BM63150C精密數(shù)控車床及BM63150X車削中心的研發(fā)和應用

寶雞機床集團有限公司高利強

BM63150C精密數(shù)控車床及BM63150X車削中心的研發(fā)和應用

寶雞機床集團有限公司高利強

一、概述

隨著汽車、航空航天工業(yè)的發(fā)展，新型材料的應用日益廣泛，對高速、精密加工的需求越來越廣泛，具有高速、精密加工的特性正逐漸成為當代數(shù)控機床發(fā)展的主要方向之一。數(shù)控車床和車削中心作為數(shù)控機床的主要組成部分也不例外，其精密高效等特性正成為其發(fā)展方向。同時，隨著普通數(shù)控車床應用普及和市場競爭加劇，探索研發(fā)精密數(shù)控車床和車削中心成為滿足市場更高要求及企業(yè)發(fā)展的必然選擇。

BM63150C 精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心是在國家科技重大專項“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”2010年度課題“BM63150C 精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心”（課題編號2010ZX04001-051）的支撐下研發(fā)的產(chǎn)品，其中BM63150X精密車削中心榮獲“CCMT2012中國數(shù)控機床展覽會‘春燕獎’”，BM63150X精密車削中心榮獲“2015年陜西省裝備制造業(yè)首臺（套）重大裝備產(chǎn)品項目投資計劃”國內(nèi)首臺（套）重大裝備產(chǎn)品獎勵。

BM63150C 精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心床身上最大回轉(zhuǎn)直徑￠800mm，最大車削直徑￠630mm，最大車削長度1500mm；車削主軸最高轉(zhuǎn)速5000 r/min，主軸徑向跳動≤0.0005 mm，軸向跳動≤0.001 mm；X/Z軸快速進給速度≥36 m/min；X/Z軸重復定位精度≤0.002/0.003 mm。此種大規(guī)格的數(shù)控車床及車削中心需要達到的主軸最高轉(zhuǎn)速及其精度，整機快速進給速度及其重復定位精度等性能指標是該機床研發(fā)的關鍵技術。

針對以上指標要求及性能特點，研發(fā)小組對機床主體、結(jié)構(gòu)和關鍵部件設計方案進行了多次全面的分析研究和論證。通過自主創(chuàng)新和聯(lián)合研發(fā)，對人造花崗巖整體式床身設計制造技術，精密動靜壓主軸與電主軸的配套設計制造技術，宏/微量進給技術，進給系統(tǒng)伺服參數(shù)優(yōu)化技術，整機減振隔振技術、熱變形分析及控制技術、綜合誤差補償技術等重大關鍵技術的研究及探索，成功開發(fā)了BM63150C 精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心，機床的各項指標達到了設計要求。公司掌握了精密數(shù)控車床和車削中心的核心技術，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高附加值產(chǎn)品及多項國家發(fā)明專利。

二、產(chǎn)品性能介紹

BM63150C精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心（見圖1）是具有國內(nèi)先進水平的全功能精密數(shù)控車床和精密車削中心，機床主軸轉(zhuǎn)速高、功率大、噪音低，整機熱變形小、進給速度快、精度高、穩(wěn)定性好。該機床主要用于汽車、航空等領域精密零件的高效率、高精度加工。

BM63150X 精密車削中心

該產(chǎn)品具有以下特點：

（1）人造花崗巖整體式斜床身，綜合剛性及熱穩(wěn)定性好。

（2）大規(guī)格精密直驅(qū)式動靜壓主軸，配套超高速中空液壓卡盤及回轉(zhuǎn)油缸，主軸轉(zhuǎn)速高、功率大、精度高、噪音低。

（3）采用雙向宏/微結(jié)合的進給系統(tǒng)，光柵尺閉環(huán)控制，機床進給軸的宏/微進給聯(lián)動提高了機床X/Z軸的重復定位精度。

（4）高剛性精密直線滾動導軌，確保機床的動態(tài)響應性能良好。

（5）采用SINUMERIK 840D sl系統(tǒng)或華中HNC-818B系統(tǒng)，系統(tǒng)功能多，分辨率高，可操作性強。

（6）數(shù)控車床用高性能電機直連驅(qū)動伺服刀架，車削中心用徑向裝刀式高性能電機直連驅(qū)動伺服動力刀架。

（7）中心冷卻精密滾珠絲杠和滾珠絲杠專用軸承，機床的進給系統(tǒng)熱變形小，進給速度快、精度高、穩(wěn)定性好。

產(chǎn)品主要規(guī)格參數(shù)

至目前，國內(nèi)外暫無同類規(guī)格的產(chǎn)品達到BM63150C精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心主軸轉(zhuǎn)速及其精度、機床進給軸重復定位精度等性能指標。

根據(jù)課題任務合同書、測評協(xié)議書、相關金屬切削機床標準及檢測方案，國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對該機床進行了全面的測評（主要包括機床安全，機械電氣安全、機械電氣設備，在無負荷或精加工條件下機床的幾何精度，機床工作精度，機床的可靠性檢測與評估等各方面）。所檢測機床的各項功能及性能指標均達到課題任務合同書、測評協(xié)議書及相關金屬切削機床標準的要求。下圖為機床可靠性檢測照片。

BM63150X 車削中心Z軸可靠性測試

BM63150C 數(shù)控車床主軸可靠性測試

三、產(chǎn)品主要技術創(chuàng)新點及其應用情況

1. 精密動靜壓主軸與電主軸的配套設計制造技術

（1）概述

數(shù)控車床及車削中心主軸的主要驅(qū)動形式為皮帶傳動，這種方案結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但對于本課題要求的大規(guī)格、高轉(zhuǎn)速、高精度主軸很難實現(xiàn)。先進的主軸驅(qū)動方式為電主軸，將主軸和電機連為一體，它可以無級變速、驅(qū)動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊。電主軸又分為內(nèi)置式和外置式兩種，內(nèi)置式是將轉(zhuǎn)子置于兩軸承之間，結(jié)構(gòu)復雜，冷卻或密封不易設計及制造，散熱條件差，容易造成電主軸的溫升過高，亦不利于提高回轉(zhuǎn)速度，優(yōu)點是主軸系統(tǒng)受力情況好。外置式是將電機轉(zhuǎn)子置于兩徑向軸承的外端，也稱懸臂式，其結(jié)構(gòu)簡單，但是軸向尺寸大，容易造成負荷偏載，導致主軸受力情況差、產(chǎn)生振動的概率增加，不利于提高回轉(zhuǎn)速度和精度，并且應用于數(shù)控車床其液壓卡盤旋轉(zhuǎn)油缸的安裝結(jié)構(gòu)不太合理。動靜壓軸承是靜壓軸承的一種新發(fā)展，在靜壓軸承的油腔中設置動壓油楔，使之在主軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生附加的動壓力，具有高精度、高承載力和抗振性。目前，在國內(nèi)外數(shù)控車床及車削中心中，高速精密主軸單元中主要應用的是滾動軸承，但滾動軸承與動靜壓軸承相比承載能力小，精度低，使用壽命短。

本項關鍵技術將液體動靜壓軸承技術與電主軸技術兩者有機結(jié)合，創(chuàng)新設計制作了大功率、高速精密直驅(qū)數(shù)控車床主軸單元，實現(xiàn)了機床大規(guī)格、高轉(zhuǎn)速、高精度主軸的指標要求。通過該關鍵技術的研究與實現(xiàn)，審請了4項國家專利，分別為“大規(guī)格精密直驅(qū)主軸結(jié)構(gòu)”（授權(quán)專利號為ZL201120356009.8，實用新型）、“數(shù)控車床大規(guī)格精密直驅(qū)主軸結(jié)構(gòu)”（授權(quán)專利號為ZL201320445643.8，實用新型）、“數(shù)控車床大規(guī)格精密直驅(qū)主軸結(jié)構(gòu)”（授權(quán)專利號為ZL201310314909. X，發(fā)明）、“一種用于高效高速精密機床的多功能內(nèi)置式動靜壓電主軸”（授權(quán)專利號為201320297129.4，實用新型）。

（2）創(chuàng)新點

①將液體動靜壓軸承技術與電主軸技術兩者有機結(jié)合，實現(xiàn)了數(shù)控車床較大規(guī)格高速精密主軸結(jié)構(gòu)，確保主軸的回轉(zhuǎn)精度、剛度和轉(zhuǎn)速。

②開發(fā)了內(nèi)置式動靜壓電主軸，精度高、剛度大、噪音低、壽命長、吸振性能好，工作穩(wěn)定性和可靠性高，無論從轉(zhuǎn)速、精度、功率等各方面均是國內(nèi)首創(chuàng)，至目前也未見國外同類型規(guī)格的數(shù)控車床及車削中心上有類似的應用。

③實現(xiàn)了大規(guī)格高速精密直驅(qū)主軸單元的設計及制造，其液體靜壓軸承直徑φ160 mm、內(nèi)裝電機功率67.4 kW，最高轉(zhuǎn)速5000 r/min，主軸徑向跳動0.0005 mm、軸向跳動0.001 mm。

（3）技術特點

①將液體動靜壓軸承技術與電主軸技術兩者有機結(jié)合，將止推軸承結(jié)構(gòu)設置于主軸前部，解決了動靜壓軸承電機內(nèi)裝式主軸技術上的不足。

②開發(fā)了內(nèi)置式動靜壓電主軸，電主軸裝于前、后靜壓軸承之間，結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，實現(xiàn)了數(shù)控車床較大規(guī)格高速精密主軸結(jié)構(gòu)。

③高速精密直驅(qū)主軸單元結(jié)構(gòu)中，放射型多點出氣式氣密封結(jié)構(gòu)在圓周上有均勻的氣壓力，有效防止外界雜質(zhì)進入軸承油腔，對潤滑油流入外界或電機中起到良好的密封作用。

精密直驅(qū)式主軸單元溫升試驗

機床主軸最高速度運轉(zhuǎn)

2.宏/微量進給技術

（1）概述

宏微驅(qū)動控制系統(tǒng)包括宏、微操作系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，微動定位部件附著在宏動定位部件的末端，宏動部件以地面為參照物，實現(xiàn)大行程；微動定位部件以宏動定位部件為參照物實現(xiàn)高精度定位，與采用單一驅(qū)動相比，宏微驅(qū)動系統(tǒng)具有低慣量、高精度、冗余自由度等特點。

目前，一般微進給機構(gòu)不能承受全載荷、大載荷，不能同時實現(xiàn)微進給和大尺度精密進給。本技術采用宏/微進給的雙重驅(qū)動的控制技術和微進給復合導向機構(gòu)，機床進給系統(tǒng)能實現(xiàn)微量進給和宏量進給快速移動，能承受全載荷、大載荷進給，解決了精度與工作效率相互矛盾的實際應用問題。由于宏/微驅(qū)動系統(tǒng)同時具備了大行程、定位時間短、定位精度高以及驅(qū)動力大等優(yōu)點，在諸如精密定位系統(tǒng)、電路檢測、超精密加工設備等領域，有十分廣闊的應用前景。

通過機床宏/微進給系統(tǒng)的設計與制造技術的研究與實現(xiàn)，機床進給系統(tǒng)的重復定位精度達到了指標要求，并審請了2項國家發(fā)明專利，分別為“雙軸直線移動微驅(qū)動裝置”（授權(quán)專利號為ZL201010559119.4）、“滾珠絲杠副壓電致動器串聯(lián)宏微驅(qū)動及導軌裝置”（授權(quán)專利號為ZL201110047305.4）。

（2）創(chuàng)新點

①采用雙向宏/微結(jié)合的進給系統(tǒng)，機床進給軸的宏/微聯(lián)動提高了機床X/Z軸的重復定位精度。

②雙向宏/微結(jié)合的進給系統(tǒng)，使機床能承受全行程、大載荷進給，解決了精度與工作效率相互矛盾的問題。

（3）技術特點

①微進給結(jié)構(gòu)由柔性鉸鏈和德國PI公司的壓電陶瓷組成，壓電陶瓷為驅(qū)動器，柔性鉸鏈作為導向機構(gòu)，動力經(jīng)柔性鉸鏈驅(qū)動機床滑板產(chǎn)生微位移。柔性鉸鏈采用雙平行四邊形結(jié)構(gòu)，不僅保證了微動臺在壓電陶瓷的驅(qū)動下保持平動特性，而且從原理上克服了柔性鉸鏈四桿機構(gòu)產(chǎn)生交叉耦合位移的缺陷，具有良好的導向性，提高了運動的方向精度。

②微動進給系統(tǒng)是利用光柵尺反饋微動臺和目標點的位置關系，進行閉環(huán)控制，宏/微雙重驅(qū)動機構(gòu)使得機床進給系統(tǒng)在大行程工作范圍內(nèi)具有很高的定位精度。

直線導軌宏/微進給BM63000X試驗臺

機床宏/微進給機構(gòu)

3.人造花崗巖整體式床身設計制造技術

（1）概述

目前在機床上應用的床身絕大多數(shù)為鑄鐵材料。鑄鐵材料床身雖具有足夠的靜剛度，但其最大的缺點是其熱變形特性和精度保持性較差，從而使整機的熱變形較大和精度保持性差，影響機床的加工精度。人造花崗巖材料床身具有良好的吸振性、很好的阻尼特性和熱穩(wěn)定性，能很大提高機床的精度穩(wěn)定性、改善加工動態(tài)特性和提高加工精度，并能節(jié)約金屬材料、能源和減少鑄造污染。該材料床身目前在國內(nèi)外主要應用在高精度磨床或檢測儀器上，在數(shù)控機床上特別是在數(shù)控車床上應用很少。

為了保證機床的精度穩(wěn)定性，采用人造花崗巖整體式床身做為精密數(shù)控車床和車削中心的基礎構(gòu)件，根據(jù)此項設計與制造技術的研究與實現(xiàn)，申請了國家專利，“新型數(shù)控車床人造花崗巖床身”（授權(quán)專利號為ZL201220611020.9）。

（2）創(chuàng)新點

①人造花崗巖斜床身結(jié)構(gòu)，達到了數(shù)控車床床鞍導軌、尾座鑲裝導軌的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及相應功能的實現(xiàn)，機床整體結(jié)構(gòu)布局合理、緊湊。

②應用人造花崗巖床身技術，其床鞍導軌采用直線滾動導軌，動態(tài)響應好；尾座導軌采用鑲裝滑動導軌，支撐剛度大、穩(wěn)定性好、成本低、易維修。

③采用人造花崗巖床身技術，能很大提高機床的精度穩(wěn)定性、改善加工動態(tài)特性和提高加工精度，并能節(jié)約金屬材料、能源和減少鑄鐵材料床身的鑄造污染。

（3）技術特點

①人造花崗巖整體式床身采用斜床身結(jié)構(gòu)，其床鞍導軌采用直線滾動導軌，尾座導軌采用鑲裝滑動導軌。

②根據(jù)數(shù)控車床斜床身結(jié)構(gòu)特點，設計了相應的床鞍導軌、尾座鑲裝導軌、主軸箱、Z向進給系統(tǒng)及外防護的安裝結(jié)構(gòu)，各種管件和電纜線穿通床身主體的管路結(jié)構(gòu)，各種不同功能的預埋螺紋插件和加工裝配吊運等結(jié)構(gòu)。

③對床身的計算機結(jié)構(gòu)模型進行了有限元分析。根據(jù)其分析數(shù)據(jù)及結(jié)果可以得出，該人造花崗巖材質(zhì)的整體式床身具有足夠的強度，在整機工作過程中，床身不會發(fā)生破壞或變形，達到了機床的靜剛度及結(jié)構(gòu)布局等的技術要求。

④床身精加工采用精密磨削的工藝方案，制定了精密磨削人造花崗巖整體式床身的工藝參數(shù)，設計制作了床身加工的專用夾具及檢測用量具，完成了床身的精密加工和整機裝配。

人造花崗巖整體式斜床身毛坯

人造花崗巖整體式床身精密磨削

四、成果應用及推廣情況

BM63150C 精密數(shù)控車床及BM63150X 精密車削中心技術先進、性能優(yōu)越，在國內(nèi)尚屬領先，在國際屬同類先進水平，與國外進口機床相比有很高的性價比。該機床主要用于汽車、航空等領域精密零件的高效率、高精度加工，在滿足國內(nèi)高端用戶需求方面有著廣闊的市場前景。

目前，一臺BM63150X 精密車削中心已銷售給山東博特精工股份有限公司（濟寧），至目前該機床使用情況正常，用戶評價良好?！?/p>

行業(yè)資訊

普什寧江FMS專項課題通過驗收

日前，由四川普什寧江機床有限公司牽頭承擔的“機床箱體類精密柔性制造系統(tǒng)研發(fā)及示范應用”課題通過了任務終驗收。普什寧江總工程師劉雁對課題任務完成情況進行了匯報，華中數(shù)控、四川大學、重慶大學等課題參與單位分別做了匯報，示范應用用戶介紹了產(chǎn)品應用和試驗驗證情況。

驗收專家組成員對該課題項目進行了現(xiàn)場檢查和專家質(zhì)詢。經(jīng)過充分討論認證，專家組成員認為：“機床箱體類零件精密柔性制造系統(tǒng)研發(fā)及示范應用”課題成功研制了兩條精密柔性制造系統(tǒng)（FMS），實現(xiàn)了8種以上機床箱體類零件混流加工、四種工藝路線并行生產(chǎn)；自主開發(fā)了FMS關鍵技術、初步實現(xiàn)了MES系統(tǒng)的集成，已有多條柔性制造系統(tǒng)廣泛應用到多個重要行業(yè)領域，產(chǎn)業(yè)化成果顯著，同意通過終驗收。