高速橋式龍門五軸加工中心的研制

沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 徐吉存

通過(guò)對(duì)高速橋式龍門五軸加工中心總體結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化、直線電機(jī)直驅(qū)發(fā)熱冷卻控制、制動(dòng)及防護(hù)的實(shí)現(xiàn)、雙擺頭自動(dòng)交換技術(shù)、同步雙驅(qū)調(diào)整及優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證來(lái)消除直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用方面的嘯聲及同步驅(qū)動(dòng)抖動(dòng)情況，從而使機(jī)床的總體性能得到較大提高，使得該產(chǎn)品具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

高速橋式龍門五軸加工中心是航空航天、汽車及軍工領(lǐng)域的重大型模具和大型殼體覆蓋件加工的關(guān)鍵設(shè)備之一。為了實(shí)現(xiàn)高速、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，本加工中心在X、Y軸方向采用直線電機(jī)和在Z軸方向采用伺服電機(jī)直聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)。在機(jī)床開發(fā)研制過(guò)程中著重解決了機(jī)床整體布局、直線電機(jī)直驅(qū)應(yīng)用實(shí)踐、整機(jī)動(dòng)靜剛度設(shè)計(jì)優(yōu)化、同步驅(qū)動(dòng)調(diào)整與優(yōu)化、雙擺頭自動(dòng)交換等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，從而保證機(jī)床在整體性能方面有很大的提升，該產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用前景。

一、機(jī)床總體布局及主要性能參數(shù)

高速橋式龍門五軸加工中心采用高架橋式龍門框架結(jié)構(gòu)，機(jī)床總體布局如圖1所示，主要由橋梁1、工作臺(tái)2、橫梁3、滑枕4、滑板5和雙擺頭6等主要部件構(gòu)成。橋梁及工作臺(tái)固定，橫梁在橋梁上前后做X向運(yùn)動(dòng)，滑板在橫梁上左右做Y向運(yùn)動(dòng)，滑枕在滑板上上下做Z向運(yùn)動(dòng)，A、C頭在滑枕下端作A軸擺動(dòng)和C軸轉(zhuǎn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)高效率并節(jié)省大量的加工輔助時(shí)間，機(jī)床設(shè)置了兩部A/C軸雙擺銑頭，分別進(jìn)行粗、精加工，兩部A/C軸雙擺銑頭可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)A軸交換，A軸擺角為±110°，C軸轉(zhuǎn)角為±360°，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動(dòng)加工。高架橋式龍門框架結(jié)構(gòu)相對(duì)龍門固定工作臺(tái)移動(dòng)或龍門框架移動(dòng)的機(jī)床具有更好的動(dòng)態(tài)性能，為了提高其動(dòng)態(tài)性能，需要盡可能減輕移動(dòng)部件的質(zhì)量，這樣將橫梁下傳統(tǒng)的滑板結(jié)構(gòu)減為材料為16Mn的一整塊鋼板，既保證剛性、降低了重心又減輕了重量；Z軸驅(qū)動(dòng)采用大導(dǎo)程雙絲杠重心驅(qū)動(dòng)，并配有雙平衡杠，這樣具有更高的動(dòng)態(tài)性能、加工精度及加工穩(wěn)定性；增加橋梁的高度并采用鑄造結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床的剛性和抗震性；另外為保證直線電機(jī)、力矩電機(jī)運(yùn)行安全可靠采用多重制動(dòng)方式，在原有電氣制動(dòng)的基礎(chǔ)上增加液壓制動(dòng)和安全緩沖器制動(dòng)，X軸采用鎧甲式防護(hù)、防護(hù)間全防護(hù)、操作門安全鎖、觀察窗高強(qiáng)度防彈玻璃、防碰撞程序設(shè)置等多項(xiàng)安全措施保證整機(jī)運(yùn)行安全可靠。通過(guò)對(duì)機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化使其性能得到大幅度的提高，使其很好地適應(yīng)對(duì)航空航天、汽車及軍工領(lǐng)域的重大型模具或大型殼體覆蓋件的加工。

機(jī)床主要性能參數(shù)指標(biāo)為，XY 各向行程及最大移動(dòng)速度分別為550030001400mm和505030m/min；工作臺(tái)尺寸及承重分別為5000×2500mm、8000kg/m2；粗加工主軸功率、最大扭矩及轉(zhuǎn)速分別為32kW、7000r/min和400N·m，精加工主軸功率、最大扭矩及轉(zhuǎn)速分別為34kW、24000r/min和72N·m。

圖1 機(jī)床總體布局

二、主要關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1．直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

直線電機(jī)的發(fā)熱控制。直線電機(jī)在運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量非常大，嚴(yán)重影響電機(jī)的性能，一旦傳導(dǎo)到機(jī)床大件上會(huì)對(duì)機(jī)床的精度造成很大影響，為此對(duì)于發(fā)熱量大的初級(jí)采用主冷卻加精密冷卻的方案，主冷卻帶走大部分熱量，精密冷卻精確控制溫度，另外次級(jí)也配有冷卻，防止熱量傳遞到機(jī)床大件上，通過(guò)檢驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用效果很好，沒(méi)有出現(xiàn)電機(jī)溫升報(bào)警或熱量傳遞到機(jī)床大件的現(xiàn)象。直線電機(jī)冷卻設(shè)置如圖2所示。

圖2 直線電機(jī)冷卻圖

直線電機(jī)的制動(dòng)?？紤]到直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸速度高、加速度大的特點(diǎn)，其制動(dòng)采用了直流母線制動(dòng)、短路制動(dòng)、鉗制器制動(dòng)和液壓緩沖器制動(dòng)四種方式制動(dòng)，通過(guò)這樣的冗余設(shè)計(jì)提高機(jī)床的安全可靠性。

直線電機(jī)的防護(hù)。由于直線電機(jī)次級(jí)為永磁體，需防止大顆粒切屑、雜質(zhì)或液體進(jìn)入初級(jí)和次級(jí)之間，保證直線電機(jī)的正常運(yùn)行，為此采用了鎧甲皮腔式防護(hù)，在防護(hù)與機(jī)床主體之間采用迷宮結(jié)構(gòu)防止切屑或液體進(jìn)入。另外在防護(hù)內(nèi)增加了六組吹氣口，工作時(shí)向外吹氣，使防護(hù)內(nèi)產(chǎn)生正壓，防止漂浮的切屑、液體或灰塵進(jìn)入，確保直線電機(jī)初級(jí)和次級(jí)之間的間隙滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)檢測(cè)應(yīng)用效果良好。

2．雙擺頭自動(dòng)交換技術(shù)應(yīng)用

雙擺頭采用公司自主研發(fā)的A/C軸雙擺銑頭，主要由C軸部分1、A軸部分2、快換接頭部分3和主軸4等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 A/C軸雙擺銑頭

雙擺頭機(jī)電液耦合實(shí)現(xiàn)如圖4所示。雙擺頭旋轉(zhuǎn)扭矩主要靠端齒盤1、液壓拉緊機(jī)構(gòu)2來(lái)實(shí)現(xiàn)。交換時(shí)的定位通過(guò)兩個(gè)導(dǎo)向銷3來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中長(zhǎng)、短銷分別用于粗、精定位。液壓氣動(dòng)冷卻油路和電氣線路的導(dǎo)通和斷開分別通過(guò)液壓和電氣快換接頭4、5來(lái)實(shí)現(xiàn)。均由成對(duì)公母快換接頭兩部分組成。其中公母接頭分別安裝在C軸底座和A軸箱體上。

拉緊機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊松開，在拉緊狀態(tài)下具有自鎖功能。其結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中拉釘1安裝在A軸箱體上，外套2、彈性拉爪3、滑芯4、楔塊5、活塞6等其余部件安裝在C軸底座上?？ňo時(shí)，拉緊機(jī)構(gòu)通過(guò)滑芯上嵌入的四個(gè)楔塊與外套內(nèi)錐面、活塞桿外錐面相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)其自鎖功能。

圖4 耦合示意圖

圖5 拉緊自鎖示意圖

3.同步雙驅(qū)調(diào)整及優(yōu)化技術(shù)

直線電機(jī)配置完成后需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，否則驅(qū)動(dòng)軸在高速運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)劇烈的抖動(dòng)。通過(guò)調(diào)整伺服系統(tǒng)速度環(huán)增益可將抖動(dòng)消除。伺服優(yōu)化曲線如圖6所示，從下面兩組曲線可以看出，當(dāng)速度環(huán)增益MD1407=30000時(shí)抖動(dòng)比較厲害（左曲線所示），當(dāng)速度環(huán)增益調(diào)整為12000時(shí)抖動(dòng)消除。

初步調(diào)試時(shí)，當(dāng)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)X、Y軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)時(shí)常會(huì)發(fā)出嘯叫聲，這需要在伺服系統(tǒng)控制器添加相應(yīng)的帶阻濾波器來(lái)消除。添加帶阻濾波器的頻率響應(yīng)特性如圖7所示，其中左圖為未加濾波器的頻率響應(yīng)（400HZ處有尖峰）右圖為添加濾波器的頻率響應(yīng)（嘯叫消失）。

圖7 直線電機(jī)頻率響應(yīng)特性

對(duì)于電機(jī)間的同步調(diào)整，在激活數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)功能的前提條件下，主要通過(guò)觀察各個(gè)同步軸的驅(qū)動(dòng)負(fù)載是否一致，需要經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整使各個(gè)同步軸之間的負(fù)載一致并且最小。最后，還須通過(guò)激光干涉儀進(jìn)行檢驗(yàn)，直到左右同步軸的同步精度完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為止。

四、結(jié)語(yǔ)

基于航空航天、汽車及軍工領(lǐng)域的重大型模具和大型殼體覆蓋件加工的要求開發(fā)研制了該高速橋式龍門五軸加工中心。成功解決了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的嘯聲及同步驅(qū)動(dòng)的抖動(dòng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高速、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，使得機(jī)床的總體性能得到較大提高，該產(chǎn)品具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。 □