沈陽機床（集團）有限責任公司 徐吉存

通過對高速橋式龍門五軸加工中心總體結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化、直線電機直驅(qū)發(fā)熱冷卻控制、制動及防護的實現(xiàn)、雙擺頭自動交換技術(shù)、同步雙驅(qū)調(diào)整及優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的研究和實現(xiàn)，最終通過實驗論證來消除直線電機驅(qū)動應(yīng)用方面的嘯聲及同步驅(qū)動抖動情況，從而使機床的總體性能得到較大提高，使得該產(chǎn)品具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

高速橋式龍門五軸加工中心是航空航天、汽車及軍工領(lǐng)域的重大型模具和大型殼體覆蓋件加工的關(guān)鍵設(shè)備之一。為了實現(xiàn)高速、高動態(tài)響應(yīng)特性，本加工中心在X、Y軸方向采用直線電機和在Z軸方向采用伺服電機直聯(lián)的方式驅(qū)動。在機床開發(fā)研制過程中著重解決了機床整體布局、直線電機直驅(qū)應(yīng)用實踐、整機動靜剛度設(shè)計優(yōu)化、同步驅(qū)動調(diào)整與優(yōu)化、雙擺頭自動交換等關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)，從而保證機床在整體性能方面有很大的提升，該產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用前景。

一、機床總體布局及主要性能參數(shù)

高速橋式龍門五軸加工中心采用高架橋式龍門框架結(jié)構(gòu)，機床總體布局如圖1所示，主要由橋梁1、工作臺2、橫梁3、滑枕4、滑板5和雙擺頭6等主要部件構(gòu)成。橋梁及工作臺固定，橫梁在橋梁上前后做X向運動，滑板在橫梁上左右做Y向運動，滑枕在滑板上上下做Z向運動，A、C頭在滑枕下端作A軸擺動和C軸轉(zhuǎn)動。為了實現(xiàn)高效率并節(jié)省大量的加工輔助時間，機床設(shè)置了兩部A/C軸雙擺銑頭，分別進行粗、精加工，兩部A/C軸雙擺銑頭可實現(xiàn)自動A軸交換，A軸擺角為±110°，C軸轉(zhuǎn)角為±360°，可實現(xiàn)復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動加工。高架橋式龍門框架結(jié)構(gòu)相對龍門固定工作臺移動或龍門框架移動的機床具有更好的動態(tài)性能，為了提高其動態(tài)性能，需要盡可能減輕移動部件的質(zhì)量，這樣將橫梁下傳統(tǒng)的滑板結(jié)構(gòu)減為材料為16Mn的一整塊鋼板，既保證剛性、降低了重心又減輕了重量；Z軸驅(qū)動采用大導(dǎo)程雙絲杠重心驅(qū)動，并配有雙平衡杠，這樣具有更高的動態(tài)性能、加工精度及加工穩(wěn)定性；增加橋梁的高度并采用鑄造結(jié)構(gòu)，提高了機床的剛性和抗震性；另外為保證直線電機、力矩電機運行安全可靠采用多重制動方式，在原有電氣制動的基礎(chǔ)上增加液壓制動和安全緩沖器制動，X軸采用鎧甲式防護、防護間全防護、操作門安全鎖、觀察窗高強度防彈玻璃、防碰撞程序設(shè)置等多項安全措施保證整機運行安全可靠。通過對機床整體結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化使其性能得到大幅度的提高，使其很好地適應(yīng)對航空航天、汽車及軍工領(lǐng)域的重大型模具或大型殼體覆蓋件的加工。

機床主要性能參數(shù)指標為，XY 各向行程及最大移動速度分別為550030001400mm和505030m/min；工作臺尺寸及承重分別為5000×2500mm、8000kg/m2；粗加工主軸功率、最大扭矩及轉(zhuǎn)速分別為32kW、7000r/min和400N·m，精加工主軸功率、最大扭矩及轉(zhuǎn)速分別為34kW、24000r/min和72N·m。

圖1 機床總體布局

二、主要關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1．直線電機驅(qū)動應(yīng)用

直線電機的發(fā)熱控制。直線電機在運行時發(fā)熱量非常大，嚴重影響電機的性能，一旦傳導(dǎo)到機床大件上會對機床的精度造成很大影響，為此對于發(fā)熱量大的初級采用主冷卻加精密冷卻的方案，主冷卻帶走大部分熱量，精密冷卻精確控制溫度，另外次級也配有冷卻，防止熱量傳遞到機床大件上，通過檢驗實際應(yīng)用效果很好，沒有出現(xiàn)電機溫升報警或熱量傳遞到機床大件的現(xiàn)象。直線電機冷卻設(shè)置如圖2所示。

圖2 直線電機冷卻圖

直線電機的制動?？紤]到直線電機驅(qū)動軸速度高、加速度大的特點，其制動采用了直流母線制動、短路制動、鉗制器制動和液壓緩沖器制動四種方式制動，通過這樣的冗余設(shè)計提高機床的安全可靠性。

直線電機的防護。由于直線電機次級為永磁體，需防止大顆粒切屑、雜質(zhì)或液體進入初級和次級之間，保證直線電機的正常運行，為此采用了鎧甲皮腔式防護，在防護與機床主體之間采用迷宮結(jié)構(gòu)防止切屑或液體進入。另外在防護內(nèi)增加了六組吹氣口，工作時向外吹氣，使防護內(nèi)產(chǎn)生正壓，防止漂浮的切屑、液體或灰塵進入，確保直線電機初級和次級之間的間隙滿足設(shè)計要求。通過檢測應(yīng)用效果良好。

2．雙擺頭自動交換技術(shù)應(yīng)用

雙擺頭采用公司自主研發(fā)的A/C軸雙擺銑頭，主要由C軸部分1、A軸部分2、快換接頭部分3和主軸4等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 A/C軸雙擺銑頭

雙擺頭機電液耦合實現(xiàn)如圖4所示。雙擺頭旋轉(zhuǎn)扭矩主要靠端齒盤1、液壓拉緊機構(gòu)2來實現(xiàn)。交換時的定位通過兩個導(dǎo)向銷3來實現(xiàn)，其中長、短銷分別用于粗、精定位。液壓氣動冷卻油路和電氣線路的導(dǎo)通和斷開分別通過液壓和電氣快換接頭4、5來實現(xiàn)。均由成對公母快換接頭兩部分組成。其中公母接頭分別安裝在C軸底座和A軸箱體上。

拉緊機構(gòu)通過液壓驅(qū)動實現(xiàn)夾緊松開，在拉緊狀態(tài)下具有自鎖功能。其結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中拉釘1安裝在A軸箱體上，外套2、彈性拉爪3、滑芯4、楔塊5、活塞6等其余部件安裝在C軸底座上?？ňo時，拉緊機構(gòu)通過滑芯上嵌入的四個楔塊與外套內(nèi)錐面、活塞桿外錐面相互作用來實現(xiàn)其自鎖功能。

圖4 耦合示意圖

圖5 拉緊自鎖示意圖

3.同步雙驅(qū)調(diào)整及優(yōu)化技術(shù)

直線電機配置完成后需要進行優(yōu)化調(diào)整，否則驅(qū)動軸在高速運行時會出現(xiàn)劇烈的抖動。通過調(diào)整伺服系統(tǒng)速度環(huán)增益可將抖動消除。伺服優(yōu)化曲線如圖6所示，從下面兩組曲線可以看出，當速度環(huán)增益MD1407=30000時抖動比較厲害（左曲線所示），當速度環(huán)增益調(diào)整為12000時抖動消除。

初步調(diào)試時，當直線電機驅(qū)動X、Y軸運動時，電機時常會發(fā)出嘯叫聲，這需要在伺服系統(tǒng)控制器添加相應(yīng)的帶阻濾波器來消除。添加帶阻濾波器的頻率響應(yīng)特性如圖7所示，其中左圖為未加濾波器的頻率響應(yīng)（400HZ處有尖峰）右圖為添加濾波器的頻率響應(yīng)（嘯叫消失）。

圖7 直線電機頻率響應(yīng)特性

對于電機間的同步調(diào)整，在激活數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)功能的前提條件下，主要通過觀察各個同步軸的驅(qū)動負載是否一致，需要經(jīng)過反復(fù)調(diào)整使各個同步軸之間的負載一致并且最小。最后，還須通過激光干涉儀進行檢驗，直到左右同步軸的同步精度完全達到設(shè)計指標要求為止。

四、結(jié)語

基于航空航天、汽車及軍工領(lǐng)域的重大型模具和大型殼體覆蓋件加工的要求開發(fā)研制了該高速橋式龍門五軸加工中心。成功解決了直線電機驅(qū)動過程中的嘯聲及同步驅(qū)動的抖動問題，實現(xiàn)了高速、高動態(tài)響應(yīng)特性，使得機床的總體性能得到較大提高，該產(chǎn)品具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。 □