寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司高利強(qiáng)

BM63150C精密數(shù)控車床及BM63150X車削中心的研發(fā)和應(yīng)用

寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司高利強(qiáng)

一、概述

隨著汽車、航空航天工業(yè)的發(fā)展，新型材料的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)高速、精密加工的需求越來(lái)越廣泛，具有高速、精密加工的特性正逐漸成為當(dāng)代數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要方向之一。數(shù)控車床和車削中心作為數(shù)控機(jī)床的主要組成部分也不例外，其精密高效等特性正成為其發(fā)展方向。同時(shí)，隨著普通數(shù)控車床應(yīng)用普及和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，探索研發(fā)精密數(shù)控車床和車削中心成為滿足市場(chǎng)更高要求及企業(yè)發(fā)展的必然選擇。

BM63150C 精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心是在國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”2010年度課題“BM63150C 精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心”（課題編號(hào)2010ZX04001-051）的支撐下研發(fā)的產(chǎn)品，其中BM63150X精密車削中心榮獲“CCMT2012中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)‘春燕獎(jiǎng)’”，BM63150X精密車削中心榮獲“2015年陜西省裝備制造業(yè)首臺(tái)（套）重大裝備產(chǎn)品項(xiàng)目投資計(jì)劃”國(guó)內(nèi)首臺(tái)（套）重大裝備產(chǎn)品獎(jiǎng)勵(lì)。

BM63150C 精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心床身上最大回轉(zhuǎn)直徑￠800mm，最大車削直徑￠630mm，最大車削長(zhǎng)度1500mm；車削主軸最高轉(zhuǎn)速5000 r/min，主軸徑向跳動(dòng)≤0.0005 mm，軸向跳動(dòng)≤0.001 mm；X/Z軸快速進(jìn)給速度≥36 m/min；X/Z軸重復(fù)定位精度≤0.002/0.003 mm。此種大規(guī)格的數(shù)控車床及車削中心需要達(dá)到的主軸最高轉(zhuǎn)速及其精度，整機(jī)快速進(jìn)給速度及其重復(fù)定位精度等性能指標(biāo)是該機(jī)床研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

針對(duì)以上指標(biāo)要求及性能特點(diǎn)，研發(fā)小組對(duì)機(jī)床主體、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了多次全面的分析研究和論證。通過(guò)自主創(chuàng)新和聯(lián)合研發(fā)，對(duì)人造花崗巖整體式床身設(shè)計(jì)制造技術(shù)，精密動(dòng)靜壓主軸與電主軸的配套設(shè)計(jì)制造技術(shù)，宏/微量進(jìn)給技術(shù)，進(jìn)給系統(tǒng)伺服參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，整機(jī)減振隔振技術(shù)、熱變形分析及控制技術(shù)、綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)等重大關(guān)鍵技術(shù)的研究及探索，成功開發(fā)了BM63150C 精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心，機(jī)床的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。公司掌握了精密數(shù)控車床和車削中心的核心技術(shù)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高附加值產(chǎn)品及多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。

二、產(chǎn)品性能介紹

BM63150C精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心（見(jiàn)圖1）是具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的全功能精密數(shù)控車床和精密車削中心，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速高、功率大、噪音低，整機(jī)熱變形小、進(jìn)給速度快、精度高、穩(wěn)定性好。該機(jī)床主要用于汽車、航空等領(lǐng)域精密零件的高效率、高精度加工。

BM63150X 精密車削中心

該產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：

（1）人造花崗巖整體式斜床身，綜合剛性及熱穩(wěn)定性好。

（2）大規(guī)格精密直驅(qū)式動(dòng)靜壓主軸，配套超高速中空液壓卡盤及回轉(zhuǎn)油缸，主軸轉(zhuǎn)速高、功率大、精度高、噪音低。

（3）采用雙向宏/微結(jié)合的進(jìn)給系統(tǒng)，光柵尺閉環(huán)控制，機(jī)床進(jìn)給軸的宏/微進(jìn)給聯(lián)動(dòng)提高了機(jī)床X/Z軸的重復(fù)定位精度。

（4）高剛性精密直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，確保機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能良好。

（5）采用SINUMERIK 840D sl系統(tǒng)或華中HNC-818B系統(tǒng)，系統(tǒng)功能多，分辨率高，可操作性強(qiáng)。

（6）數(shù)控車床用高性能電機(jī)直連驅(qū)動(dòng)伺服刀架，車削中心用徑向裝刀式高性能電機(jī)直連驅(qū)動(dòng)伺服動(dòng)力刀架。

（7）中心冷卻精密滾珠絲杠和滾珠絲杠專用軸承，機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)熱變形小，進(jìn)給速度快、精度高、穩(wěn)定性好。

產(chǎn)品主要規(guī)格參數(shù)

至目前，國(guó)內(nèi)外暫無(wú)同類規(guī)格的產(chǎn)品達(dá)到BM63150C精密數(shù)控車床及BM63150X 車削中心主軸轉(zhuǎn)速及其精度、機(jī)床進(jìn)給軸重復(fù)定位精度等性能指標(biāo)。

根據(jù)課題任務(wù)合同書、測(cè)評(píng)協(xié)議書、相關(guān)金屬切削機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)方案，國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)該機(jī)床進(jìn)行了全面的測(cè)評(píng)（主要包括機(jī)床安全，機(jī)械電氣安全、機(jī)械電氣設(shè)備，在無(wú)負(fù)荷或精加工條件下機(jī)床的幾何精度，機(jī)床工作精度，機(jī)床的可靠性檢測(cè)與評(píng)估等各方面）。所檢測(cè)機(jī)床的各項(xiàng)功能及性能指標(biāo)均達(dá)到課題任務(wù)合同書、測(cè)評(píng)協(xié)議書及相關(guān)金屬切削機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)的要求。下圖為機(jī)床可靠性檢測(cè)照片。

BM63150X 車削中心Z軸可靠性測(cè)試

BM63150C 數(shù)控車床主軸可靠性測(cè)試

三、產(chǎn)品主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及其應(yīng)用情況

1. 精密動(dòng)靜壓主軸與電主軸的配套設(shè)計(jì)制造技術(shù)

（1）概述

數(shù)控車床及車削中心主軸的主要驅(qū)動(dòng)形式為皮帶傳動(dòng)，這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但對(duì)于本課題要求的大規(guī)格、高轉(zhuǎn)速、高精度主軸很難實(shí)現(xiàn)。先進(jìn)的主軸驅(qū)動(dòng)方式為電主軸，將主軸和電機(jī)連為一體，它可以無(wú)級(jí)變速、驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊。電主軸又分為內(nèi)置式和外置式兩種，內(nèi)置式是將轉(zhuǎn)子置于兩軸承之間，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冷卻或密封不易設(shè)計(jì)及制造，散熱條件差，容易造成電主軸的溫升過(guò)高，亦不利于提高回轉(zhuǎn)速度，優(yōu)點(diǎn)是主軸系統(tǒng)受力情況好。外置式是將電機(jī)轉(zhuǎn)子置于兩徑向軸承的外端，也稱懸臂式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是軸向尺寸大，容易造成負(fù)荷偏載，導(dǎo)致主軸受力情況差、產(chǎn)生振動(dòng)的概率增加，不利于提高回轉(zhuǎn)速度和精度，并且應(yīng)用于數(shù)控車床其液壓卡盤旋轉(zhuǎn)油缸的安裝結(jié)構(gòu)不太合理。動(dòng)靜壓軸承是靜壓軸承的一種新發(fā)展，在靜壓軸承的油腔中設(shè)置動(dòng)壓油楔，使之在主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生附加的動(dòng)壓力，具有高精度、高承載力和抗振性。目前，在國(guó)內(nèi)外數(shù)控車床及車削中心中，高速精密主軸單元中主要應(yīng)用的是滾動(dòng)軸承，但滾動(dòng)軸承與動(dòng)靜壓軸承相比承載能力小，精度低，使用壽命短。

本項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)將液體動(dòng)靜壓軸承技術(shù)與電主軸技術(shù)兩者有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新設(shè)計(jì)制作了大功率、高速精密直驅(qū)數(shù)控車床主軸單元，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床大規(guī)格、高轉(zhuǎn)速、高精度主軸的指標(biāo)要求。通過(guò)該關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)，審請(qǐng)了4項(xiàng)國(guó)家專利，分別為“大規(guī)格精密直驅(qū)主軸結(jié)構(gòu)”（授權(quán)專利號(hào)為ZL201120356009.8，實(shí)用新型）、“數(shù)控車床大規(guī)格精密直驅(qū)主軸結(jié)構(gòu)”（授權(quán)專利號(hào)為ZL201320445643.8，實(shí)用新型）、“數(shù)控車床大規(guī)格精密直驅(qū)主軸結(jié)構(gòu)”（授權(quán)專利號(hào)為ZL201310314909. X，發(fā)明）、“一種用于高效高速精密機(jī)床的多功能內(nèi)置式動(dòng)靜壓電主軸”（授權(quán)專利號(hào)為201320297129.4，實(shí)用新型）。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

①將液體動(dòng)靜壓軸承技術(shù)與電主軸技術(shù)兩者有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車床較大規(guī)格高速精密主軸結(jié)構(gòu)，確保主軸的回轉(zhuǎn)精度、剛度和轉(zhuǎn)速。

②開發(fā)了內(nèi)置式動(dòng)靜壓電主軸，精度高、剛度大、噪音低、壽命長(zhǎng)、吸振性能好，工作穩(wěn)定性和可靠性高，無(wú)論從轉(zhuǎn)速、精度、功率等各方面均是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，至目前也未見(jiàn)國(guó)外同類型規(guī)格的數(shù)控車床及車削中心上有類似的應(yīng)用。

③實(shí)現(xiàn)了大規(guī)格高速精密直驅(qū)主軸單元的設(shè)計(jì)及制造，其液體靜壓軸承直徑φ160 mm、內(nèi)裝電機(jī)功率67.4 kW，最高轉(zhuǎn)速5000 r/min，主軸徑向跳動(dòng)0.0005 mm、軸向跳動(dòng)0.001 mm。

（3）技術(shù)特點(diǎn)

①將液體動(dòng)靜壓軸承技術(shù)與電主軸技術(shù)兩者有機(jī)結(jié)合，將止推軸承結(jié)構(gòu)設(shè)置于主軸前部，解決了動(dòng)靜壓軸承電機(jī)內(nèi)裝式主軸技術(shù)上的不足。

②開發(fā)了內(nèi)置式動(dòng)靜壓電主軸，電主軸裝于前、后靜壓軸承之間，結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車床較大規(guī)格高速精密主軸結(jié)構(gòu)。

③高速精密直驅(qū)主軸單元結(jié)構(gòu)中，放射型多點(diǎn)出氣式氣密封結(jié)構(gòu)在圓周上有均勻的氣壓力，有效防止外界雜質(zhì)進(jìn)入軸承油腔，對(duì)潤(rùn)滑油流入外界或電機(jī)中起到良好的密封作用。

精密直驅(qū)式主軸單元溫升試驗(yàn)

機(jī)床主軸最高速度運(yùn)轉(zhuǎn)

2.宏/微量進(jìn)給技術(shù)

（1）概述

宏微驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括宏、微操作系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，微動(dòng)定位部件附著在宏動(dòng)定位部件的末端，宏動(dòng)部件以地面為參照物，實(shí)現(xiàn)大行程；微動(dòng)定位部件以宏動(dòng)定位部件為參照物實(shí)現(xiàn)高精度定位，與采用單一驅(qū)動(dòng)相比，宏微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有低慣量、高精度、冗余自由度等特點(diǎn)。

目前，一般微進(jìn)給機(jī)構(gòu)不能承受全載荷、大載荷，不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給和大尺度精密進(jìn)給。本技術(shù)采用宏/微進(jìn)給的雙重驅(qū)動(dòng)的控制技術(shù)和微進(jìn)給復(fù)合導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給和宏量進(jìn)給快速移動(dòng)，能承受全載荷、大載荷進(jìn)給，解決了精度與工作效率相互矛盾的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。由于宏/微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)具備了大行程、定位時(shí)間短、定位精度高以及驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)，在諸如精密定位系統(tǒng)、電路檢測(cè)、超精密加工設(shè)備等領(lǐng)域，有十分廣闊的應(yīng)用前景。

通過(guò)機(jī)床宏/微進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的重復(fù)定位精度達(dá)到了指標(biāo)要求，并審請(qǐng)了2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，分別為“雙軸直線移動(dòng)微驅(qū)動(dòng)裝置”（授權(quán)專利號(hào)為ZL201010559119.4）、“滾珠絲杠副壓電致動(dòng)器串聯(lián)宏微驅(qū)動(dòng)及導(dǎo)軌裝置”（授權(quán)專利號(hào)為ZL201110047305.4）。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

①采用雙向宏/微結(jié)合的進(jìn)給系統(tǒng)，機(jī)床進(jìn)給軸的宏/微聯(lián)動(dòng)提高了機(jī)床X/Z軸的重復(fù)定位精度。

②雙向宏/微結(jié)合的進(jìn)給系統(tǒng)，使機(jī)床能承受全行程、大載荷進(jìn)給，解決了精度與工作效率相互矛盾的問(wèn)題。

（3）技術(shù)特點(diǎn)

①微進(jìn)給結(jié)構(gòu)由柔性鉸鏈和德國(guó)PI公司的壓電陶瓷組成，壓電陶瓷為驅(qū)動(dòng)器，柔性鉸鏈作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，動(dòng)力經(jīng)柔性鉸鏈驅(qū)動(dòng)機(jī)床滑板產(chǎn)生微位移。柔性鉸鏈采用雙平行四邊形結(jié)構(gòu)，不僅保證了微動(dòng)臺(tái)在壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)下保持平動(dòng)特性，而且從原理上克服了柔性鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生交叉耦合位移的缺陷，具有良好的導(dǎo)向性，提高了運(yùn)動(dòng)的方向精度。

②微動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)是利用光柵尺反饋微動(dòng)臺(tái)和目標(biāo)點(diǎn)的位置關(guān)系，進(jìn)行閉環(huán)控制，宏/微雙重驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使得機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)在大行程工作范圍內(nèi)具有很高的定位精度。

直線導(dǎo)軌宏/微進(jìn)給BM63000X試驗(yàn)臺(tái)

機(jī)床宏/微進(jìn)給機(jī)構(gòu)

3.人造花崗巖整體式床身設(shè)計(jì)制造技術(shù)

（1）概述

目前在機(jī)床上應(yīng)用的床身絕大多數(shù)為鑄鐵材料。鑄鐵材料床身雖具有足夠的靜剛度，但其最大的缺點(diǎn)是其熱變形特性和精度保持性較差，從而使整機(jī)的熱變形較大和精度保持性差，影響機(jī)床的加工精度。人造花崗巖材料床身具有良好的吸振性、很好的阻尼特性和熱穩(wěn)定性，能很大提高機(jī)床的精度穩(wěn)定性、改善加工動(dòng)態(tài)特性和提高加工精度，并能節(jié)約金屬材料、能源和減少鑄造污染。該材料床身目前在國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用在高精度磨床或檢測(cè)儀器上，在數(shù)控機(jī)床上特別是在數(shù)控車床上應(yīng)用很少。

為了保證機(jī)床的精度穩(wěn)定性，采用人造花崗巖整體式床身做為精密數(shù)控車床和車削中心的基礎(chǔ)構(gòu)件，根據(jù)此項(xiàng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)，申請(qǐng)了國(guó)家專利，“新型數(shù)控車床人造花崗巖床身”（授權(quán)專利號(hào)為ZL201220611020.9）。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

①人造花崗巖斜床身結(jié)構(gòu)，達(dá)到了數(shù)控車床床鞍導(dǎo)軌、尾座鑲裝導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)，機(jī)床整體結(jié)構(gòu)布局合理、緊湊。

②應(yīng)用人造花崗巖床身技術(shù)，其床鞍導(dǎo)軌采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；尾座導(dǎo)軌采用鑲裝滑動(dòng)導(dǎo)軌，支撐剛度大、穩(wěn)定性好、成本低、易維修。

③采用人造花崗巖床身技術(shù)，能很大提高機(jī)床的精度穩(wěn)定性、改善加工動(dòng)態(tài)特性和提高加工精度，并能節(jié)約金屬材料、能源和減少鑄鐵材料床身的鑄造污染。

（3）技術(shù)特點(diǎn)

①人造花崗巖整體式床身采用斜床身結(jié)構(gòu)，其床鞍導(dǎo)軌采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，尾座導(dǎo)軌采用鑲裝滑動(dòng)導(dǎo)軌。

②根據(jù)數(shù)控車床斜床身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的床鞍導(dǎo)軌、尾座鑲裝導(dǎo)軌、主軸箱、Z向進(jìn)給系統(tǒng)及外防護(hù)的安裝結(jié)構(gòu)，各種管件和電纜線穿通床身主體的管路結(jié)構(gòu)，各種不同功能的預(yù)埋螺紋插件和加工裝配吊運(yùn)等結(jié)構(gòu)。

③對(duì)床身的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了有限元分析。根據(jù)其分析數(shù)據(jù)及結(jié)果可以得出，該人造花崗巖材質(zhì)的整體式床身具有足夠的強(qiáng)度，在整機(jī)工作過(guò)程中，床身不會(huì)發(fā)生破壞或變形，達(dá)到了機(jī)床的靜剛度及結(jié)構(gòu)布局等的技術(shù)要求。

④床身精加工采用精密磨削的工藝方案，制定了精密磨削人造花崗巖整體式床身的工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)制作了床身加工的專用夾具及檢測(cè)用量具，完成了床身的精密加工和整機(jī)裝配。

人造花崗巖整體式斜床身毛坯

人造花崗巖整體式床身精密磨削

四、成果應(yīng)用及推廣情況

BM63150C 精密數(shù)控車床及BM63150X 精密車削中心技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越，在國(guó)內(nèi)尚屬領(lǐng)先，在國(guó)際屬同類先進(jìn)水平，與國(guó)外進(jìn)口機(jī)床相比有很高的性價(jià)比。該機(jī)床主要用于汽車、航空等領(lǐng)域精密零件的高效率、高精度加工，在滿足國(guó)內(nèi)高端用戶需求方面有著廣闊的市場(chǎng)前景。

目前，一臺(tái)BM63150X 精密車削中心已銷售給山東博特精工股份有限公司（濟(jì)寧），至目前該機(jī)床使用情況正常，用戶評(píng)價(jià)良好?！?/p>

行業(yè)資訊

普什寧江FMS專項(xiàng)課題通過(guò)驗(yàn)收

日前，由四川普什寧江機(jī)床有限公司牽頭承擔(dān)的“機(jī)床箱體類精密柔性制造系統(tǒng)研發(fā)及示范應(yīng)用”課題通過(guò)了任務(wù)終驗(yàn)收。普什寧江總工程師劉雁對(duì)課題任務(wù)完成情況進(jìn)行了匯報(bào)，華中數(shù)控、四川大學(xué)、重慶大學(xué)等課題參與單位分別做了匯報(bào)，示范應(yīng)用用戶介紹了產(chǎn)品應(yīng)用和試驗(yàn)驗(yàn)證情況。

驗(yàn)收專家組成員對(duì)該課題項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查和專家質(zhì)詢。經(jīng)過(guò)充分討論認(rèn)證，專家組成員認(rèn)為：“機(jī)床箱體類零件精密柔性制造系統(tǒng)研發(fā)及示范應(yīng)用”課題成功研制了兩條精密柔性制造系統(tǒng)（FMS），實(shí)現(xiàn)了8種以上機(jī)床箱體類零件混流加工、四種工藝路線并行生產(chǎn)；自主開發(fā)了FMS關(guān)鍵技術(shù)、初步實(shí)現(xiàn)了MES系統(tǒng)的集成，已有多條柔性制造系統(tǒng)廣泛應(yīng)用到多個(gè)重要行業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)化成果顯著，同意通過(guò)終驗(yàn)收。