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軌道交通用大型（xíng）鋁材構件（jiàn）數控龍門加工中心研製

2021-2-8 來源：作者：

摘要：開發了一種適用於（yú）軌道交通車輛車（chē）廂用大型鋁材構件加工的高速、精密數控龍門五軸加工中心。由可行性試驗（yàn）和有限元分析優化了 28m 超（chāo）長分段床身結構以及由龍門框架、滑板工作台、高速電（diàn）主軸、多功能刀庫等（děng）組成的龍門（mén）加工中心整體結構，得出了電主軸輸出功率、扭矩、轉速適配表對（duì）控製係（xì）統進行（háng）二次（cì）開發，研發了夾緊位置的智（zhì）能定位、自動夾緊、多點自動位置優化的智能夾具，提高（gāo）了機床的高速移動速（sù）度和加工精度。

關鍵詞：軌道交通車輛鋁型材（cái）構件數控龍門加工中心

我國軌道交通製造業呈逐年高（gāo）速增長的態勢，新一輪的高鐵、動車、地鐵的建設項目正在國內外積（jī）極展開。其中，為了保證高速行駛平穩性和可靠性等，高鐵、動車和地鐵等軌道交通車輛用（yòng）的車廂廂板、底板、裙板以及邊梁等長大類零（líng）件（jiàn）不允許拚接，均采用整體式（shì）結構[1]。例如：如圖 1所示的車輛用車廂整（zhěng）體結構；如（rú）圖 2 所示的動車車廂廂板的大型薄壁型腔結構，其鋁合金構件的長（zhǎng）度（dù）達 23.9m製造車輛車廂用（yòng）零部件所需的關鍵加工設備均從國外（wài）進口，特別是目（mù）前我國引進的（de）車（chē）輛車廂用超大型鋁材構件加工裝備的軟件升級、二次開發以及與其他 CAD/CAM 軟件的兼容性上都被設（shè）置了層層障礙，並（bìng）且這些產（chǎn）品形成的技術標準也很難與我國現行的行業標準兼容。麵對不斷發展的軌道交通用車廂等零部件的國際化（huà）需求，配套供應商（shāng）的現有產能遠遠不能滿足市場的需求，嚴重製約了我國軌道交通車輛的快速發展。市場迫切（qiē）需要開發一（yī）種（zhǒng）能替代進（jìn）口的軌（guǐ）道交通車（chē）輛車廂用大型鋁材構件的加工裝備，以滿足（zú）我國（guó）快速增長（zhǎng）的軌道交通裝（zhuāng）備製造的需求。為（wéi）此，本文開發了一種適用於軌（guǐ）道交通車輛車廂用大型鋁材（cái）構（gòu）件加工的高速、精密數控龍門五軸加工中心。

圖1　軌道交通車輛用車廂整體（tǐ）結構（gòu）圖 2　大型薄壁型腔結構（gòu）的鋁材構件斷麵

1、數控龍門五軸加工中心總體結構

為滿足圖 1、圖 2 的大型鋁（lǚ）材構件的加工，開發（fā）的數控（kòng）龍門五軸加工中心的結構（gòu）如圖 3 所示。它主要由超長分段床身（shēn）、龍門框架、移動滑（huá）板、高（gāo）速（sù）電主軸、多功能刀庫、適用於薄壁型腔鋁材構件的自動夾緊、多點自動定位的智能夾具以及采用西門子控製器的（de）數控係統等組成。作為加（jiā）工中心的基礎平台（tái），床身左右兩側安裝有 X 向導軌和移動齒條。

X 向導軌上安裝龍門框架，龍門框架下方（fāng）的齒（chǐ）輪齒條（tiáo）機構驅動其沿 X 向前後（hòu）移動。Y 向導軌上安裝滑板工作台，Y 軸絲杠驅動下可以沿 Y 向左右移動（dòng）。滑板工作台的Z向導軌滑塊（kuài）和絲杠驅動電主軸滑板（bǎn）上下移動。電主軸具有可繞 Z 軸旋轉的 C 軸和可繞 Y 軸旋轉的 B 軸，共同（tóng）完成雙擺運動。在龍門框架的左下方有旋轉式多功能刀庫。加（jiā）工（gōng）中心工作時，電主軸按設定速度完成刀具的旋轉主（zhǔ）運動，由（yóu） X、Y、Z、B、C 這 5 個伺服軸共同驅動雙軸（zhóu）擺頭的移動和擺轉，實現五軸聯（lián）動，完成全行程範圍內空間任意角度和位置的（de）加工。

圖 3　大型鋁材構件數數（shù）控龍門加工中心結構示意

2、龍門五軸加工中心的關鍵零部件結構

2.1　28m 超長分（fèn）段床身

圖 4 是（shì）本立（lì）項提出的 28m 超長分段床身的結構（gòu）。為（wéi）便於床身加工，它分成（chéng） 4 段節。為（wéi）了保證床身的強度、剛度和抗扭轉能（néng）力，研發的主要內容包括：分段床身的加工方法、連接方式及對（duì）接精度；如何降低對接裝配的難度，減少（shǎo）對接時間（jiān）；由試驗和有限元分析，優化床身的強度、剛度和抗扭（niǔ）轉能力，在滿（mǎn）足剛性、抗扭鑽要求（qiú）的前提下（xià）進（jìn）行超長床身的輕量化設計（jì）。

（1）在實驗的（de）基礎上，采用有限元（ANSYS）軟件分析 28m 床（chuáng）身的強度、剛度和穩定（dìng）性，檢查和鑒定床身結構的合理性。

（2）研發一種分段床身對接方法（fǎ）。在（zài）床身的（de）內側和外側分別固定一套（tào）連接裝置，以分段床身的主導軌一側安裝（zhuāng）麵為定位基準、副導軌為自由浮動的床（chuáng）身定位方法，並通過激光幹涉儀、光（guāng）學準直（zhí）儀等實時確認多段床（chuáng）身的平行度和重（chóng）合度。對接後的床身平行度（dù）和重合度分別達到了（le）±0.02mm，滿足床（chuáng）身（shēn）導軌的使用要（yào）求，表明本（běn）文提出的床身對（duì）接方法裝（zhuāng）配精度高且簡（jiǎn）單可行。

圖 4　28m 超（chāo）長分段對接床身結構圖

2.2　龍門框架及其附屬的滑板工作台、電主軸等整體結（jié）構

除圖 4 的加工中心分段床身之外，圖 5 的龍門加工中心整（zhěng）體結構主（zhǔ）要由龍門框架、電主（zhǔ）軸滑板工作台、高速電主軸（zhóu）以及多功（gōng）能刀庫等組成。該（gāi）加工中心整體位於（yú）如圖 4 所示的床身導（dǎo）軌之（zhī）上。由於動車車廂廂板（bǎn）等大型加工件長度大，龍門加（jiā）工中（zhōng）心工（gōng）作狀（zhuàng）態（tài）時的（de）固有（yǒu）振（zhèn）動特性等是評（píng）價其工作平穩性和提（tí）高加工精度的重要指標（biāo）。因此，對龍門加工中心整體結構進行結構設計和模態分析獲得其（qí）模（mó）態特性，是龍門加工中心整（zhěng）體結構優化設計必要的技術手段。圖 6 是建立的（de）龍門加工中心整體結構的有限元模（mó）型。有限（xiàn）元網格設定為綁定接觸，在接觸麵或接觸邊之間不存在切向的相對（duì）滑動或法向的相對分離，以使得接（jiē）觸麵上網（wǎng）格節點錯開，減少網格數量。選定龍門加工中心的雙立柱、橫梁（liáng）和電主軸等零部件的材料為結（jié）構鋼，彈性模量為200GPa，密度為 7850kg/m3，泊鬆比為 0.3。計算時，考（kǎo）慮到龍門框架（jià）及其（qí）附屬的滑板工作台、電主軸等整體結構自重產（chǎn）生的預應力，采用（yòng）帶預應力的（de）模態分析方法，即先對整個加工中心進行預應力分析，再以該預應力分析結果作（zuò）為模態分析的初始和邊界條件進行了（le）模態分析，得（dé）到了龍門（mén）加工中心整體結構的前六階模（mó）態頻率及振動特性等，圖（tú）7 和圖 8 分別是第 5 階和第 6 階模態振型[2]。將上述分析結（jié）果與電主軸（zhóu）電機頻率比較，可知電主（zhǔ）軸電機的頻率和模態（tài）分析中（zhōng）的第 6 階（jiē）模（mó）態頻率比較接近。因此，為避（bì）免高速主軸電機與龍門加工中心整體結構產生共振，有（yǒu）必要對龍門框架（jià）、滑（huá）板工作台等進行相應（yīng）的結構改進。改進（jìn）後的整體結構提高了機床移動速度和（hé）響應速度，保證了高速切削穩（wěn）定性。

圖 5　龍門加（jiā）工（gōng）中心整體結構

圖 6　龍門加工（gōng）中心有限元模型（xíng）

圖 7　第 5 階振型（電主軸振動）

圖 8　第 6 階振型（電主軸振動、雙立柱扭擺）

2.3　高速電主軸運轉參數

使用三坐標測（cè）量儀、粗糙度測量儀以及扭（niǔ）矩儀等檢（jiǎn）測（cè）設（shè）備，測定主軸轉速（sù）、扭矩、進給量（liàng）之間的配（pèi）合關係，並通過可行性試驗（yàn）和仿真分（fèn）析確認高速電主軸運轉參數的適配性，得出了表 1 所示的高速（sù）電主軸輸出功率、扭矩、轉速適配表，優化了（le）不同轉（zhuǎn）速下的（de）電主軸輸出關（guān）係。表（biǎo） 1 中，S1為額（é）定輸出，S6為 60% 超載輸出。

2.4　自動（dòng）夾緊、多點自動位置優化的（de）智能夾具

圖 9 是研發的適用於薄壁型腔的大型鋁材構件的自動夾緊、多點自動位置優化（huà）的智能夾具。為防止軌道交通用大型鋁材構件由於長度過長造成彎曲變形，有必要采用（yòng）多組可移動（dòng）夾具對工件進行（háng）支撐。按照工藝要求擺（bǎi）放各組夾具工作效率低，且易造成（chéng）切削刀具和工作台夾具幹涉。為此，針對不同規格的（de）大型鋁材構件，在實驗驗證的基礎上，采用 Adams 進（jìn）行仿真分析，在非加（jiā）工區域確定最優夾（jiá）緊點的位置。借助 Simulink 的框圖設（shè）計環境，對控製係統進行二次開（kāi）發，由專用軟件給出準確夾具位置，由數控（kòng）係統的X 軸驅動夾緊撥快，拖動每組夾（jiá）具移動到預定位置，實現根據圖紙工藝自動撥動夾具並優化夾（jiá）具位置的功能。

表 1　高速（sù）電（diàn）主軸輸出功率、扭矩、轉速適（shì）配表

圖 9　機床智能夾具結構圖

2.5　控製係統的軟件二次開發

原有的加工程序是由經驗豐富的工藝（yì）員依據待加工件圖紙手工編（biān）製而成。為提高數控加工中心的自動化程（chéng）度，本文在西門子控製係統基礎（chǔ）上二次開發了一種能根（gēn）據工件圖紙自動生成加工程序的軟件。針對大型鋁型材（cái）構件以銑削（xuē）、鑽削為主要加工工藝，加工圖元以孔槽、立筋（jīn）去除為主要技術特征，並且在鋁型材多個麵都有加工要求（qiú）的特點，開發了針對大型鋁型材構件（jiàn）的任意（yì）角（jiǎo）度均能（néng）實現以上工藝功能的 CAM 軟（ruǎn）件。將常（cháng）用的圖元（yuán）及（jí）圖元組模塊（kuài）化，需要時直接調用，采用填表式參數對話框，對所有切（qiē）削工藝參數及位置切削參（cān）數均采用彈出式圖表菜單（dān）形式，可直接填寫參數，直觀易懂，保障了（le）機床較高（gāo）的工作效率和加工精度。同時，通過軟（ruǎn）件功能的擴展，提高了機床的操控便利（lì）性和人際交互界麵的友好程（chéng）度。

3、結語

本文研發了一種適用於軌道交通車輛車廂用大（dà）型鋁材（cái）構（gòu）件加（jiā）工的高速、精密數控龍門五軸加工中（zhōng）心。由可行性試驗和有限元分析優化了 28m 超長分段床身結構（gòu）、由龍門（mén）框架、滑板工作台（tái）、高速電主軸、多功能刀庫等組成的門加工中心（xīn）整（zhěng）體結構，得出了電主軸輸出功率、扭矩、轉速適配（pèi）表（biǎo）對控製係統進行二次開發。通過軟件功能的擴展，實現了夾緊位置的智能定位、自動夾緊，提高了機（jī）床的高速（sù）移動速度、加工精度以及人機交互界麵的友好程度。完成的產（chǎn）品主要技術指標如下：分段床（chuáng）身總長度 28m；大型（xíng）鋁材構件加工長（zhǎng）度≥ 26m；最大加工（gōng）寬度為 1100mm；電（diàn）主軸最（zuì）高轉速為 18000r/m；最大輸（shū）出扭矩為 20.9/6000N·m；最大切削速度為 5m/min；最大快移速度為 55/30/20m/min。

來（lái）源：

周（zhōu）倩劉新海亓愛林閆法義鄭明剛許伯彥

濟南天辰鋁（lǚ）機股份有限公司山東建築大學機電工程學院

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