龍門加工中心橫梁部件設計

大連東方專用機床有限公司（遼寧 116113) 李 凡

大連機床集團有限責任公司（遼寧 116620) 周 建

大連連城數控機器股份有限公司（遼寧 116036) 張樹禮

圖1 龍門加工中心結構形式圖

龍門加工中心是加工大型、復雜零件的關鍵設備之一。按其結構可分為:定梁式、動梁式、動柱式及橋式等，其中最常見的是定梁式。如圖1所示。定梁式龍門加工中心主要由底座、工作臺、立柱、橫梁、滑架、滑枕、滑枕平衡、X軸驅動、Y軸驅動、Z軸驅動、主軸傳動、主軸組、主軸恒溫冷卻、排屑系統、冷卻沖屑系統及刀庫及機械手等部件組成。而橫梁則是其中的關鍵部件之一，它的精度直接影響到機床的精度，因此，設計好橫梁部件尤為重要。

本文以工作臺1600mm×3000mm規格的龍門加工中心為例，來進行其橫梁的設計。

1.橫梁關鍵技術分析及結構設計

橫梁是安裝在立柱、橫跨在底座上的一種梁式結構部件;它安裝在立柱上后，為調整橫梁和工作臺的相對位置 (即Y軸與X軸的垂直)，采用了橫梁調整墊塊的結構。首先將該墊塊固定于橫梁上，用一螺栓通過墊塊上的螺紋孔頂在立柱上來實現對橫梁的推動，用另一通過光孔的螺栓旋進立柱上的螺紋孔里實現多橫梁的拉動，通過這一推一拉的結構就可以調整Y軸與X軸的垂直了。

橫梁上安裝有Y軸直線導軌，該導軌選用進口重載滾柱導軌;滑架在其上進行移動，為保證該導軌運動精度，采用上副 (導軌)下主 (導軌)的布置方式。直線導軌在導軌專用楔塊的作用下，緊緊依靠在導軌的側定位面上，增強了直線導軌自身的直線性和剛性。直線導軌的螺釘安裝時全部采用力矩扳手，避免擰緊力矩不一、導軌安裝后行走精度的不一致，實現了可靠的動態精度。

為避免人為操作失誤時對驅動裝置及相關部件的破壞作用，采用在橫梁兩端行程終了位置上安裝Y軸行程開關擋鐵的方法。當滑架運動到橫梁兩端將要超過行程范圍時安裝在滑架上的行程開關就會被開關擋鐵觸發，向系統發出超程報警進而使滑架停止運動;除此之外，此處還用可靠的機械結構來實現保護作用，固定有橡膠緩沖墊的Y軸，安全擋鐵同樣也安裝在橫梁兩側，在行程開關或者控制程序失靈的情況下，滑架會觸碰到安全擋鐵的橡膠緩沖墊上經過緩沖而停下來，起到保護作用。

為了實現Y軸的全閉環控制，在橫梁上安裝了增量式直線光柵尺，該尺測量步距達0.1μm，增強了該驅動系統的控制精度。

橫梁主要起到聯接兩個立柱來形成工作臺通過空間的作用，滑架在其上進行運動，所以橫梁本身的剛性就直接決定機床的加工精度。由于滑架和滑枕以及橫梁本身的重量都會使橫梁安裝在立柱上后產生向下的彎曲現象，相同截面下橫梁越長彎曲現象越明顯。這樣就會使Y軸直線導軌不再平行于工作臺的表面，影響機床的加工精度，為了避免上述現象的產生，我們采取以下方法來解決。

橫梁上良好的型腔布筋結構是橫梁剛性的可靠保證，也是解決橫梁彎曲的關鍵;采用合理布置筋板的位置以及V形筋的布置方式來保證橫梁的剛性。在橫截面積一定的情況下，最大限度地增大空腔面積，減小筋板厚度，降低橫梁的總體重量，也可以進一步降低橫梁重量對其彎曲的影響 (見圖2、圖3)。除了上面在橫梁本身結構上進行充分的考慮外，我們還想辦法通過加工手段來消除橫梁彎曲對機床精度的影響。即在加工橫梁導軌面時，為了防止橫梁安裝后向下凹，可以將橫梁加工成稍微向上凸的形狀;也就是說，按照橫梁變形的相反方向加工橫梁上的導軌安裝基面，這也是解決橫梁彎曲的關鍵。

圖2 橫梁剖面圖

圖3 橫梁剖視圖

2.Y軸進給驅動系統技術分析設計

因為該龍門加工中心快速移動速度為20m/min，遠高于其他廠家的12m/min，這就要求驅動系統的驅動力、運動速度、系統剛性等要比其他廠家要高。龍門加工中心運動部件進給系統的傳動方式常見為滾珠絲杠副傳動和齒輪齒條傳動。因滾珠絲杠副傳動精度好，運動速度快，定位、重復定位精度高，而齒輪齒條傳動結構較復雜，所以選用滾珠絲杠副的傳動方式。滾珠絲杠副傳動根據旋轉的方式分為螺母旋轉傳動和絲杠旋轉傳動兩種。螺母旋轉傳動因其結構較復雜，限制了其應用的范圍。而絲杠旋轉的傳動方式結構比較簡單，故本機床所選用的傳動方式就是絲杠旋轉傳動。

滾珠絲杠的安裝方式按照應用的不同有以下幾種方式:結構都比較簡單的“固定-自由”式;結構比較復雜的“支撐-游動”式;中等轉速、高精度的“固定-游動”式;高剛度和高位移精度的“固定-固定”式。本橫梁的滾珠絲杠傳動部分就是采用“固定-固定”的形式，如圖4所示，此種安裝方式使絲杠一般不會受壓，壓桿穩定性高，使傳動系統有較高軸向剛度和臨界轉速，使驅動部件實現了高的運動速度。伺服電動機通過聯軸器與齒輪減速箱聯接，將電動機驅動轉矩放大后傳導給滾珠絲杠，使絲杠旋轉來帶動絲杠螺母作往復運動，從而實現滾珠絲杠大驅動力傳動。

圖4 絲杠驅動結構示意圖

選用絲杠專用角接觸軸承安裝在絲杠支撐上，該軸承能承受較大的軸向力，也就保證了驅動系統具有高剛性。此外，通過鎖緊螺母、絲杠軸承和隔套以及滾珠絲杠固定支架，可以實現對滾珠絲杠的預拉伸，來消除滾珠絲杠熱變形對傳動精度的影響，獲得了高速傳動下的高的傳動精度。

采用齒輪減速，裝配時調整減速箱蓋的位置，進而改變兩個傳動齒輪的中心矩來消除齒輪的齒隙間隙，保證傳動系統的定位精度。

3.結語

通過設計計算以及產品的應用，該龍門加工中心橫梁能夠滿足設計研發要求，使用效果良好，傳動速度較快，運動較平穩，并保證了良好的定位精度和重復定位精度。