动柱式型材加工中心研究与开发

引言

动柱式型材加工中心是一种工作台固定，XYZ 三个直线伺服驱动轴叠轴移动、移动速度较快的长条状加工中心，国内动柱式型材加工中心大多仿制台湾或欧美的机型，采用焊接床身或仿焊接床身的铸件，这种设计适用于用于铝合金门窗、建筑玻璃幕墙等等对精度和刚度要求不高的轻切削场合。随着注塑机械手的手臂、滑台模组的底座、激光机的横梁等等有精度或刚度要求的长条工件加工需求增加，越来越多的用户希望用动柱式型材加工中心加工方案替代高成本的龙门加工中心加工[1-2]。对于有直线导轨安装基准需要加工、大平面需要铣削的大块铝件或是钢件，怎样的动柱式型材加工中心才能满足到加工要求，是困扰用户的问题。要真正实现动柱式型材加工中心替代龙门加工中心、并满足刚度、精度和精度寿命等方面的要求，在国内钢材供货条件下，不能简单模仿国外焊接机型，需要利用国内铸件供应优势，自主研发设计。

本文自主设计的一款动柱式型材加工中心，适用于厚铝件或是钢件铣面、钻孔和攻牙，可满足直线导轨安装面、大基准平面的精密加工要求。本文设计定位为中切高效的精密型材加工中心，为此设计时避开了市面上供应的国产钢材普遍杂质含量高、焊接及热处理后床身残余应力释放时变形大的问题，利用国内技术日渐成熟的铸造技术，采用优质铸铁床身底座、鞍座、立柱和主轴座，利用铸件容易复杂成型的特点，利用有限元分析方法优化设计了床身、鞍座等主要支撑件的结构，并通过直线导轨、滚珠丝杠、齿轮齿条、主轴和主轴电机等等的选型和安装工艺改善，提高了机床刚性、精度和精度寿命。

1“中切”的概念提出

为方便客户购买机床时选型，本文将铣削类机床划分为轻切削机床、中切削（简称“中切”）机床和重切削铣床三大类。三类机床特征对比如表1 （备注：主轴输出最大扭矩依据伺服日本FANUC 主轴电机15 分钟连续切削允许的最大扭矩计算）。

2 动柱式型材加工中心的主要支撑结构

动柱式型材加工中心主要支撑机构包括床身底座、床身底座上通过X 轴导轨支撑的鞍座、鞍座上通过Y 轴导轨支撑的立柱、立柱上通过Z 轴导轨支撑的主轴座等部分组成。如图1 所示。

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图1 动柱式型材加工中心结构

2 床身底座的设计改进

传统动柱式型材加工中心采用焊接床身底座，如图2所示，焊接床身X 轴导轨安装面由板型悬升梁支撑，由于国产钢材杂质含量较多且不均匀，床身底座残余应力释放时，易引起不确定的变形，从而导致安装在其上面的滚动直线导轨副一组多个滑块安装应力增加，降低寿命。

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图2 传统动柱型材机的焊接床身底座

大部分铸件床身简单参考焊接结构床身的结构制造，也存在上述问题。

本文自主设计的一款铸件床身底座，除了通过二次加工时效降低残余应力，还将床身底座横截面设计成了桥拱型的对称结构，床身面设计为均匀对称倾斜的封闭面（已经获得专利授权、专利号ZL2015 2 0956186.8），如图3。

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图3 自主研发设计的全铸件床身底座

这样，床身应力释放时，床身长度方向弯曲、扭曲变形很小，直线导轨贴近床身底座面安装，大幅度降低了床身底座残余应力释放对直线导轨安装精度的影响。

2 鞍座有限元分析和优化

采用ANSYS 软件，对鞍座等进行有限元分析[3-7]，材料特性为HT300 铸铁，鞍座受力为底面，X 轴滚动直线导轨副的滑块作为简支梁支撑，立柱、主轴座及刀库的重量在 Y 轴方向变动时，鞍座的变形对机床精度影响较大。

因此，固定X 轴滑块安装面，在Y 轴滑块处施力合计为1 350 kg，当Y 轴滑块分别在鞍座前端、中间和后端移动时，在ANSYS 软件中求解计算鞍座的变形量，以及Y 轴滑块在不同位置的变形差值。图4 为传统薄型鞍座有限元分析图，鞍座按较厚的200 mm分析。

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图4 立柱在薄型鞍座尾部时，鞍座局部最大位移26 μm

通过分析，确定尾部是危险处，经过计算，薄型鞍座受力变形超过26 μm 。

本文对鞍座进行了改进设计。

（1）尾部变大变形原因分析。一是自身刚性大小影响

变形的大小。二是立柱运行到悬臂的尾部时容易形成翻转力矩。

（1）改善方案一，加强尾部支撑刚性。将图4 所分析的传统薄型鞍座尾部加厚。图5 为本文2016 款尾部加厚鞍座有限元分析图。

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图5 立柱在鞍座尾部，鞍座局部最大位移10.9 μm

采用尾部加厚鞍座后，受力时最大变形量已经降低了60%。在立柱沿着鞍座前后移动时的不同位置受力变形量的差值也减小了58%。

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图6 改善方案二示意图

改善方案二，支承后移，降低尾部翻转力矩的影响。改变支承位置，如图 6 所示。在结构不变的情况下，减少变形的效果显著。

结合2018 款鞍座方案一和方案二改进结果，尾部的变形降低到只有0.008 mm，在立柱沿着鞍座前后移动时的不同位置受力变形量差值进一步减小到0.003 mm，降幅达到75%。有限元分析如图7。

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图7 2018 款鞍座有限元分析

4 主轴与主轴电机的设计选型

（1）主轴与主轴电机连接方式确定。由于本文设计为中切削机床，主轴转速都在12 000 r/min 以下，因此主轴与主轴电机设计采用皮带式连接方式。皮带式连接的优点：①相比直连式，主轴可以借助皮带减速可以实现主轴电机1.5 倍的扭矩；②连接可靠；③主轴电机自重施加到支撑点的悬臂弯矩更小、Z 轴移动响应更优。

（2）主轴输出扭矩的确定。

根据 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 是切削宽度，vf 是每分钟进给速度，kc 是切削力系数， η 是效率系数， MC 是切削扭矩， n 是刀具转速。以配置FANUC 数控系统的型材加工中心为例，可参考表2 确定中切机床的主轴电机功率和主轴直径、输出扭矩/转速（按最大输出扭矩）。

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5 直线导轨副的选型[8-9]

传统中切型材加工中心选择的是35 规格的滚珠式直线导轨副，本文选择35 规格的滚柱式直线导轨副。

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以采用德国力士乐35 标准滑块直线导轨副为例，依据直线导轨副的额定寿命L （m） =(C/F)10/3×105 （其中，C= 导轨副额定动载荷，F=导轨副所受当量载荷，寿命和刚度对比如下：

（1）滚珠式直线导轨副C （滚珠） =41900N，滚柱式直线导轨副 C （滚柱） =56300N，因此， L( 滚柱)/L （滚珠） = （56300/41900） 10/3≈2.5(倍) （备注，各品牌直线导轨设计不同，额定动载荷有差别）

（2）假设F=10 000 N 的受力，根据德国力士乐产品说明书，35 标准滑块直线导轨副在0.08C 预紧力下的刚度曲线图，35 标准滚珠直线导轨副的挠度≈0.018～0.20 mm，

35 标准滚柱滚柱滑块的挠度≈0.004～0.006 mm，滚柱式刚性是滚珠式的3 倍以上。

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图8 XVB600-8500CNC动柱式型材加工中心

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6 各轴驱动方式的设计

型材加工中心的Y、Z 轴一般采用滚珠丝杠驱动，传统的型材加工中心X 轴一般采用齿轮齿条驱动方式。本文设计的驱动方式在传统驱动方式基础上，通过提高驱动元件的精度，来提升机床的精度寿命。表3 列举了改进前后的性能或参数对比。

7 其他保障机床精度寿命的措施

本文全部采用全自动的稀油润滑，保障机床导轨丝杠的润滑状态良好、导轨安装面采用刮研配合工艺，提高直线导轨副的接触刚度、降低直线导轨副组合的装配应力。图 8 为银特银数控机床有限公司产品， 2018 款

XVB600-8500CNC，主要技术参数见表4。

8 结论

本文对加工中心改进后，床身、鞍座、支撑导轨的刚度都得到了提高、主轴最高扭矩可增加50%，驱动精度得到提升、直线导轨理论寿命得到提升，这些措施都有助于提高机床的精度寿命。

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