隨著國民經濟飛速發(fā)展，制造業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，特別是汽車、船舶、紡織、電子技術、航空航天的迅猛發(fā)展，對機床的精度和生產率要求也越來越高，急需一大批加工精度為“µ”級、主軸轉速12,000r/min以上、快移速度大于40m/min的高效高精機床。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，北京機床研究所研制了新一代精密立式加工中心µ1000系列。

    全新結構和高性能的立式加工中心µ1000系列基型產品是在分析國內外立式加工中心主流產品規(guī)格參數(shù)，結合中國市場需求，同時按照高速、高精、高品質、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。

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)格產品的先進水平，同時兼顧強力切削，滿足用戶一機多用的目的；

高剛性結構設計，保證機床設計壽命長；

產品模塊化設計，降低設計成本，形成不同配置的系列產品；

高精度設計，滿足µ級加工精度的需要；

高效率設計，滿足現(xiàn)代高生產率的要求；

注重環(huán)保。

主要技術參數(shù)確定

    根據市場調研確定作為標準配置。µ1000系列的工作臺面尺寸為500mm×1200mm；坐標行程X、Y、Z分別為1000mm、560mm、550mm；主軸功率18.5/22KW，主軸轉速15,000r/min，BT40刀柄；換刀時間(刀到刀)1.5s，最大刀具重量7kg，刀庫容量24把；快速移動速度X、Y、Z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(執(zhí)行GB/T8771.4標準)。

    作為系列產品和選用配置，五軸聯(lián)動控制時配兩軸數(shù)控轉臺，工作臺面尺寸為Ø500mm，坐標行程X、Y、Z分別為500mm、500mm、415mm(五軸時)；主軸轉速12,000r/min、20,000 r/min任選，刀柄可選擇HSKA63。

設計過程

    機床設計從常用的功能設計進一步發(fā)展為機床結構的剛度設計、精度設計、高速化設計、誤差補償技術、壽命設計和可靠性設計等現(xiàn)代先進機床設計技術。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。

    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四套方案，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四種結構。通過有限元剛度分析和加工誤差分析，得出方案1(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，所以在實際設計中選擇了方案1。

    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(shù)改進，避免薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。結論如下：與同類的立式加工中心相比，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%至兩倍以上，并且三個方向的剛度值較均勻(見表1)。

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，加工中不易變形，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�。籜、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。

    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(xiàn)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系列機床打破通常機床結構形式，床身采用三點支撐，高剛性設計，使機床調整簡單，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。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�；�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，易保證直線度、定位精度和加工精度。工作臺只作單方向(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後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X向導軌，主軸中心與導軌距離295mm，比傳統(tǒng)機床減少五份之二，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。

    線性軸驅動采用伺服電機帶動高速滾珠絲杠副，它采取預緊式單螺母形式，結構緊湊。絲杠的支撐采用兩端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。絲杠與電機間的聯(lián)軸器選用波紋管形式，其優(yōu)點是：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，同時工藝上采取配刮研技術，使精度直接進入穩(wěn)定期，提高耐沖擊能力。

    高剛性內裝式電主軸，前軸承選用中預載的四列背對背高速角接觸陶瓷球軸承，軸承內徑Ø70，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。

    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(High Response Vector)控制功能，調整了影響動態(tài)性能的位置和速度增益。同時，為了實現(xiàn)長壽命設計，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，部分油氣會進入電機定子與轉子之間，使電機被污染而影響使用性能和壽命，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，局部形成輕微正壓，以防止油氣進入，保證電機性能穩(wěn)定，壽命長；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，主軸最前端加一路氣，以防止臟物進入和吹散廢油；五軸聯(lián)動的轉臺電機直接運動于工作區(qū)時，臟物可能進入電機，影響壽命，為此，轉臺上兩個電機罩均加有低壓氣體吹氣，形成正壓，阻止異物侵入；為了保證光柵長久保持精度，提高使用壽命，光柵的讀數(shù)頭上也有乾燥清潔的空氣吹入。

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。如主軸套筒和前後軸承座恒溫循環(huán)冷卻，油氣潤滑減少軸承發(fā)熱，後軸承使用圓柱滾子軸承，一旦發(fā)生熱變形，主軸就向後伸長，不影響加工精度；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機體，避免切屑大量堆積引起床身熱變形；機床對稱式設計，平衡熱變形等；主軸具有中心內冷卻功能，內冷最大壓力為22 bar，可滿足高速切削、小孔加工和深孔加工對排屑暢通、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，一次在主軸與轉子熱裝後，第二次在所有回轉零件裝配好且?guī)缀尉�度檢驗完畢後。這樣動平衡精度高，保證回轉精度和防止振動。另外，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。

    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估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。為盡量消除加工區(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(shù)據，計算出機床在各空間點的幾何誤差，并通過CNC系統(tǒng)給與實時補償。

    主軸在運轉過程中，電機、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，以降低熱變形。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，使主軸產生熱變形。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。補償數(shù)據是通過實驗獲得的。

    為了使補償軟件更具有通用性，變量編程被采用，針對不同的機床、不同的使用情況分別給這些變量賦值，便可生成具針對性、實用性的補償程序。

    高生產率的實現(xiàn)是由于具有較高的快速移動速度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12,000~20,000r/min以及高的換刀速度1.5s。主軸電機選用FANUC的&alphaBi系列內裝電機，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，即使增高至4000r/min時，仍有36Nm~44Nm的較大扭矩輸出，在高速繞組下即使20,000r/min時，也仍有8.8Nm~11Nm的扭矩輸出，恒功率范圍寬，可實現(xiàn)低速大扭矩切削和高速加工。

    機床的三點支撐結構，便于根據生產線需要調整位置實現(xiàn)快速重組，縮短了機床安裝調試周期，節(jié)約了調整工時。

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

    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，將冷卻液中油物分離過濾掉，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。

應用

µ1000系列立式加

    1154973561l">中心應用范圍很廣，機床為精密級加工中心，各項精度包括幾何精度、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。設計的高剛性在滿足高精度的前提下，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、制動器、變速箱體、轉向節(jié)、減速器等零件的大批量生產和加工；紡織行業(yè)板類零件加工；油泵油嘴行業(yè)、制表行業(yè)、模具行業(yè)等的開關體、閥體、葉片、葉輪等零件和模具的加工。

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

結論

    該產品研制成功後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(xiàn)出色。在新產品鑒定會現(xiàn)場，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，表面粗糙度為Ra 0.04µm 。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(xiàn)商品化、系列化、模塊化；產品在整體結構上采用三點支撐高剛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，滿足了市場對精密立式加工中心的需要，已進行小批生產和銷售。