速箱體、轉(zhuǎn)向節(jié)卤诗、減速器等零件的大批量生產(chǎn)和加工鼠灼；紡織行業(yè)板類零件加工；油泵油嘴行業(yè)搁赘、制表行業(yè)眯词、模具行業(yè)等的開關體、閥體愁反、葉片延届、葉輪等零件和模具的加工剪勿。

　　在已售出的機床中，用于汽車發(fā)動機缸蓋及主方庭、差減速器殼體生產(chǎn)線上的機床厕吉，可改進生產(chǎn)線工藝，提高生產(chǎn)率和精度械念；用于航空航天業(yè)的機床头朱，能滿足形狀復雜、精度要求高的零件加工龄减，以及薄壁輕型零件的加工项钮，成為具有強的市場競爭力的新產(chǎn)品，取得了好的社會和經(jīng)濟效益希停。

　　4.結(jié)論

　　該產(chǎn)品研制成功後進行了全面性能實驗烁巫，經(jīng)驗證完全滿足設計要求，并且在結(jié)構(gòu)宠能、動靜態(tài)剛度和精度方面表現(xiàn)出色亚隙。在新產(chǎn)品鑒定會現(xiàn)場，Z軸實測定位精度3.4μm棵薛，重復定位精度小于1.7μm掰砌；用端銑刀銑削鋁件，表面粗糙度為Ra 0.04μm 抗该。它標志著機床在主軸轉(zhuǎn)速学岔、快移速度、位置精度等方面均達到了較高水準童丢，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)商品化吆踏、系列化择车、模塊化；產(chǎn)品在整體結(jié)構(gòu)上采用三點支撐高剛性結(jié)構(gòu)設計和基于可靠性增長分析的部件及元器件設計轩丁，確保了機床高速阀严、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)點仙商，滿足了市場對精密立式加工中心的需要砚凳，已進行小批生產(chǎn)和銷售。

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