针对μ1000系列高效、高精立式加工中心的具体设计过程，综合阐述了现代机床先进设计中所考虑的问题和解决的方法。从初步设计到总体布局设计、优化结构设计以及误差补偿技术等方面详细介绍了设计过程和采取的措施，使研制的新产品具有高的性能水平和市场竞争力。
随着科学技术的发展和工艺水平的提高，以及先进刀具的使用，机床向着高速、高精、高效方向发展。特别是汽车业、船舶业、航空业、军工业的迅猛发展，对机床的精度和生产率要求也越来越高。为了适应国内市场的需要，满足用户对高速、高精及强力切削的需求，我们决定研制新一代立式加工中心，用以作为原有KT系列产品外的另一高端产品系列。
全新结构和高性能的立式加工中心μ1000系列基型产品(图1)是在分析国内外立式加工中心主流产品规格参数的基础上，并结合我国市场的需求研制出来的，充分体现了数控机床的高速、高精、高品质、高稳
定性技术发展方向，具有较高阶性价比。
图１ μ1000系列立式加工中心外观
1 设计原则及主参数的确定
(1)设计原则
①在速度和精度方面达到国际同类型同规格产品先进水平，同时兼顾强力切削，满足用户一机多用目的；
②高刚性结构设计，保证机床设计寿命长；
③产品模块化设计，降低设计成本，形成不同配置的系列产品；
④高精度设计，满足N级加工精度的需要；
⑤高效率设计，满足现代高生产率的要求；
⑥注重环保o
(2)主要技术参数
根据市场调研确定标准配置。工作台面尺寸为500mm×1200mm；X、Y、Z行程分别为l000mm、560mm、550mm；’主轴功率18．5／22kW，主轴转速15000/min，BT40刀柄；ATC(自动换刀装置)换刀时间1．5s，最大刀具重量7kg，刀库容量24把；X、Y、Z快移速度分别为48m／min、48m／min、36m／min；全闭环情况下定位精度≤O．008mm，重复定位精度≤0．004mm。
作为系列产品和选用配置，五轴联动控制时，其工作台面尺寸为￠500mm，X、Y、Z行程分别为500mm、500mm、415mm；主轴转速12000r/min、20OOO r／min任选，刀柄可选择HSKA63。
2 合理的总体布局设计
为保证机床结构设计的合理性，对基础件、传动系统、主轴及整机都进行了有限元分析，找出设计的薄弱环节加以改进，对机床整体性能优化和高刚性设计起到很好的指导作用。
在设计开发过程的初期，初步设计了外形尺寸和工作区范围相同而结构不同的4套方案，即定梁顶置滑枕式、定立柱十字工作台式、横梁滑座式和定立柱三坐标单元式等四种结构。通过有限元刚度分析和加工误差分析，得出方案l(即定梁顶置滑枕式)的刚度是最大的，且误差分配也比较合理，所以实际设计中，选择了第1种方案(图2)o
图2 机床布局结构
按方案1的结构进行了机床整机和部件的设计。并且根据设计图对机床整机和部件进行了有限元分析和结构参数改进，避免了薄弱环节的出现。与同类立式加工中心相比，这台机床在各个方向的刚度都具有较大的优势，综合当量刚度约提高40％—100％以上，并且3个方向的刚度值较均匀。见表1。由计算结果可知，机床整机的整体性能优良，机床静态刚度显著提高，可以满足高速、高精、高效的要求。
这种布局结构的优点是：床身立柱分体，且主要构件均呈箱形结构，加工时不易变形，加工工艺性好；结合面较大，基础稳固，主轴悬伸小，整体结构刚度高；左右完全对称式设计，主轴X向热平衡较好；y向悬伸小，热变形影响小；X、Y、Z轴移动部件轻，加速性好；构件结构稳固易于保证导轨运动精度，精度稳定性好。
3 优化结构设计
优化结构设计主要通过计算、分析、选择各结构件和承载件合理的参数，以保证机床的精度稳定、运动平稳和使用寿命长o
(1)保证机床精度稳定
为保证机床的精度稳定，床身、立柱、滑座、主轴箱等都采用有限元分析，应用高阻尼性能的优质铸铁制造，合理的截面设计和筋格布置，尽量避免行程中出现不合理的悬臂状态。导轨采用高刚性滚柱导轨，安装基面精密刮研。
μ1000系列机床打破常规机床结构型式，床身采用三点支撑，高附性设计，使机床调整简单，不依赖于地基，机床可不需特殊的地基直接安装在水泥地坪上。床身用基于无弯矩的力流原理的特殊筋板设计保证其上构件在运动过程中，负载重心和切削力作用点始终不离开三点支撑的范围，并有足够的支撑刚度，有利于保持精度的稳定。
滑座采用顶置式结构，其特点为高刚性轻型设计，使运动单元灵活，适应高速要求。滑座沿立柱导轨作X向运动，加长导轨支撑长度，运动时滑座始终不离开导轨，直线度、定位精度、加工精度均易保证。工作台只做单方向(Y向)移动，与十字工作台结构相比，移动部件轻，且承重大，设计承重大于800kg。另外工作台沿导轨方向运动，结构刚性好，运动精度高，避免了传统机床工作台移动到两端后直线度降低或超差问题。扁长的主轴箱结构，使主轴重心尽量靠近导轨，主轴中心距导轨距离为295mm，比传统机床减少2／5，这样主轴悬伸小，受弯矩小，另外导轨安装在主轴箱上，滑块在滑座上，大大增强了Z向刚性，提高了加工精度和运动稳定性，定位精度高。采用了宽度较大的滚柱导轨，中等预载荷消除了间隙和爬行，提高系统刚度和运动精度。
(2)提高高速运动的平稳性
线性轴驱动采用伺服电动机带动高速滚珠丝杠副，采取了预紧式单螺母形式，结构紧凑。丝杠两端采用轴向固定支撑并施加预拉伸，以提高传动系统刚度，吸收丝杠发热引起的热伸长造成的误差。丝杠与电动机问的联轴器选用波纹管形式，传动效率高、刚性好、传递扭矩大、扭转刚度高，且自身转动惯量小，适应高速性。适当增加座的长度以增加螺母座及丝杠轴承座与基础件间结合面刚度，同时工艺上采取配副研技术，使精度直接进入稳定期，提高了耐冲击能力。
采用高刚性电主轴，前轴承选用中预载的4列背对背高速角接触陶瓷球轴承，轴承内径￠70mm，这种组合方式使轴承可同时承受径向和轴向载荷，主轴动静刚度高o
(3)关键部件的长寿命设计
为了减少冲击，提高定位精度，控制系统设定了钟型加减速功能和HRV功能，调整了影响动态性能的位置和速度增益。同时，设计中对一些影响精度和工作性能的关键部件采取了相应措施。如：主轴轴承用油气润滑，因部分油气会进入到电动机定子与转子之间，造成电动机被污染而影响使用性能和寿命。为了克服这一点，在电动机前后端均有低压干燥清洁气体吹人，局部形成轻微正压，防止油气进入，保证电动机性能稳定，寿命长；为避免主轴前端有脏物进入轴承，也防止轴承油气润滑的废油渗出到主轴端面上，主轴最前端加有压缩气流吹出，防止脏物进入和吹散废油；由于五轴联动的转台电动机直接工作于工作区，为防止脏物进入，影响其寿命，转台上两个电动机罩均设有低压气体吹气。为了保证光栅长久保持精度，提高使用寿命，在光栅的读数头上也加有干燥清洁的空气吹入。
4 多种误差控制和补偿技术
(1)控制热变形和振动
为了保证高精度，采用了多种措施来减少机床的热变形和振动。如主轴套筒和前后轴承座恒温循环冷却，油气润滑减少轴承发热，后轴承使用圆柱滚子轴承，一旦发生热变形，主轴就向后伸长，不会影响加工精度；大流量冷却刀具和工件，减少切削热产生；床身上两个螺旋排屑器及时将切屑排出，避免切屑大量堆积引起床身热变形；机床对称结构设计，平衡热变形等；主轴具有中心内冷却功能，内冷最大压力为2．2MPa，可满足进行高速切削、小孔加工和深孔加工时对排屑畅通、及时带走加工热量的要求。
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