[摘（zhāi）要 ] 針對（duì）船舶、航空、軌道交通、核電等行業（yè）的大型零件加工需求，研製了大型數控龍門橋式加工中心，3個移動軸行程為 3m×5m×0.8m，可實現 0.02mm 的鏜銑加工精度。通過對加（jiā）工中（zhōng）心若幹技術研究集成，使之具備以下重大特點：（1）研究伺服電機解耦控製方法（fǎ）及雙驅動同步技術，保證橫梁在兩側橋式立柱導軌上的精確同步縱向移動；（2）通過旋轉螺母（mǔ）絲杠結構（gòu）分別獨立驅動雙主軸頭在橫梁上的（de）橫向移動，實現雙主軸獨立加工；（3）利用雙回轉擺動銑頭附（fù）件（jiàn）及控製係統集成，實現大型零件（jiàn）的五軸數（shù）控加工。所研製的加工中心（xīn）具有工作台承重大（dà）、加工效率高、使用方便、自動化程度較高等特點，已成功用於生產。
 
       關鍵詞：大（dà）型零（líng）件；龍門（mén）橋式加工中心；雙邊同步驅動；雙主軸頭；旋轉螺母絲杠

  
      羅紅平博士，講（jiǎng）師。主要從事特種加工、切削磨削加工技術及裝備（bèi）的研究。主持完成國家自（zì）然科學基金青年項目 1項、廣東省自然科學基金博士啟（qǐ）動項目1 項，獲國家（jiā）發明（míng）專利授權 3 項。

      大型零件在船舶、軌（guǐ）道交（jiāo）通、重型製造裝備、大型模（mó）具、電力、航空航天、汽車、能源、礦山、冶金、鍋爐、印刷包裝、現代國防（fáng）等（děng）現代工業部門中（zhōng）具有廣泛的應用，如大型船舶（bó）螺旋推進器、導軌機車零部（bù）件、大型航空件透明模（mó）具、鈦合金和（hé）鋁合金框架（jià）、航空（kōng）發（fā）動機轉子等 [1-2]，其市場需求量逐年增加。信息顯示，我國在（zài）未來近20 年內需要生產製造 2400 多（duō）架新的（de）民用飛機，價值為（wéi） 1970 億美元，再（zài）加上各（gè）類支線客機和民用（yòng）運輸機，總價值達到 3500~4000 億美（měi）元 [3]。然而國外對（duì）我國在大型零件的加工裝（zhuāng）備和工藝等方麵有（yǒu）所封鎖（suǒ），國外設備售價昂貴，限製了相關行業和產業的發展。
 
      針對船舶、軌道交通、核電等新興行業及裝備製造業對大型複（fù）雜零件加工裝備的需求，自主研（yán）發了大型數控龍門橋式加工中（zhōng）心。該（gāi）加工中心 3 個移（yí）動軸X /Y /Z 的工作行程分（fèn）別（bié）為 3m×5m×0.8m，定位精度可達 0.015m m，可以實現最（zuì）大加工速度3m / m i n、加工精度為 0.02m m 的鏜銑加工，且能通過（guò）雙回轉擺動銑頭附件對大型複雜曲麵零（líng）件進行多（duō）軸加（jiā）工。通過（guò）關鍵機（jī）械結構總體（tǐ）方（fāng）案布局設計及相關技術的係（xì）統集成，形成穩定的加（jiā）工工藝和（hé）安裝調（diào）試方案，利用研製的大型數控龍門橋式加工中心，實現了一次裝夾下對大型零件（jiàn）的高（gāo）效、較高精度、較低成本的多麵體加工。機床主要技術性能指標研製的大型數控龍門橋式加工中心總體尺寸及主要技術性能指標包括：
 
      外觀尺寸：長 5.9m，寬 4.9m，高4.2m，總質量 50t，總功率 75kW。
 
      X Y 機（jī） 床（chuáng） 工 作 台（tái） 尺 寸： 3.45m×4.32m；
 
 
      X /Y /Z 有效工作行程：X（主軸（zhóu）在橫梁上的橫向移動）：3m ；Y（橫（héng）梁沿橋式龍門導軌的縱向移動）：5m ；Z（主軸（zhóu）上下）：0.8m ；機床定位精度0.015m m，重複定位精度 0.015m m，最大（dà）加工速度 3m/min；所開發的龍門橋式（shì）數控高速加工中心，可實現（xiàn） 0.02m m 的鏜銑加工精度；能通過多軸聯動方式加工大型複雜曲麵零（líng）件。
  

      加工中心總體方案設計
 
      1 、機床總體結構布局
 
      針對大中型零件的（de）加工，要求機床（chuáng）布局結構具有“行程大、速度高、剛度好”等特（tè）點，因此重型機床多采用龍門（mén）結構，也就是安裝機床主軸的橫（héng）梁由雙立柱支承。而根據龍門式加工中心的Y 軸移動框架結構可形成若幹（gàn）個方案（àn），主要包（bāo）括（kuò）：（1）動工作台（tái）、動橫（héng）梁（liáng）式；（2）動工作台、定橫梁式；（3）定工作台、龍門橋式（橫梁在高架橋（qiáo）式（shì）立柱導軌上移動）；（4）定工作台、動龍門式（龍門框在二（èr）邊導（dǎo）軌上移動）等（見（jiàn）圖 1）。對於大型機床，為（wéi）了（le）盡可能控製機（jī）床的總體尺寸，更多（duō）地采用龍門移動式方案（3）或（4），即：工作（zuò）台不動、龍門框移（yí）動或橫梁在高（gāo）架橋式立柱導軌上移（yí）動（dòng）。相對於工作台移動的龍門機床而言，定工作台（tái）龍（lóng）門機床的固定工作台可以與床（chuáng）身整體鑄出，縱向運動的驅動力矩等值不變，不會因（yīn）工件承載質量的改變（biàn）而變化，從而能更有效地保證（zhèng）加工精度和機床的響應性能 [4-5]。

      表1 給出了各類不同框架結構的龍門式（shì）加工機床的性能（néng）比較。從表 1 的比較結果可知，對於船舶（bó）、機（jī）車、核電等行業（yè）大型零件的加工，采用龍門橋式框架結（jié）構可以更好地滿足該類零件的加工要求。
 

      表1 大型龍門機床的框架結構型式示意圖
  
     
  
      注：“++”代表（biǎo）極好（hǎo）；“+”代表（biǎo）好；“O”代表一般；“—”代表差；“——”代表極差。
  
  
       
  
                                    圖（tú）1 大（dà）型龍門機床的框架結構型式示意圖
   
       2 、機（jī）床運動部件結構設計
 
       針對（duì）大型零件“材料成本高（gāo）、廢品率要求嚴（yán）格，材料去除率大，要求的加工效率高，零（líng）件表麵質量及加工精度要求高”等特點，研製的機床（chuáng）應同時具備穩定性高、精度保持性（xìng）好、功率大（dà）、扭矩大、剛性高、可實現（xiàn）高（gāo）速加工等（děng）多種功能及特性。研製的加工中心機床選用龍門高架橋式框架（jià）結構，大型零件（工件）安裝在固定的工作台上，橫梁在高架橋式立柱（zhù）導軌上沿縱向（Y）移動，龍門（mén）立柱間的寬（kuān）度為（wéi） 3450m m，主軸單元可（kě）沿橫梁作橫（héng）向（X）移動和上下（Z）運（yùn）動，刀具則安裝（zhuāng）在懸（xuán）掛於橫梁上（shàng）的高速主軸單元內（主軸功率 7.5~11k W，轉速可達 10000~18000r/min），通（tōng）過機床配置的標（biāo）準主軸和附件銑頭進行（háng）加工。標準主軸安裝在垂直軸（zhóu）（Z 軸）裏（lǐ）麵，安裝刀具後垂直於工作台，如（rú）果需（xū）要（yào）加工工件的側麵，則（zé）可通過控製（zhì）係統（tǒng）使主軸裏的刀具與所需要的附件銑頭進行交換，因此工件一次裝夾後可實現（xiàn）銑、鏜、鑽、鉸等多種工序的連續加工。
  
      

                               圖2 龍門橋（qiáo）式加工中心機床三（sān）維結構圖
     
       圖 2 表示了該加工中心機床的三維（wéi）結構。機床中，各直線軸的（de）移動（包（bāo）括橫梁在橋式立柱導軌上的Y 向移動、主軸在橫梁上的左右（X）、上下（Z）移動等 3 個方（fāng）向（xiàng））均采用雙電機驅動方式，因此可有效減少傳動摩擦（cā）損耗，降低對電機功率的要求；其中，Y 軸驅動電（diàn）機 2、11，X 軸驅動電機 5、8，Z 軸驅動（dòng）電（diàn）機 6、7 的功率（lǜ）分別 為 5k W×2.3k W×2 和 7k W×2，X軸可實現 12m/min 的進給速度；各移動（dòng）軸（zhóu）移動的（de）扭曲直線度為 8μm /1m ；刀具為（wéi）安（ān）裝在雙主軸頭（tóu）上的（de）標準刀（dāo）具或雙（shuāng）回轉擺動銑頭 12、13，因此能夠實現大型零件的五麵體加工，並且通過對銑頭、高速主軸單元的設（shè）計以及控製係統的開發，實現對各種（zhǒng）螺（luó）旋體和球體類等工件曲麵的（de）高速加工；雙主軸頭懸掛於橫梁 3 上，分別通過各自的活動螺母（mǔ）聯結在同一根絲杠10 上，可通過（guò）兩主軸頭上獨立（lì）配置的電機分別驅動，沿橫梁（liáng）橫向 X 獨立移動，因此可實現雙刀同時進行加工，生產（chǎn）效率成倍提高；立柱導軌與Z 軸滑枕 4 采用滾（gǔn）柱導軌定位的結構，保證（zhèng）移動精度、平穩性及剛度。
 

       加工中心的若幹關鍵技術
 
       1、 機床雙主軸橫梁（liáng）設計
 
      加工中心的橫梁單元在機床運動及加工過程中承受著複雜的空間載荷，使（shǐ）其產生了多（duō）向複雜變形。其（qí）中（zhōng），橫梁的自重（chóng）為均布載荷，在其上懸掛的雙主軸箱、滑鞍的（de）自重為集中載荷，而切（qiē）削力則因加工（gōng）條件不同而發生變化，屬於大小（xiǎo）、方（fāng）向（xiàng）可變的外載荷（hé）（見圖 3）。當機床進行複雜（zá）零件加工（gōng）時，橫梁部件還要承受慣性力等（děng）附加載荷。所有（yǒu）這些載荷均（jun1）會使橫梁產生彎曲和扭轉變形，影響加（jiā）工精度。在橫梁上設置良好的型腔布筋結構（如合理（lǐ）布置筋板的位置、設計 V 形筋布置方式）是保證大型機床橫梁剛性、避免橫梁彎曲變形過大的關鍵措施。在橫（héng）截麵積一定的情況下，通過有限元（yuán）分析等（děng）輔助設計手段 [6-7]，可以比（bǐ）較準確地計算橫梁的彎曲變（biàn）形位移情況，從而合理確定（dìng）橫梁型腔結構，達到最大（dà）限度（dù）增大空腔麵積、減小筋板厚度、降低（dī）橫梁的總體質量、解決橫梁彎曲變形等目的。

                                 圖3 橫梁部（bù）件受（shòu）X、Y和Z向切削力示意圖（tú）
  
                   

                              圖4 橫梁（liáng）在自重載荷作用下的彎曲變形雲圖

       圖 4 為通過 ANSYS workbench 軟件對所設計的橫梁筋板結構進行靜力（lì）學分析驗算，得到的橫梁在自重作用下產生的（de）彎曲變（biàn）形雲圖。除了位（wèi）移變形之外，橫梁結構的動態特性也與機床的振動特性直接相關，從而影響到機床的切削（xuē）參數選用和加工過程穩定性（xìng）等性能。圖 5給（gěi）出了橫梁的前幾（jǐ）階主要模態及其對應的振型。通過（guò）對關鍵結構（gòu）件及整機等進行模態及振型（xíng）的有限元分析（xī），可（kě）以為機床（chuáng）結構的動力特性的優化設計、切削工藝參數優選等提供必要的依據和指（zhǐ）導。
 
        2、 Y 軸雙驅同步移動技術
   
        一般情況下，各種（zhǒng）負載台是通過（guò）絲杆進行力矩傳遞的（de），如果采用單軸驅動，限於機床機械結構的影響，絲杆往往（wǎng）位於（yú）滑台的一側而使負載（zǎi）台的重心與絲杆不在同一平麵內，當絲杆跟負載台的重心不在同一（yī）點時，絲杆除了傳動必須的軸向力矩外，還受到了額外的彎矩，這樣會嚴重減少絲杆的使用壽命（mìng）。使用雙（shuāng）軸驅動時，絲杆位於負載台兩側對稱放置，這樣絲杆上（shàng）產生的額（é）外彎矩就會互相抵消，可（kě）以提高絲杆的使用壽命。因此采（cǎi）用兩個電動機雙邊驅動是比較（jiào）理想的（de）方案，但隨之而（ér）來就產生（shēng）了雙軸同步控製的問題 [8]。
 
       
  
                             圖5 橫梁的前四階模（mó）態及其對（duì）應振型

       所設計機床橫梁跨距 3450m m，龍門（mén）兩側采用兩套相同的傳（chuán）動機構，由於主（zhǔ）軸和滑（huá）枕在橫梁上移動不總是對稱受力，加工過程中（zhōng）還受其（qí）他各種不確定因（yīn）素的（de）影響，由此帶來機械上的強耦合作用會使移動（dòng）部件容易傾斜，破壞了同（tóng）步進給的（de）精度，因此采（cǎi）用解耦控製的方法來減輕機械耦（ǒu）合對兩個電機之（zhī）間的相互影響，提高（gāo）同步進給的精度。如圖（tú） 6 所示，將雙變量控製（zhì）係統解耦後，轉換成獨立的單變量係統，然（rán）後按單變量的控製係統原理進行解耦後的設計。解耦器是建立在精確的數學模型基礎上的，為盡量（liàng）減少同步（bù）誤差，需進行自適應控製，當每個係統受不同負載擾動影響或其他參數產生漂（piāo）移時，通過檢測雙電機（jī）狀態之間的誤差，經過自適應規律產生的反饋作用（yòng）來修改控製器的參（cān）數，產生同步控製量，使二者在位置上（shàng）保持動態一（yī）致。
  
      
 
                                                        圖6 Y軸雙驅動解耦驅動原理
 

       3 、機床控製係統及伺服係統
 
       控製係（xì）統選用沈陽（yáng）藍（lán）天數控係統 G J330。該係統為一款通用性強、配置靈活的中高檔數控係統，可連接總線式、模擬量（liàng）兩種類型的伺服驅動器，最多可支（zhī）持 10 軸，可實現 6 軸聯動。G J330 數控係統具有模塊化、開放、靈活的係統結（jié）構，內置高速嵌入式工業 C P U 板卡，配置大尺寸彩色（sè）液晶顯示（shì）屏和全功能機床操作麵板，具有高性能、高可靠性及（jí）配（pèi）置靈活、結構緊湊、易操作等特點，該係統基本滿足加工中心對數控（kòng）係統的要求，且經濟性較好。伺服係統采用帶有（yǒu）過濾器及電抗（kàng）器的數字伺服驅動係統，配海德（dé）漢係列交流伺服電機，並（bìng）配海（hǎi）德漢增量（liàng）為盡量減（jiǎn）少同步誤差，需進行自適應控製，當每個（gè）係統受不同負載擾動影響或其他參數產生漂移時，通過檢測雙電機狀態之間的誤差，經過自適應規律產生的反饋作用來修改控製器的參數，產生同步控製量，使二者在位（wèi）置上保持動態一致。
  
       4、 機床控製係統及伺服係統
 
       控製係統選用沈陽藍天數（shù）控係統 G J330。該係統為一款通用性強、配置靈活的中高檔數控係統，可連接總線式、模擬量兩種類型的伺服驅動器，最多可（kě）支持 10 軸，可實現 6 軸聯（lián）動。G J330 數控係統具有模塊（kuài）化、開放（fàng）、靈活的係統結構，內（nèi）置高速嵌入式工業 C P U 板卡，配（pèi）置大尺寸彩色液（yè）晶顯示屏和全功能機床操作麵（miàn）板，具有高性能、高可靠性及配置靈活、結構（gòu）緊湊、易操作等特（tè）點，該係統基本（běn）滿足加工中（zhōng）心對（duì）數控係統的要求，
 
     （a）第一階（jiē）振型固（gù）有頻率：91Hz
     （c）第三階振型固有頻率：194Hz
     （b）第二（èr）階振型固有頻率：136Hz
     （d）第四階振型固有頻率：223Hz
 
       圖5 橫梁的前四階模態及其對應振型Fig.5 The first four modals analysis of beam and correspording modes解耦控製CNC 係統位置控製單元位置（zhì）測量速度控製（zhì）單元速度測量電機與滑枕幹（gàn）擾× × 輸出+ +- -圖6 Y軸雙驅動解耦（ǒu）驅動原理（lǐ）Fig.6 Schematic diagram of bilateral synchronous drive(Y axis)式鋼帶（dài）直線光柵尺，通過（guò）旋轉編碼器半閉環控製。
  
      5 、雙主軸頭獨立驅動技（jì）術
   
      本加工中心一大特色是機床橫梁上雙（shuāng）主軸（zhóu）設計（jì）。在主軸頭沿 X 軸方向的驅動方麵（miàn），采用“旋轉螺母絲杠”的機械傳（chuán）動結構，不但可以（yǐ）利用滾珠螺母的高速旋（xuán）轉進行驅動（dòng），避開長絲杠高速旋轉帶來的係列問題，提高主軸驅動的速度和（hé）加速度，簡化機床結構，而且還可（kě）以通過對多個螺母的旋轉單獨控製的方式完成橫梁上雙主軸頭（tóu）的獨立驅動，實現雙主軸獨立加工，從而大大增強加工的（de）靈活性（xìng）和（hé）效率。雙主軸頭樣機試驗的結果表（biǎo）明：通過雙主軸頭獨立驅動、雙刀同時加（jiā）工的方式，可以使加工效率成倍提高。
  
      6 、其他相關技（jì）術
      
      通過包括 N C 控製（zhì）技（jì）術、全（quán）閉環控製技術、A / C 雙擺角數（shù）控（kòng）萬能銑頭、動力學分析技術、安全防護模式、重型刀（dāo）具的換刀技術等多種（zhǒng）技術的有效集成與（yǔ）開發，保證了所開發機床的多軸加工功能、精度與高可靠性、安全（quán）性。例如：機床要（yào）求通過選用延伸銑頭、五麵銑頭、直角銑頭等附件來實現大（dà）型零件的多軸加工（gōng），由於不同銑（xǐ）頭的尺寸和扭（niǔ）矩不（bú）同，這就要求在配備不同銑頭的同時，係統應該具（jù）有不同的參數來（lái）自動調整匹配，以達到安全防護的（de）目的。
  
      
  
                          圖7 龍門加工中心機床實（shí）物圖 

  
                  
  
                              圖8 加工後的（de）大型鑄件（jiàn）
   
       所研製（zhì）的數控龍門橋式加工中心具有占地麵積小、工作台承重（chóng）大、加工效率高、使用方便、自動化程（chéng）度高等（děng）特點。圖 7 為龍（lóng）門機（jī）床實物圖，圖 8 為利用該機床加工重型機床大型框架類鑄件的（de）現場照片。
   
       結束語
 
       本文研製的大型（xíng）數控龍門（mén）橋式五軸加工中心，通（tōng）過雙主軸頭獨立驅動、橫梁驅動電機雙邊精確同步控製、機（jī）床結構優化等（děng）若幹關（guān）鍵技術的集成（chéng），成功實現（xiàn）了大型零件的高效率、低成本、高穩定性、較高精度加工。通過配備雙回轉（zhuǎn）擺動附件銑頭方式，可以實現對大型複雜曲麵零（líng）件（jiàn）的（de）有效加工（gōng）。本加工中心具（jù）有自主知識（shí）產權，目前已成功用於重型機床、船舶、軌（guǐ）道交通、核電等領域若幹大型零部件的加工，具備較好的推廣應用價（jià）值。