基于精度壽命的動柱式型材加工中心研究與開發

唐兵仿

0 引言

動柱式型材加工中心是一種工作臺固定，XYZ三個直線伺服驅動軸疊軸移動、移動速度較快的長條狀加工中心，國內動柱式型材加工中心大多仿制臺灣或歐美的機型，采用焊接床身或仿焊接床身的鑄件，這種設計適用于用于鋁合金門窗、建筑玻璃幕墻等等對精度和剛度要求不高的輕切削場合。隨著注塑機械手的手臂、滑臺模組的底座、激光機的橫梁等等有精度或剛度要求的長條工件加工需求增加，越來越多的用戶希望用動柱式型材加工中心加工方案替代高成本的龍門加工中心加工[1-2]。對于有直線導軌安裝基準需要加工、大平面需要銑削的大塊鋁件或是鋼件，怎樣的動柱式型材加工中心才能滿足到加工要求，是困擾用戶的問題。要真正實現動柱式型材加工中心替代龍門加工中心、并滿足剛度、精度和精度壽命等方面的要求，在國內鋼材供貨條件下，不能簡單模仿國外焊接機型，需要利用國內鑄件供應優勢，自主研發設計。

本文自主設計的一款動柱式型材加工中心，適用于厚鋁件或是鋼件銑面、鉆孔和攻牙，可滿足直線導軌安裝面、大基準平面的精密加工要求。本文設計定位為中切高效的精密型材加工中心，為此設計時避開了市面上供應的國產鋼材普遍雜質含量高、焊接及熱處理后床身殘余應力釋放時變形大的問題，利用國內技術日漸成熟的鑄造技術，采用優質鑄鐵床身底座、鞍座、立柱和主軸座，利用鑄件容易復雜成型的特點，利用有限元分析方法優化設計了床身、鞍座等主要支撐件的結構，并通過直線導軌、滾珠絲杠、齒輪齒條、主軸和主軸電機等等的選型和安裝工藝改善，提高了機床剛性、精度和精度壽命。

1 “中切”的概念提出

為方便客戶購買機床時選型，本文將銑削類機床劃分為輕切削機床、中切削（簡稱“中切”）機床和重切削銑床三大類。三類機床特征對比如表1（備注：主軸輸出最大扭矩依據伺服日本FANUC主軸電機15分鐘連續切削允許的最大扭矩計算）。

2 動柱式型材加工中心的主要支撐結構

動柱式型材加工中心主要支撐機構包括床身底座、床身底座上通過X軸導軌支撐的鞍座、鞍座上通過Y軸導軌支撐的立柱、立柱上通過Z軸導軌支撐的主軸座等部分組成。如圖1所示。

圖1 動柱式型材加工中心結構

3 床身底座的設計改進

傳統動柱式型材加工中心采用焊接床身底座，如圖2所示，焊接床身X軸導軌安裝面由板型懸升梁支撐，由于國產鋼材雜質含量較多且不均勻，床身底座殘余應力釋放時，易引起不確定的變形，從而導致安裝在其上面的滾動直線導軌副一組多個滑塊安裝應力增加，降低壽命。

圖2 傳統動柱型材機的焊接床身底座

大部分鑄件床身簡單參考焊接結構床身的結構制造，也存在上述問題。

本文自主設計的一款鑄件床身底座，除了通過二次加工時效降低殘余應力，還將床身底座橫截面設計成了橋拱型的對稱結構，床身面設計為均勻對稱傾斜的封閉面（已經獲得專利授權、專利號ZL2015 2 0956186.8），如圖3。

圖3 自主研發設計的全鑄件床身底座

這樣，床身應力釋放時，床身長度方向彎曲、扭曲變形很小，直線導軌貼近床身底座面安裝，大幅度降低了床身底座殘余應力釋放對直線導軌安裝精度的影響。

4 鞍座有限元分析和優化

采用ANSYS軟件，對鞍座等進行有限元分析[3-7]，材料特性為HT300鑄鐵，鞍座受力為底面，X軸滾動直線導軌副的滑塊作為簡支梁支撐，立柱、主軸座及刀庫的重量在Y軸方向變動時，鞍座的變形對機床精度影響較大。

因此，固定X軸滑塊安裝面，在Y軸滑塊處施力合計為1 350 kg，當Y軸滑塊分別在鞍座前端、中間和后端移動時，在ANSYS軟件中求解計算鞍座的變形量，以及Y軸滑塊在不同位置的變形差值。圖4為傳統薄型鞍座有限元分析圖，鞍座按較厚的200 mm分析。

圖4 立柱在薄型鞍座尾部時，鞍座局部最大位移26μm

通過分析，確定尾部是危險處，經過計算，薄型鞍座受力變形超過26μm。

本文對鞍座進行了改進設計。

（1）尾部變大變形原因分析。一是自身剛性大小影響變形的大小。二是立柱運行到懸臂的尾部時容易形成翻轉力矩。

（2）改善方案一，加強尾部支撐剛性。將圖4所分析的傳統薄型鞍座尾部加厚。圖5為本文2016款尾部加厚鞍座有限元分析圖。

圖5 立柱在鞍座尾部，鞍座局部最大位移10.9μm

采用尾部加厚鞍座后，受力時最大變形量已經降低了60%。在立柱沿著鞍座前后移動時的不同位置受力變形量的差值也減小了58%。

（3）改善方案二，支承后移，降低尾部翻轉力矩的影響。改變支承位置，如圖6所示。在結構不變的情況下，減少變形的效果顯著。

（4）結合2018款鞍座方案一和方案二改進結果，尾部的變形降低到只有0.008 mm，在立柱沿著鞍座前后移動時的不同位置受力變形量差值進一步減小到0.003 mm，降幅達到75%。有限元分析如圖7。

圖6 改善方案二示意圖

圖7 2018款鞍座有限元分析

4 主軸與主軸電機的設計選型

（1）主軸與主軸電機連接方式確定。由于本文設計為中切削機床，主軸轉速都在12 000 r/min以下，因此主軸與主軸電機設計采用皮帶式連接方式。皮帶式連接的優點：①相比直連式，主軸可以借助皮帶減速可以實現主軸電機1.5倍的扭矩；②連接可靠；③主軸電機自重施加到支撐點的懸臂彎矩更小、Z軸移動響應更優。

（2）主軸輸出扭矩的確定。

根據 PC=（ap×ae×vf×kc）/（60 000 000×り），MC=PC×30 000/（∏×n），式中：PC是切削功率，ap是切削深度，ae是切削寬度，vf是每分鐘進給速度，kc是切削力系數，η是效率系數，MC是切削扭矩，n是刀具轉速。以配置FANUC數控系統的型材加工中心為例，可參考表2確定中切機床的主軸電機功率和主軸直徑、輸出扭矩/轉速（按最大輸出扭矩）。

表2 中切機床加工對象與主軸電機參數選取

5 直線導軌副的選型[8-9]

傳統中切型材加工中心選擇的是35規格的滾珠式直線導軌副，本文選擇35規格的滾柱式直線導軌副。

表3 改進前后性能或參數對比表

以采用德國力士樂35標準滑塊直線導軌副為例，依據直線導軌副的額定壽命L（m）=(C/F)10/3×105（其中，C=導軌副額定動載荷，F=導軌副所受當量載荷，壽命和剛度對比如下：

（1）滾珠式直線導軌副C（滾珠）=41900N，滾柱式直線導軌副C（滾柱）=56300N，因此，L(滾柱)/L（滾珠）=（56300/41900）10/3≈2.5(倍)（備注，各品牌直線導軌設計不同，額定動載荷有差別）

圖8 XVB600-8500CNC動柱式型材加工中心

表4 XVB600-8500CNC（6000-10000rpm）主要技術參數

（2）假設F=10 000 N的受力，根據德國力士樂產品說明書，35標準滑塊直線導軌副在0.08C預緊力下的剛度曲線圖，35標準滾珠直線導軌副的撓度≈0.018～0.20 mm，35標準滾柱滾柱滑塊的撓度≈0.004～0.006 mm，滾柱式剛性是滾珠式的3倍以上。

6 各軸驅動方式的設計

型材加工中心的Y、Z軸一般采用滾珠絲杠驅動，傳統的型材加工中心X軸一般采用齒輪齒條驅動方式。本文設計的驅動方式在傳統驅動方式基礎上，通過提高驅動元件的精度，來提升機床的精度壽命。表3列舉了改進前后的性能或參數對比。

7 其他保障機床精度壽命的措施

本文全部采用全自動的稀油潤滑，保障機床導軌絲杠的潤滑狀態良好、導軌安裝面采用刮研配合工藝，提高直線導軌副的接觸剛度、降低直線導軌副組合的裝配應力。

圖8為銀特銀數控機床有限公司產品，2018款XVB600-8500CNC，主要技術參數見表4。

8 結論

本文對機床改進后，床身、鞍座、支撐導軌的剛度都得到了提高、主軸最高扭矩可增加50%，驅動精度得到提升、直線導軌理論壽命得到提升，這些措施都有助于提高機床的精度壽命。