高效、高精立式加工中心设计技术

   
     为了使主轴运转平稳，降低噪声，减小振动，对主轴采用两次动平衡，一次是主轴与转子热装后，第二次是所有回转零件装配好后且几何精度检验完毕后。另外，在主轴前后位置设计有平衡环以备在线动平衡用。刀库放在机床的左侧面，用单独地基，这样在刀库和机械手换刀时产生的振动和不平衡不会传到主机上，消除了一部分外加载荷，使机床精度更稳定o

     (2)提高空间位置精度的补偿技术
   
     为了在较高的运动速度下，提高机床的定位精度和加工精度，特别是定位精度，机床上安装了精度为0．003mm的HEIDENHAIN封闭式绝对光栅尺，进行全闭环控制。但机床的定位精度只能评价机床在特定位置时的精度，如果远离测量面进行加工时，加工的位置度会有较大误差。而传统的螺距补偿只能对特定位置丝杠的螺距误差进行补偿，并不能全面降低整个加工面的位置度误差。为了尽可能消除加工区域内的位置度误差，提高机床的加工精度，增加了空间误差补偿功能。通过大量的试验采集数据，计算出机床在各空间点的几何误差，并通过CNC系统给予实时补偿。
   
     图3和图4示出在X、Y二维平面上测出的位置误差，由补偿前的最大23μm降至5μm。

     (3)Z轴热补偿技术
   
     主轴在运转过程中，电动机、轴承及其它运动部件会因摩擦、损耗等产生热量。如果热量不能及时散发和排出，则会严重影响机床精度。因此，对主轴电动机外套和轴承座外套用通过恒温油的方式进行循环冷却，使主轴运转过程中绝大部分的热量随循环油带出机体，以减小热变形。但是，再完善的冷却也仍然会有部分热量因传导速度快而不能及时排出，使主轴产生热变形。为了进一步解决主轴这部分热变形对精度的影响，对主轴2向热变形用软件补偿的办法进行了补偿。补偿数据是通过实验获得的。

图3 补偿前平面位置误差

图4 补偿后平面位置误差

 

     为了使补偿软件更具有通用性，采用了变量编程，可针对不同的机床、不同的使用情况分别给这些变量赋值，便可生成最具有针对性、实用性的补偿程序。图5示出了采用热补偿后Z向的误差由补偿前的25．93μm降至8．76μm，约减小到1／3(试验条件：主轴转速7500r／min，每2min测量一次温度和位移，温度测点为前后轴承及环境温度，位移测点为主轴轴端。温升为后轴承没有冷却的情况下。)

图5 补偿前后温度升与主轴伸长量之间关系曲线比较

     5 全面高速化和高刚度
   
     全面高速化包括具有较高的快移速度48m/min高的切削进给速度30m／min，最大0．9g的加速度；高的主轴转速12000—20O0Or/min以及高的换刀速度1．5s。主轴电动机选用FANUC的 α Bi系列内装电动机，具有低速绕组和高速绕组。在低速绕组额定转速在1500r/min以下时，恒扭矩达118Nm。转速至4000r/min时，仍有36—44Nm的较大扭矩输出。在高速绕组下即使转速20000r/min时，也仍有8．8—11Nm的扭矩输出。恒功率恒扭矩范围宽，可实现低速大拉矩切削和高速加工。
   
     机床的三点支撑结构，可便于根据生产线需要调整位置实现快速重组，缩短了机床安装调试周期，节约了调整工时。全封闭防护罩确保高速、高效加工条件下工人操作安全。使用油水分离器，将冷却液中油分离过滤掉，延长冷却液的使用寿命，提高冷却液使用效果，并且符合环保要求。

     6 结语
   
     该产品研制成功后进行了全面性能实验，经验证完全满足设计要求，并且在结构、动静态刚度和精度方面表现出色。Z轴实测定位精度3．4μm，重复定位精度小于1．7μm；用端铣刀铣削铝件，表面粗糙度Ra平均为0．04μm，及Ramax为0．1μm(数据均为新产品鉴定时现场实测值)。它标志着机床在主轴转速、快移速度、位置精度等方面均达到了较高水准，并形成了新一代高性能立式加工中心系列，研究成果实现了商品化、系列化、模块化。产品在整体结构上采用的三点支撑高附性结构设计和基于可靠性增长分析的部件及元器件设计，确保了机床高速、高精和高可靠性，在热变形误差补偿和平面位置误差补偿方面具有独特的技术等优点o μl000系列机床满足了市场对高档立式加工中心的需要，已进行小批生产和销售o这充分说明从常用的功能设计进一步发展机床结构的刚度设计、精度设计、高速化设计、补偿技术、寿命设计和可靠性设计等现代机床先进设计技术的作用和必要性。

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