羅紅平，劉祥發(fā)，劉桂賢，張永俊，鄧佑成

（1. 廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2. 江門市高成數(shù)控機(jī)械有限公司，江門 529000）

大型零件在船舶、軌道交通、重型制造裝備、大型模具、電力、航空航天、汽車、能源、礦山、冶金、鍋爐、印刷包裝、現(xiàn)代國防等現(xiàn)代工業(yè)部門中具有廣泛的應(yīng)用，如大型船舶螺旋推進(jìn)器、導(dǎo)軌機(jī)車零部件、大型航空件透明模具、鈦合金和鋁合金框架、航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子等[1-2]，其市場需求量逐年增加。信息顯示，我國在未來近20年內(nèi)需要生產(chǎn)制造2400多架新的民用飛機(jī)，價(jià)值為1970億美元，再加上各類支線客機(jī)和民用運(yùn)輸機(jī)，總價(jià)值達(dá)到3500～4000億美元[3]。然而國外對我國在大型零件的加工裝備和工藝等方面有所封鎖，國外設(shè)備售價(jià)昂貴，限制了相關(guān)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

針對船舶、軌道交通、核電等新興行業(yè)及裝備制造業(yè)對大型復(fù)雜零件加工裝備的需求，自主研發(fā)了大型數(shù)控龍門橋式加工中心。該加工中心3個(gè)移動軸X/Y/Z的工作行程分別為3m×5m×0.8m，定位精度可達(dá)0.015mm，可以實(shí)現(xiàn)最大加工速度3m/min、加工精度為0.02mm的鏜銑加工，且能通過雙回轉(zhuǎn)擺動銑頭附件對大型復(fù)雜曲面零件進(jìn)行多軸加工。通過關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案布局設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)集成，形成穩(wěn)定的加工工藝和安裝調(diào)試方案，利用研制的大型數(shù)控龍門橋式加工中心，實(shí)現(xiàn)了一次裝夾下對大型零件的高效、較高精度、較低成本的多面體加工。

機(jī)床主要技術(shù)性能指標(biāo)

研制的大型數(shù)控龍門橋式加工中心總體尺寸及主要技術(shù)性能指標(biāo)包括：

外觀尺寸：長5.9m，寬4.9m，高4.2m，總質(zhì)量50t，總功率75kW。

XY機(jī)床工作臺尺寸： 3.45m×4.32m；

X/Y/Z有效工作行程：X（主軸在橫梁上的橫向移動）：3m；Y（橫梁沿橋式龍門導(dǎo)軌的縱向移動）：5m；Z（主軸上下）：0.8m；機(jī)床定位精度0.015mm，重復(fù)定位精度0.015mm，最大加工速度3m/min；

所開發(fā)的龍門橋式數(shù)控高速加工中心，可實(shí)現(xiàn)0.02mm的鏜銑加工精度；能通過多軸聯(lián)動方式加工大型復(fù)雜曲面零件。

加工中心總體方案設(shè)計(jì)

1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局

針對大中型零件的加工，要求機(jī)床布局結(jié)構(gòu)具有“行程大、速度高、剛度好”等特點(diǎn)，因此重型機(jī)床多采用龍門結(jié)構(gòu)，也就是安裝機(jī)床主軸的橫梁由雙立柱支承。而根據(jù)龍門式加工中心的Y軸移動框架結(jié)構(gòu)可形成若干個(gè)方案，主要包括：（1）動工作臺、動橫梁式；（2）動工作臺、定橫梁式；（3）定工作臺、龍門橋式（橫梁在高架橋式立柱導(dǎo)軌上移動）；（4）定工作臺、動龍門式（龍門框在二邊導(dǎo)軌上移動）等（見圖1）。對于大型機(jī)床，為了盡可能控制機(jī)床的總體尺寸，更多地采用龍門移動式方案（3）或（4），即：工作臺不動、龍門框移動或橫梁在高架橋式立柱導(dǎo)軌上移動。相對于工作臺移動的龍門機(jī)床而言，定工作臺龍門機(jī)床的固定工作臺可以與床身整體鑄出，縱向運(yùn)動的驅(qū)動力矩等值不變，不會因工件承載質(zhì)量的改變而變化，從而能更有效地保證加工精度和機(jī)床的響應(yīng)性能[4-5]。表1給出了各類不同框架結(jié)構(gòu)的龍門式加工機(jī)床的性能比較。從表1的比較結(jié)果可知，對于船舶、機(jī)車、核電等行業(yè)大型零件的加工，采用龍門橋式框架結(jié)構(gòu)可以更好地滿足該類零件的加工要求。

2 機(jī)床運(yùn)動部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對大型零件“材料成本高、廢品率要求嚴(yán)格，材料去除率大，要求的加工效率高，零件表面質(zhì)量及加工精度要求高”等特點(diǎn)，研制的機(jī)床應(yīng)同時(shí)具備穩(wěn)定性高、精度保持性好、功率大、扭矩大、剛性高、可實(shí)現(xiàn)高速加工等多種功能及特性。研制的加工中心機(jī)床選用龍門高架橋式框架結(jié)構(gòu)，大型零件（工件）安裝在固定的工作臺上，橫梁在高架橋式立柱導(dǎo)軌上沿縱向（Y）移動，龍門立柱間的寬度為3450mm，主軸單元可沿橫梁作橫向（X）移動和上下（Z）運(yùn)動，刀具則安裝在懸掛于橫梁上的高速主軸單元內(nèi)（主軸功率7.5～11kW，轉(zhuǎn)速可達(dá) 10000～18000r/min），通過機(jī)床配置的標(biāo)準(zhǔn)主軸和附件銑頭進(jìn)行加工。標(biāo)準(zhǔn)主軸安裝在垂直軸（Z軸）里面，安裝刀具后垂直于工作臺，如果需要加工工件的側(cè)面，則可通過控制系統(tǒng)使主軸里的刀具與所需要的附件銑頭進(jìn)行交換，因此工件一次裝夾后可實(shí)現(xiàn)銑、鏜、鉆、鉸等多種工序的連續(xù)加工。

圖1 大型龍門機(jī)床的框架結(jié)構(gòu)型式示意圖Fig.1 Serial kinematics configurations of large gantry-type machine

圖2表示了該加工中心機(jī)床的三維結(jié)構(gòu)。機(jī)床中，各直線軸的移動（包括橫梁在橋式立柱導(dǎo)軌上的Y向移動、主軸在橫梁上的左右（X）、上下（Z）移動等3個(gè)方向）均采用雙電機(jī)驅(qū)動方式，因此可有效減少傳動摩擦損耗，降低對電機(jī)功率的要求；其中，Y軸驅(qū)動電機(jī)2、11，X軸驅(qū)動電機(jī) 5、8，Z軸驅(qū)動電機(jī) 6、7的功率分別為5kW×2.3kW×2和7kW×2，X軸可實(shí)現(xiàn)12m/min的進(jìn)給速度；各移動軸移動的扭曲直線度為8μm/1m；刀具為安裝在雙主軸頭上的標(biāo)準(zhǔn)刀具或雙回轉(zhuǎn)擺動銑頭12、13，因此能夠?qū)崿F(xiàn)大型零件的五面體加工，并且通過對銑頭、高速主軸單元的設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對各種螺旋體和球體類等工件曲面的高速加工；雙主軸頭懸掛于橫梁3上，分別通過各自的活動螺母聯(lián)結(jié)在同一根絲杠10上，可通過兩主軸頭上獨(dú)立配置的電機(jī)分別驅(qū)動，沿橫梁橫向X獨(dú)立移動，因此可實(shí)現(xiàn)雙刀同時(shí)進(jìn)行加工，生產(chǎn)效率成倍提高；立柱導(dǎo)軌與Z軸滑枕4采用滾柱導(dǎo)軌定位的結(jié)構(gòu)，保證移動精度、平穩(wěn)性及剛度。

表1 大型龍門機(jī)床的框架結(jié)構(gòu)型式示意圖

圖2 龍門橋式加工中心機(jī)床三維結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Three-dimensional structure of large size CNC elevated gantry machining-center

加工中心的若干關(guān)鍵技術(shù)

1 機(jī)床雙主軸橫梁設(shè)計(jì)

加工中心的橫梁單元在機(jī)床運(yùn)動及加工過程中承受著復(fù)雜的空間載荷，使其產(chǎn)生了多向復(fù)雜變形。其中，橫梁的自重為均布載荷，在其上懸掛的雙主軸箱、滑鞍的自重為集中載荷，而切削力則因加工條件不同而發(fā)生變化，屬于大小、方向可變的外載荷（見圖3）。當(dāng)機(jī)床進(jìn)行復(fù)雜零件加工時(shí)，橫梁部件還要承受慣性力等附加載荷。所有這些載荷均會使橫梁產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，影響加工精度。在橫梁上設(shè)置良好的型腔布筋結(jié)構(gòu)（如合理布置筋板的位置、設(shè)計(jì)V形筋布置方式）是保證大型機(jī)床橫梁剛性、避免橫梁彎曲變形過大的關(guān)鍵措施。在橫截面積一定的情況下，通過有限元分析等輔助設(shè)計(jì)手段[6-7]，可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算橫梁的彎曲變形位移情況，從而合理確定橫梁型腔結(jié)構(gòu)，達(dá)到最大限度增大空腔面積、減小筋板厚度、降低橫梁的總體質(zhì)量、解決橫梁彎曲變形等目的。圖4為通過ANSYS workbench軟件對所設(shè)計(jì)的橫梁筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析驗(yàn)算，得到的橫梁在自重作用下產(chǎn)生的彎曲變形云圖。

除了位移變形之外，橫梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性也與機(jī)床的振動特性直接相關(guān)，從而影響到機(jī)床的切削參數(shù)選用和加工過程穩(wěn)定性等性能。圖5給出了橫梁的前幾階主要模態(tài)及其對應(yīng)的振型。通過對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件及整機(jī)等進(jìn)行模態(tài)及振型的有限元分析，可以為機(jī)床結(jié)構(gòu)的動力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)、切削工藝參數(shù)優(yōu)選等提供必要的依據(jù)和指導(dǎo)。

2 Y 軸雙驅(qū)同步移動技術(shù)

一般情況下，各種負(fù)載臺是通過絲桿進(jìn)行力矩傳遞的，如果采用單軸驅(qū)動，限于機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，絲桿往往位于滑臺的一側(cè)而使負(fù)載臺的重心與絲桿不在同一平面內(nèi)，當(dāng)絲桿跟負(fù)載臺的重心不在同一點(diǎn)時(shí)，絲桿除了傳動必須的軸向力矩外，還受到了額外的彎矩，這樣會嚴(yán)重減少絲桿的使用壽命。使用雙軸驅(qū)動時(shí)，絲桿位于負(fù)載臺兩側(cè)對稱放置，這樣絲桿上產(chǎn)生的額外彎矩就會互相抵消，可以提高絲桿的使用壽命。因此采用兩個(gè)電動機(jī)雙邊驅(qū)動是比較理想的方案，但隨之而來就產(chǎn)生了雙軸同步控制的問題[8]。

所設(shè)計(jì)機(jī)床橫梁跨距3450mm，龍門兩側(cè)采用兩套相同的傳動機(jī)構(gòu)，由于主軸和滑枕在橫梁上移動不總是對稱受力，加工過程中還受其他各種不確定因素的影響，由此帶來機(jī)械上的強(qiáng)耦合作用會使移動部件容易傾斜，破壞了同步進(jìn)給的精度，因此采用解耦控制的方法來減輕機(jī)械耦合對兩個(gè)電機(jī)之間的相互影響，提高同步進(jìn)給的精度。如圖6所示，將雙變量控制系統(tǒng)解耦后，轉(zhuǎn)換成獨(dú)立的單變量系統(tǒng)，然后按單變量的控制系統(tǒng)原理進(jìn)行解耦后的設(shè)計(jì)。解耦器是建立在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，為盡量減少同步誤差，需進(jìn)行自適應(yīng)控制，當(dāng)每個(gè)系統(tǒng)受不同負(fù)載擾動影響或其他參數(shù)產(chǎn)生漂移時(shí)，通過檢測雙電機(jī)狀態(tài)之間的誤差，經(jīng)過自適應(yīng)規(guī)律產(chǎn)生的反饋?zhàn)饔脕硇薷目刂破鞯膮?shù)，產(chǎn)生同步控制量，使二者在位置上保持動態(tài)一致。

圖3 橫梁部件受X、Y和Z向切削力示意圖Fig.3 Cutting forces diagram of machining-center beam

圖4 橫梁在自重載荷作用下的彎曲變形云圖Fig.4 Deformation of beam under the load of self-gravity

圖5 橫梁的前四階模態(tài)及其對應(yīng)振型Fig.5 The first four modals analysis of beam and correspording modes

圖6 Y軸雙驅(qū)動解耦驅(qū)動原理Fig.6 Schematic diagram of bilateral synchronous drive(Y axis)

3 機(jī)床控制系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選用沈陽藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)GJ330。該系統(tǒng)為一款通用性強(qiáng)、配置靈活的中高檔數(shù)控系統(tǒng)，可連接總線式、模擬量兩種類型的伺服驅(qū)動器，最多可支持10軸，可實(shí)現(xiàn)6軸聯(lián)動。GJ330數(shù)控系統(tǒng)具有模塊化、開放、靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)置高速嵌入式工業(yè)CPU板卡，配置大尺寸彩色液晶顯示屏和全功能機(jī)床操作面板，具有高性能、高可靠性及配置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、易操作等特點(diǎn)，該系統(tǒng)基本滿足加工中心對數(shù)控系統(tǒng)的要求，且經(jīng)濟(jì)性較好。

伺服系統(tǒng)采用帶有過濾器及電抗器的數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)，配海德漢系列交流伺服電機(jī)，并配海德漢增量式鋼帶直線光柵尺，通過旋轉(zhuǎn)編碼器半閉環(huán)控制。

4 雙主軸頭獨(dú)立驅(qū)動技術(shù)

本加工中心一大特色是機(jī)床橫梁上雙主軸設(shè)計(jì)。在主軸頭沿X軸方向的驅(qū)動方面，采用“旋轉(zhuǎn)螺母絲杠”的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，不但可以利用滾珠螺母的高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行驅(qū)動，避開長絲杠高速旋轉(zhuǎn)帶來的系列問題，提高主軸驅(qū)動的速度和加速度，簡化機(jī)床結(jié)構(gòu)，而且還可以通過對多個(gè)螺母的旋轉(zhuǎn)單獨(dú)控制的方式完成橫梁上雙主軸頭的獨(dú)立驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)雙主軸獨(dú)立加工，從而大大增強(qiáng)加工的靈活性和效率。雙主軸頭樣機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果表明：通過雙主軸頭獨(dú)立驅(qū)動、雙刀同時(shí)加工的方式，可以使加工效率成倍提高。

5 其他相關(guān)技術(shù)

通過包括NC控制技術(shù)、全閉環(huán)控制技術(shù)、A/C雙擺角數(shù)控萬能銑頭、動力學(xué)分析技術(shù)、安全防護(hù)模式、重型刀具的換刀技術(shù)等多種技術(shù)的有效集成與開發(fā)，保證了所開發(fā)機(jī)床的多軸加工功能、精度與高可靠性、安全性。例如：機(jī)床要求通過選用延伸銑頭、五面銑頭、直角銑頭等附件來實(shí)現(xiàn)大型零件的多軸加工，由于不同銑頭的尺寸和扭矩不同，這就要求在配備不同銑頭的同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該具有不同的參數(shù)來自動調(diào)整匹配，以達(dá)到安全防護(hù)的目的。

圖7 龍門加工中心機(jī)床實(shí)物圖Fig.7 Elevated gantry machining-center

圖8 加工后的大型鑄件Fig.8 Large casting parts after machining

所研制的數(shù)控龍門橋式加工中心具有占地面積小、工作臺承重大、加工效率高、使用方便、自動化程度高等特點(diǎn)。圖7為龍門機(jī)床實(shí)物圖，圖8為利用該機(jī)床加工重型機(jī)床大型框架類鑄件的現(xiàn)場照片。

結(jié)束語

本文研制的大型數(shù)控龍門橋式五軸加工中心，通過雙主軸頭獨(dú)立驅(qū)動、橫梁驅(qū)動電機(jī)雙邊精確同步控制、機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化等若干關(guān)鍵技術(shù)的集成，成功實(shí)現(xiàn)了大型零件的高效率、低成本、高穩(wěn)定性、較高精度加工。通過配備雙回轉(zhuǎn)擺動附件銑頭方式，可以實(shí)現(xiàn)對大型復(fù)雜曲面零件的有效加工。本加工中心具有自主知識產(chǎn)權(quán)，目前已成功用于重型機(jī)床、船舶、軌道交通、核電等領(lǐng)域若干大型零部件的加工，具備較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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