沈機集團昆明機床股份有限公司　張曉毅

TGK46100高精度數控臥式坐標鏜床的研發(fā)和應用

沈機集團昆明機床股份有限公司張曉毅

一、概述

坐標鏜床是具有精密坐標定位裝置，用于加工高精度孔或孔系的一種鏜床。坐標鏜床以其精度高和穩(wěn)定性好而著稱，其精度是國際上機床制造業(yè)追求的目標，所以被機床制造業(yè)稱為精密機床之王。坐標鏜床的研發(fā)、生產、制造是一個國家機床制造業(yè)的代表產品，是衡量一個國家機床制造裝備業(yè)整體水平的重要標志。

在坐標鏜床上還可進行鉆孔、擴孔（見鉆削）、鉸孔（見鉸削）、銑削、精密刻線和精密劃線等工作，也可進行孔距和輪廓尺寸的精密測量。坐標鏜床適于在工具車間加工鉆模、鏜模和量具等，也用在生產車間加工精密工件，是一種用途較廣的高精度機床。坐標鏜床是高精度機床的一種，它的結構特點是有坐標位置的精密測量裝置。坐標鏜床可分為單柱式坐標鏜床、雙柱式坐標鏜床和臥式坐標鏜床。

20世紀初期，由于鐘表儀器制造業(yè)的發(fā)展，需要加工孔距精度較高的設備，1905年在瑞士制成小型臺式坐標定中心機床。1917年，在美國制成單柱坐標鏜床。1920年瑞士制成雙柱坐標鏜床。當時絕大多數坐標鏜床采用精密絲杠螺母、標準測桿（或量塊）和千分表作為坐標定位裝置，坐標定位精度僅為6～10微米。30年代，在德國、瑞士等先后出現了以線紋尺定位的光學坐標鏜床，坐標定位精度提高到2～6微米。60年代以后，隨著電子技術的發(fā)展，坐標鏜床向數字顯示和數字控制方向發(fā)展，采用光柵、感應同步器、激光干涉儀和磁柵等作為坐標定位裝置，有的還增設了自動換刀裝置。

從1905年瑞士DIXI公司研制成功國際上第一臺小型臺式坐標中心孔機床起，至今在100余年的機床變革中，坐標鏜床逐年得到發(fā)展并未被淘汰，說明坐標鏜床在機床行業(yè)中仍有其市場，并且是不可替代的。

我國坐標鏜床的研發(fā)、生產制造起步于1958年昆明機床廠研制成功的T4128單柱電感應坐標鏜床，1959年研發(fā)成功T4163單柱坐標鏜床（并分別于1970年、1973年、1984年進行三次重大改進）和T4240雙柱坐標鏜床，1962年研發(fā)成功T4132單柱坐標鏜床，1965年研發(fā)成功我國第一臺大型雙柱坐標鏜床T42100（該機床的研制成功標志著我國機床制造水平向世界水平邁進），1966年研制成功TA4280雙柱坐標鏜床，1972年研發(fā)成功T42200光柵數顯大型雙柱坐標鏜床（工作臺面寬度2000mm），1973年分別研發(fā)成功我國第一臺TK4163B數控單柱坐標鏜床和TK42100A數控雙柱坐標鏜床，其后對數控單柱、雙柱坐標鏜床進行了多次重大改進，定型產品型號為：TK4163H數控單柱坐標鏜床和TK42100/2數控雙柱坐標鏜床。

國內制造坐標鏜床的主要制造廠主要有：沈機集團昆明機床股份有限公司、北京第二機床廠（已停產）、寧江機床廠、上海第三機床廠（已停產）、漢川機床廠。目前，除沈機集團昆明機床股份有限公司研發(fā)、制造大型坐標鏜床和數控坐標鏜床外，其余制造廠均已只生產小規(guī)格坐標鏜床和數控坐標鏜床。

目前國產坐標鏜床其精度一般為：直線坐標定位精度0.005mm，重復定位精度0.003mm。機床的快速移動速度一般≤10m/min。而昆明機床1988年研制成功的TGK42100高精度數控雙柱坐標鏜床通過持續(xù)改進完善，使精度不斷得到提高，坐標定位精度實測≤0.003mm，重復定位精度≤0.0015mm。因此，和國內同類產品比較，沈機集團昆明機床股份有限公司技術優(yōu)勢明顯。

昆機繼研制出中國第一臺坐標鏜床（T4128）和中國第一臺被譽為“機床之王”的T42100大型雙柱坐標鏜床之后，基于“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項，于2012年成功研發(fā)出了一款可用于極限加工的超精密加工機床——TGK46100高精度臥式坐標鏜床。

二、產品性能介紹

TGK46100高精度臥式坐標鏜床作為集傳統精密制造技術與現代機、電、光、液、氣、信息控制技術為一體的高科技產品，在制造上秉承了昆明機床傳統精密制造工藝，配置了日本FANUC 31i-MA數控系統，實現了傳統坐標鏜“質”的飛躍，采用了高剛度整體式床身、方便安裝、具有3點支撐的優(yōu)越穩(wěn)定性，“箱中箱”式重型高剛性大阻尼龍門封閉框架，直結式中央出水機械主軸，直驅式回轉工作臺，雙驅式直線進給系統等前沿技術，通過對整機結構動靜熱態(tài)特性的分析及優(yōu)化、機電耦合優(yōu)化匹配、低應力制造與裝配、熱平衡設計及熱變形實時監(jiān)測與補償、數控系統誤差補償等關鍵技術的攻關研究及應用，使機床具有粗加工過程中要求的高剛度和高可靠性，精加工時要求的極高精度，高速運動時移動質量小而輕高動態(tài)性能等突出優(yōu)點，能實現高速及良好的運動特性和穩(wěn)定的高精加工質量，滿足了機床高速、高精、高效、高可靠性的切削性能要求。

TGK46100坐標鏜床作為高精度和高動態(tài)響應的工作母機，適用于箱體類、盤套類、板件及模具類等復雜零件的中、小批量精密加工，可用輪廓控制方法銑削斜面、框形平面、二維、三維曲面，特別適用于尺寸、形狀和位置精度要求高的孔系加工，完成鏜、鉆、锪、鉸、攻絲等工序，還可作為精密刻線樣板、高精度劃線樣板、孔距及長度測量樣板等，廣泛用于發(fā)動機缸體缸蓋、變速箱體、閥體、模具等復雜零件的精密加工。

同時，TGK46100坐標鏜床選配A擺頭或AC頭后可實現五軸聯動控制，適用于風電行業(yè)的葉片加工、模具制造行業(yè)復雜型面加工、航空航天領域鋁合金與鈦合金的高精度和高速加工、醫(yī)療器械領域淬火鋼和不銹鋼等特殊材料加工、工程機械領域的全自動化柔性制造線零件加工等，是軍工、機床、航空、航天、核電、船舶、汽車、能源、刀具模具及機器制造業(yè)精密零件加工的理想設備。

該產品主要技術參數如下：

A 工作臺工作臺尺寸（長×寬）1000×1000mm工作臺T型槽（槽數-寬度）6～22mm工作臺最大承重2500kg工件最大回轉直徑Ф1400mm工件最大高度1300 mm B主軸主軸直徑110mm主軸錐孔ISO50#（7∶24）主軸轉速10～6000r/min主電機功率22kW主軸最大扭矩560N m主軸最大軸向抗力5000N刀柄規(guī)格JT50（ISO7388/1 ）拉釘型號LD-50D C加工范圍滑板橫向行程（X）1200mm主軸箱垂直行程（Y）1100mm工作臺滑座縱向行程（Z）1100mm工作臺回轉（B）360°連續(xù)任意分度D快速移動速度X、Y、Z坐標48m/min B坐標5r/min E定位精度X、Y、Z坐標0.003mm B坐標3″F重復定位精度X、Y、Z坐標0.0015mm B坐標1.5″B（4×90°）1″X、Y、Z軸直線度0.003mm主軸端部徑向跳動0.001mm H數控系統SIEMENS-840D或FANUC31i

三、新技術應用情況

1.高剛度、高穩(wěn)定性的基礎大件及整機結構設計技術

1）整機結構方案設計

如圖1所示，該機床采用高剛度整體式床身、3點支撐、X坐標及Y坐標成“箱中箱”式封閉框架結構，整個機床由床身、龍門、滑板、工作臺、主軸系統、進給系統、液壓系統、潤滑系統、冷卻系統、刀庫、排屑裝置、安全防護裝置、數控系統等部件組成。所有直線運動坐標導軌采用滾柱式滾動直線導軌。進給機構采用電機與滾珠絲杠直聯傳動，其中X向采用雙電機雙絲杠傳動，Y、Z向采用單電機單絲杠傳動。

圖1　機床整機結構方案圖

2）整機模態(tài)理論分析與試驗驗證

將機床的三維模型導入到有限元分析軟件，經網格劃分、添加邊界條件載荷及約束后，經求解計算，得到整機的前幾階固有頻率及相應的振型。

采用由機床（測試對象）、力傳感器、壓電式加速度傳感器、LMS SCADAS III多通道數采前端即硬件部分、Test.Lab模態(tài)分析軟件和計算機等六部分組成的試驗模態(tài)測試系統進行試驗，得到其低階模態(tài)參數與振型。在低階振型中，主要為主軸箱上下擺動，龍門前后彎擺，滑鞍兩立柱的橫向擺動，可以認為在整機結構中，這些部件的在振型的振動方向上動態(tài)剛度不夠，需要進一步改進和提高。同時，試驗模態(tài)分析的結果可作為驗證機床模態(tài)分析計算結果正確性的標準，通過在合理范圍內調整結合面參數實現有限元分析和實驗結果的匹配，從而實現結合面參數的識別。

對比有限元計算所得的各階固有頻率與試驗測得的頻率值，可知相對誤差的絕對最大約為20%。經過參數識別，反復分析，最終確定結合部的滾珠絲杠副的軸向剛度 、單個直線滾動導軌的切向剛度 和單個直線滾動導軌的法向剛度 。有限元模型修正后，整機前8階固有頻率有限元計算結果與試驗測量結果對比情況見下表。由表可知：有限元計算所得的各階固有頻率與試驗試驗測得的頻率值的相對誤差的絕對值最大為8.91%，小于10%。

整機固有頻率計算結果與試驗結果對比表

通過以上試驗模態(tài)與計算模態(tài)的振型與固有頻率對比，可以發(fā)現大部分振型是相符合的，證明結合面參數修正后有限元模型是相對準確的模型，采用有限元計算的方法可以有效地對機床性能進行分析，從而縮短了產品的研發(fā)周期。

3）高剛度、高穩(wěn)定性的床身基礎支撐結構設計

床身是整個機床的基礎部件，其剛性高低直接決定了機床的各項精度及其穩(wěn)定性。本機床采用T型整體式3點支撐床身，且為封閉的箱型結構，通過對床身內部筋板結構的優(yōu)化，采用豎直與大三角斜筋板交錯的網狀筋板結構，可以提高截面抗扭截面矩，從而提高床身自身的剛度和承受復合載荷的能力，確保了機床的運動精度和強力切削性能，如圖2所示。

圖2　支撐結構圖

對該床身結構分別進行了空載和工作狀況下的靜、動態(tài)分析，考察結構在靜態(tài)載荷條件下的變形特性和結構固有的動態(tài)特性。如圖3所示，經靜力分析和模態(tài)分析，結果表明該床身能夠較好地滿足設計需求，具有較好的靜動態(tài)特性。

圖3　床身動靜態(tài)特性分析結果

針對原有床身靜態(tài)特性不好的特點，采用拓撲優(yōu)化與結構優(yōu)化相結合的方法，對床身結構進行了多種優(yōu)化嘗試（如圖4所示），具體結論：①床身流道部分可以完全去掉，將該部分去掉后床身導軌變形不變，模態(tài)有原來的160Hz提高到200Hz。②前床身導軌變形較大，達到10um。為減小變形，對床身筋板厚度、筋板高度進行優(yōu)化，優(yōu)化后變形為8um，變形減少20%。③前床身整體結構較差，僅對筋板厚度、高度進行優(yōu)化變形減小有限。由于前床身中間沒有支撐（僅靠前部兩點），且導軌靠近前床身中間，故變形較大。在導軌間距離增加125mm后，變形減小1.2um，變形減少12%。

圖4　TGK46100床身結構優(yōu)化設計

4）龍門立柱結構設計

機床立柱龍門采用優(yōu)質鑄鐵的超大重型筋板龍門靜態(tài)左右對稱框架結構，具有極高的剛性，與傳統的動立柱相比，移動件質量減輕約1/3，移動件的重心始終保持在導軌內，始終保持移動物體的重心平衡。立柱龍門確保了優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，實現穩(wěn)定的高精度加工。經靜力分析和模態(tài)分析，結果表明該床身能夠較好地滿足設計需求，具有較好的靜動態(tài)特性，如圖5所示。

圖5　高剛性龍門式立柱結構及其有限元分析結

針對龍門立柱動態(tài)特性不足的問題，通過拓撲優(yōu)化及基于拓撲優(yōu)化的多目標優(yōu)化進行龍門立柱的結構改進。拓撲優(yōu)化結果表明，通過增加龍門立柱底座上部工藝孔旁邊的清砂孔和去除底座下部中間筋板，可在保證靜動態(tài)剛度的前提下，將龍門立柱質量減少275.3kg。

在拓撲優(yōu)化結果的基礎上，以立柱的主要筋板尺寸為優(yōu)化參數，以立柱的靜動態(tài)特性為基本約束，以立柱質量減小為主要目標，進行立柱的多目標優(yōu)化?；谕負鋬?yōu)化的多目標優(yōu)化后，龍門立柱質量減少460.6kg。

5）高精度的主軸箱及主軸軸系結構設計

主軸系統采用中央出水直結式機械主軸，可實現低轉速區(qū)域的中切削以及高速區(qū)域的低發(fā)熱高精度切削；主軸軸承采用前軸承二聯同向軸承，后軸承二聯同向軸承結構，前、后軸承背對背安裝（熱對稱結構）。依據主軸轉速選用四聯端面帶密封的混合式陶瓷球軸承，精度等級為P2級；主軸箱平衡采用平衡油缸與大蓄能器（容量≥100L）實現液壓平衡；主電機通過減速箱直接與主軸聯接實現可換檔的主運動；用電機自帶編碼器作為主軸準停編碼器（外加開關）。

圖6　主軸系統結構圖

6）高精度回轉工作臺設計

數控機床中常用的回轉工作臺有分度工作臺和數控回轉工作臺，它們的功用各不相同。分度工作臺的功用只是將工件轉位換面，和自動換刀裝置配合使用，實現工件一次安裝能完成幾個面的多種工序，提高工作效率；數控回轉工作臺除了分度和轉位的功能之外，還能實現數控圓周進給運動。

本產品采用直驅式轉臺：采用力矩電動機的轉子直接驅動旋轉部件運動，回轉傳動零背隙且沒有磨損，回轉工作臺采用軸向徑向復合的轉臺軸承；工作臺可以實現編碼器級別的精度；軸承剛性夾緊構造實現高精度和高剛性。

圖7　精密回轉工作臺

7）電氣系統設計

根據項目總體目標以及設計任務書要求，為保證產品樣機TGK46100達到高速高精技術指標要求，在高剛度結構設計和精密制造裝配的基礎上，電氣控制優(yōu)選匹配國外知名品牌FANUC 31i數控系統，集成系統的精密插補技術、高動態(tài)伺服控制技術、多項精度補償技術，以及高精度光柵監(jiān)測系統等構成電氣系統集成解決方案如圖8所示。

圖8　電氣系統集成解決方案

8）排屑系統設計

本機床采用復合式排屑系統：在床身兩側分別分布兩個螺旋排屑器，床身后端面設置一個鏈板排屑器。切屑從機床床身上掉落到螺旋排屑器溝槽內，螺旋桿轉動時，溝槽中的切屑即由螺旋桿推動連續(xù)向前運動，送到位于床身后端面的鏈板排屑器上，再由鏈板排屑器最終排入切屑收集箱。

圖9　排屑系統設計

9）其他系統

①液壓系統：機床液壓系統用來完成刀具裝卸、回轉運動坐標B軸的夾緊松開的操作動作。機床液壓系統采用L-HL32#或者L-HL46#機械油，液壓油必須過濾后才能使用。機床液壓系統設有一個液壓油箱，并由一個油溫冷卻機來控制油溫，提高了液壓元件的使用壽命和液壓系統的工作可靠性。

圖10　機床液壓系統示意圖

②潤滑系統：潤滑是減少摩擦和磨損的重要措施，根據各部件的運動和工作情況，本機床的潤滑有油脂潤滑，周期集中潤滑。

油脂潤滑：主軸軸承用瑞典SKF產LGLT2合成潤滑脂（或同等質量進口名牌潤滑脂）潤滑， X、Y、 Z軸絲桿軸承用2號潤滑脂潤滑。

周期集中潤滑：X、Y、Z軸運動導軌面，X、 Y、Z軸的絲桿螺母用L-HG68#或L-HG150#液壓導軌油潤滑，由電動潤滑泵間隙供油，油量分配器（PDI）將潤滑油按所選定的注油量定時定量地輸送到各個潤滑點，潤滑周期可在PLC中設定。出現缺油報警時，向潤滑泵中加注潤滑油。

③檢測系統：本機床的X軸、Y軸、Z軸直線測量均采用高精度的HEIDENHAIN直線光柵尺，組成全閉環(huán)測量系統；B軸采用HEIDENHAIN圓光柵，構成全閉環(huán)測量系統。

④安全防護裝置：主機防護采用全封閉式的整機防護罩，避免高速加工時因切削液和鐵屑飛濺而造成的環(huán)境污染或人身傷害，防護裝置能有效回收鐵屑及切削液，性能安全可靠。

2.關鍵零部件精密制造技術

1）機床關鍵零部件無應力制造工藝

床身、立柱龍門、滑板、工作臺、工作臺滑座、主軸箱等基礎大件因精度要求高，為了使鑄造應力和加工應力得到充分釋放，保證其精度穩(wěn)定性，工藝上進行三次熱時效處理，分別為鑄造、粗加工和半精加工后各一次?；A大件加工及裝配的主要工藝流程如圖11所示。

圖11　大件加工及裝配流程圖

2）高精度導軌安裝與刮研技術

本項目采用滾動直線導軌，最基本的要求是保證直線導軌安裝面的平面度。對安裝螺釘孔進行锪沉孔處理，避免由于螺栓拉力導致安裝基面膨出。同時，在滾動直線導軌緊固過程中，按裝配工藝要求進行粗預緊、半精預緊和精預緊，并對滾動直線導軌副的直線度進行檢測。將滾動直線導軌滑動塊與各部件結合面進行刮鏟，保證其平面度，并控制導向面的精度，確保達到國家標準。

3）高精度主軸系制造技術

TGK46100精密軸系零件為主軸、冷卻套、工作臺軸承定位套、主軸裝配的內（外）隔圈等零件，精度要求圓度和柱度為0.001mm，內（外）隔圈厚度尺寸一致性及平行精度為0.001mm。工藝上在粗加工后采取高溫消力、半精加工后采取中溫消力、精磨過程中采用二次油煮定性方式消除加工中產生應力，并在加工中采取加工余量逐漸減小的方式，保證精密軸系零件的尺寸和精度的穩(wěn)定性（如圖12所示）。

該產品主軸轉速為6000r/min，其結構形式為主電機通過減速機直聯主軸，因轉速高，主軸部件在裝配后把所有運動件裝上進行部件的動平衡試驗。

因主軸部件裝配后的綜合精度要求非常高，錐孔跳動徑向跳動≤0.002mm，為了保證該精度要求，工藝上采取主軸部件組裝后進行主軸部件外圓的精磨削，在以其外圓為基準，上高精度磨夾具精磨主軸錐孔至要求。

圖12　精密軸系零件加工及裝配流程圖

3.機床裝配工藝與測量調試技術

1）三維數字化裝配工藝過程仿真技術

三維數字化裝配工藝過程仿真技術可使用戶在產品生產以前在虛擬環(huán)境中模擬實際的裝配過程，評價零部件的可裝配性；預先檢驗裝配結果，展示產品原型結構和功能；分析產品原型性能，并最終利用這些結果指導實際設計開發(fā)過程，從而大大節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

以主軸裝配為例，首先建立主軸的三維裝配模型，根據主軸各個零件的裝配要求和各個零件的基本安裝要求，以先組件、后部件的方式，對主軸的裝配順序進行規(guī)劃，形成的主軸裝配路徑（如圖13所示）；然后生成主軸及組件裝配序列表；最后對裝配好的主軸單元部件進行數字化干涉檢查。

圖13　主軸系統模型及裝配路徑

2）固定結合面低應力裝配技術

為減小固定結合面裝配過程中可能產生的應力，采取時效處理、高精度平面加工、裝配前零件質量檢測、裝配中確保按照裝配工藝規(guī)程文明裝配。

時效處理，就是工件不加熱，僅依靠長時間存放，或者加熱到較低溫度，并進行長時間保溫，再緩慢冷卻至室溫，以使工件的性質、形狀和尺寸趨于穩(wěn)定的處理過程。對于床身、立柱等大型毛坯在進行機械加工前，要經過良好的時效處理。

在裝配之前，對需要連接的兩個結合面進行表面粗糙度、尺寸精度、平行度、平面度等進行全方面測量，確保裝配前的零件尺寸符合設計要求。裝配中，嚴格執(zhí)行結合面裝配工藝規(guī)程，確保裝配過程中安裝孔對中和零件未發(fā)生變形，切忌盲目裝配和強力裝配。

3）運動結合面手工刮研技術

為了保證運動結合面的刮研效果，采用推刮、粗刮、細刮、精刮相結合的結合面刮研方法。推刮中，將刮刀加大壓力在導軌上行走一段距離，刮削層厚而寬，去屑量大，刮削時刀痕連成一片交叉推刮，防止結合面出現波紋。粗刮用點刮法將推刮接觸面進一步擴大，刀花控制在30mm左右，刮削過程中用平板合研，千分表測量。達到工藝要求后，進入細刮，細刮刀花控制在10mm左右，使接觸點均勻分布，用平板合研，千分表測量，達到工藝要求后，轉入精刮。精刮，將上下運動結合面拖研，分布刮削上下結合面，使得接觸點數均勻分布，并達到工藝設計要求。最后刮花裝飾。

4）裝配調試工藝設計

因為該產品的定位精度要求高，因此要求裝配工藝對絲桿部組的定位、裝配方式及軸承軸向預緊力大小進行工藝試驗，以便確定工藝數據。

主軸部件因其錐孔跳動精度高，為了保證精度，須對主軸部件裝配時的內外隔圈軸向尺寸調整和軸承預緊力大小進行工藝試驗，以達到既保證主軸部件的精度，又使其具有足夠的剛性，即重切后的精度穩(wěn)定性高的目的。

因各基礎大件的精度要求高，須在裝配場地對其所有基礎大件的導軌直線度及其平行精度進行穩(wěn)定性驗證后才能進行后續(xù)裝配工作。

5） 電氣系統調試技術

電氣系統硬件按照設計要求正確安裝、連接完畢，完成初次通電檢查后，進入調試階段，按照電氣調試工藝流程進行調試，是保證數控系統正常工作的基礎。數控系統控制部分的調試內容及工藝流程：

a） 數控系統初始化：完成數控系統功能配置和控制軸的配置。

b） 調試PLC應用程序所涉及的相關功能：檢查基本操作功能、驅動器的使能控制、機床急停、硬限位控制功能、機床參考點返回功能、機床輔助設備——即冷卻、液壓、潤滑系統的控制功能，檢查所設計的功能是否可以正確無誤的運行，PLC應用程序功能的正確無誤是調試驅動器和數控系統參數的基本保證。

c） 配置驅動器基本參數：如驅動功率模塊型號、伺服電機型號、驅動總線地址、測量系統類型等，通過參數配置，可以使驅動器加載與配置相關的默認數據，保證驅動器正確地對伺服電機進行控制。

d） 設置數控系統的基本參數：設置控制參數、機械傳動參數、速度參數、反饋系統匹配參數等。通過基本參數設定數控系統的位置控制、驅動控制、測量系統、速度控制、設定機械傳動系統與電氣系統的匹配，設定每個軸的獨立的速度給定接口和獨立的位置反饋接口，設定參考點參數，建立機床坐標系和螺距誤差補償的參考點位置。數控系統參數的正確設置是保障數控系統功能正常的前提。

e） 誤差補償：調試反向間隙補償、螺距誤差補償、體積誤差補償功能。數控機床是典型的機電一體化產品，數控機床的品質，如加工精度和動態(tài)特性，取決于高品質的機械部件和優(yōu)化的裝配工藝，取決于機電的密切配合。坐標軸的位置精度是由機械系統的精度和剛性主導的，盡管構成機械傳動系統的零部件的加工、裝配采取了各種措施消除反向間隙，消除螺距誤差，而實際上數控機床的精度受到很多因素的制約，如鑄造應力的緩慢釋放、地基的基礎狀況、環(huán)境溫度的影響、運動部件的熱變形、絲杠的彈性變形、導軌支撐與導軌之間的間隙、機床工作臺的彈性變形等等，所以需要對運動軸進行反向間隙和位置精度補償。對于具有5軸聯動功能的高精度數控臥式坐標鏜床，體積誤差補償系統-VCS，不僅可對刀尖空間誤差的進行補償，還可對刀具取向誤差進行補償。

f） 驅動器速度控制特性優(yōu)化：所謂驅動特性的優(yōu)化是指驅動器的參數與機械系統之間的匹配，使驅動系統達到盡可能高的動態(tài)特性，以確保數控系統精度。

圖14　電氣系統調試流程圖

6）高精度測量技術

因產品整機裝配后的幾何精度很高，為了保證測量數據的真實和穩(wěn)定，測量所用的精密直尺、方角尺和檢驗棒，因其精度要求非常高，工藝上采用在公司已經使用10年以上的精密直尺、方角尺和檢驗棒提高精度要求來保證。

該產品的基礎大件和精密軸系零件的測量，此次都是使用公司測量精度最高的精密測量儀器進行精度測量。

4. 機床高定位精度與高重復定位精度保障技術

1）機床基礎支撐件精度保障技術

TGK46100高精度坐標鏜床的基礎大件包括床身、立柱龍門、工作臺、滑座、滑板、主軸箱，為了保證這些基礎大件獲得高精度要求和穩(wěn)定性，工藝將其加工序劃分為粗加工、半精加工和精加工，以逐步提高零件精度；為了充分釋放鑄造應力及加工中產生的加工應力，工藝上采取了三次熱時效處理，分別在粗加工前、粗加工后、半精加工后進行，以此保證零件的精度穩(wěn)定性。為了提高加工效率并保證穩(wěn)定達到基礎大件的精度要求，工藝新提部份工藝裝備進行保證。在零件加工工藝規(guī)程中根據設備條件和加工需求，正確選擇零件的加工、測量和裝配基準統一，以控制零件誤差；在加工過程中對夾緊力、加緊方向、著力點進行了優(yōu)化匹配，并采取了防止零件振動的有效措施，選用合理的刀具角度、合適的切削用量和冷卻方式，以控制基礎大件在加工中的變形。在零件加工過程中，工藝進行全過程跟蹤驗證，最終保證基礎大件高精度及其穩(wěn)定性要求。

TGK46100高精度坐標鏜床的床身是目前我公司生產的最寬、精度要求最高的床身，其尺寸為4560×3400×800mm，導軌全長直線度要求0.008 mm，為了保證其精度要求，工藝上采用了在高精度的意大利數控導軌磨上進行精磨來保證幾何精度要求。為了保證裝配尺寸精度要求，工藝提制了角度樣板來保證尺寸的精度要求。

圖15　床身高精度的加工工藝流程

2）立柱龍門導軌的高精度保障技術

TGK46100高精度坐標鏜床的立柱龍門是目前我公司生產的最寬、精度要求最高的立柱龍門，其尺寸為3415×3020×1350mm，與床身結合面（3415×1350mm）平面度要求0.01 mm，導軌全長直線度要求0.008 mm。為了保證其精度要求，工藝上采用了先由人工研鏟床身結合面，再在高精度的意大利數控導軌磨上進行精磨導軌面來保證精度要求。

圖16　立柱龍門三維圖

圖17　立柱龍門加工工藝流程

3）滑板高精度的保障技術

滑板為上導軌面和下導軌面呈縱橫分布，精度要求很高，上導軌長2535mm，兩導軌跨距527 mm，導軌直線度要求0.008 mm；下導軌長1300 mm；兩導軌跨距2299 mm，導軌平面度要求0.01 mm，上下導軌相互平行、垂直精度都要求在0.01 mm，兩個絲桿孔端面與下導軌面垂直在0.01mm。

為了保證其精度要求，工藝上采用了在高精度的意大利數控導軌磨上進行精磨上下導軌面來保證其導軌精度要求，再在高精度的數控落地鏜床上進行絲桿孔端面的銑削及孔的精鏜來保證其精度要求。

圖18　滑板三維圖

圖19　滑板加工工藝流程

4）主軸箱高精度的保障技術

TGK46100高精度坐標鏜床的主軸箱是目前我公司生產的精度最高的主軸箱，其導軌面平面度0.005 mm，主軸孔圓度及圓柱度都是0.0015 mm。為了保證其精度要求，通過指定標準的工藝流程，工藝上采用了用人工研鏟保證導軌面精度要求；在高精度坐標鏜床上精鏜主軸孔，然后用立式研磨機進行研磨來保證主軸孔的精度要求。

圖20　主軸箱三維圖

圖21　主軸箱工藝流程圖

5）滑座高精度保障技術

TGK46100高精度坐標鏜床的滑座尺寸為1250×1050×337 mm，是目前我公司生產的精度最高的滑座，其導軌面平面度0.005 mm，圓導軌面平面度0.008mm，側面蝸桿孔中心與大孔中心尺寸公差0.02 mm。為了保證其精度要求，工藝上采用了用人工研鏟保證圓導軌面精度要求；在高精度的意大利數控導軌磨上進行精磨導軌面來保證其導軌精度要求，再在高精度的數控鏜床上進行蝸桿孔的精鏜來保證其精度要求。

圖21　主軸箱工藝流程圖

圖21　主軸箱工藝流程圖

四、成果應用及推廣情況

在機床研制過程中，采用了數字化設計、分析、優(yōu)化技術、“箱中箱”式嶄新布局、“轉臺和主軸直驅”、“直線進給軸雙驅”等一系列新技術，積累了豐富的設計經驗，并形成相應的技術、工藝標準與驗收標準，為同類機床的開發(fā)奠定了豐富的理論與實踐基礎，特別重要的是提升了現有的機床設計模式，做了大量了技術探索、試驗比較與理論分析，努力克服了我國機床設計領域長期缺乏理論研究，技術積累等的一系列瓶頸。

本項目研制的TGK46100 高精度數控臥式坐標鏜床，機床各項精度及性能指標達到國外高精度高端產品的先進水平，同時企業(yè)也掌握了高精度數控臥式坐標鏜床設計、制造關鍵技術；加強了企業(yè)創(chuàng)新能力建設，形成了高精度坐標鏜床研發(fā)、試驗創(chuàng)新基地；可全面開展針對用戶的加工工藝和技術服務等方面工作，建立了高精度數控臥式坐標鏜床的示范基地；在產品成功應用基礎上，建立了高精度數控臥式坐標鏜床生產線，實現高精度數控臥式坐標鏜床的產業(yè)化。

（1）沈機集團昆明機床股份有限公司聯合西安交通大學與西安黃河機電有限公司，以“產、學、研、用”形式，通過自主設計、制造、安裝調試，研制完成滿足本課題技術指標要求的高精度數控臥式坐標鏜床。

（2）通過TGK46100 高精度數控臥式坐標鏜床的研制，掌握高精度數控臥式坐標鏜床關鍵單元技術、系統集成技術、關鍵試驗技術、關鍵設備和儀器的開發(fā)技術，形成高精度數控臥式坐標鏜床研發(fā)、試驗創(chuàng)新基地。

（3）聯合西安黃河機電有限公司，全面開展針對用戶典型產品的高精度數控臥式坐標鏜床加工工藝研究和技術服務等方面工作，建立高精度數控臥式坐標鏜床的示范基地。

（4）在樣機制作的基礎上，開發(fā)并完善高精度數控臥式坐標鏜床的加工制造手段，建立高精度數控臥式坐標鏜床生產線，形成可以批量生產高精度數控臥式坐標鏜床的加工制造能力，實現高精度數控臥式坐標鏜床的產業(yè)化。

（5）聯合西安交通大學，聚集國內其它關鍵技術優(yōu)勢單位，形成產學研用開發(fā)研究和制造隊伍，為高精度數控臥式坐標鏜床等相關高精度機床的研究、開發(fā)、制造培養(yǎng)相應的優(yōu)勢團隊。 □