雙主軸數控鏜銑床系統設計

摘 要:本文所設計的數控雙主軸數控鏜銑機床為一體化設計，集成了機、電、液，機床采用了臥式60°傾斜床身導軌形式，具有結構緊湊、布局先進合理、排屑性能好、操作方便等優點，而且便于配置工業機器人，為全自動和無人化生產提供了方便。在機床的防護方面，采用全封閉的框架結構，達到了內外同時防護的設計目的，可以有效地對避免冷卻液、油和鐵屑進入機床內部。同時便于對機床的維護。

關鍵詞:雙主軸數控鏜銑床

中圖分類號:TG53文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(b)-0067-01

目前的機床設計，常采用單主軸設計，也有少數采用平行雙主軸設計形式的，但在加工具有復雜結構的部件時，普通的單主軸數控機床在切削功能上就受到很大的限制，無法達到加工的要求，為了完成加工工作，不得不采用價格昂貴的大型加工中心。

基于以上情況，設計開發一種雙主軸數控機床就變得尤為迫切。為了達到提高加工效率、降低機床成本的目的，在本文的設計中采用了同軸雙套主軸結構。

1 機床性能特點

本數控鏜銑機床采用三軸控制的臥式結構，當左側主軸完成加工后，右側主軸會自動夾持已完成加工的部件，這樣機床就可以對零件未加工的部位進行鏜銑加工，從而大大提高了加工的效率。本機床適用于航天航空，化工，汽車等行業零件的加工。本機床可以加工盤類零件和軸類零件，并可以根據要求對這類零件進行各種端面、曲面及螺紋的車削加工。實現了對零件加工的一次夾持多工序加工，使得一套機床具有多種功能，使之成為高效高速的數控鏜銑機床。

本機床的數控系統采用德國S主EMENS 840D數控系統，左主軸和右主軸分別采用13/18kW的交流主軸伺服電機和10.1/13kW的1PH2型內置式交流電主軸，左主軸電機通過皮帶將動力傳遞到主軸上，右主軸由電主軸直接驅動主軸。在右主軸上安裝扮杠螺母，使其可以在縱向上作可編程運動，從而可實現更多可能的加工方案。先進的1FK型交流伺服電機控制X、Z1、Z2車的進給。機床縱橫兩個方向的導軌均采用THK/SHS30C 2級精度的直線滾動導軌。

2 機床的關鍵技術

本機床功能齊全，布局合理緊湊，排屑方便，三防效果好各功能部件布局緊湊合理，外觀造型宜人。機床操縱臺采用旋轉式結構，操作簡單、安全。機床在設計制造中攻克了以下幾個關鍵技術。

2.1 電主軸

在機床的設計工作中，需要用到電主軸時，一般可以通過兩種途徑來獲得電主軸:一種是由數控控制系統廠商提供電主軸的主要零部件，如電主軸的定子、轉子等，其他零部件由機床生產廠家自行設計制造。二是直接購買電主軸成品，這種方法，不僅成本高，而且因規格有限，外形和安裝尺寸難以滿足機床要求。本機床采用第一種方案，電主軸(右主軸箱)自行開發設計，這樣不僅可以使成本大為降低，同時還能滿足機床的整體布局要求。因機床數控系統采用S主EMENS 840D，因此具體結構采用德國1PH2型電主軸，將其與主軸箱、主軸等零件組裝在一起。通過轉子與主軸的過盈配合，使動力直接作用在主軸上。在電主軸設計和制造過程中，需要解決兩個技術難題，一是電主軸的動平衡問題，二是電主軸的發熱問題。

由力學原理可知，當電主軸運轉過程中，其微小的不平衡量，都產生很大的離心力，造成機床的振動，使得加工精度和表面質量受到嚴重的影響。對電動主軸進行嚴格的動平衡變得十分必要。主軸及其部件的加工、裝配和調校工作都得十分精密，這樣才能使主軸組件動平衡精度達到0.3級以上的水平。在設計電主軸時，要采取必要的措施，來保證主軸的動平衡，我們設計了一個平衡環，在平衡環上對稱地加工出15～23mm的螺紋孔，當電主軸組裝完畢后，依據動平衡測試結果，在一定方位上，轉動平衡螺鐘，并調整其深度，知道達到平衡精度，達到平衡精度后，利用氧化樹脂將其固定。在采取必要措施的同時，還必須嚴格遵守結構對稱性原則，機床主軸與電動機轉子之間扭矩的傳遞要通過過盈配合來實現，按照過盈量來計算所傳遞的扭矩，其值有時高達0.07～0.11mm。

在電主軸的內部裝由電動機，這就使得電動機的散熱成為一項亟待解決的難題，因電動機與主軸裝在一起，電動機所散發的熱量會直接影響軸承的工作精度，如果這個問題解決的不好，會降低機床的可靠性。為了解決這一問題，本機床設計了一套外循環水冷冷卻系統。我們將帶螺旋槽的冷卻套套在主電動機定子的外，當機床工作時，在螺旋槽中連續流動冷卻水會將主軸電機所產生的熱量及時、迅速地帶走。通過計算主電動機的發熱量，確定冷卻水的流量。經過分析計算，本機床選用制冷量為3kW的制冷機。主軸在高速運轉過程中也會產生熱量，處理不好同樣會影響加工精度，由于本機床設計的最高轉速為3500r/min，主軸的發熱量并不是很大，因此記過測算，只要采用脂潤滑方式即能滿足使用要求，而不需要采用成本高的油霧潤滑的冷卻措施。

2.2 右主軸同軸度

為了使本機床能夠加工盤、套類零件，本機床采用了左右主軸同軸對置，并且右主軸可在移動過程中完成工件的交換。一般來說，工件的交換都是在主軸的運轉的情況下進行的，由于工件的交換是在主軸運轉的情況下進行，這就要求右主軸的同軸度及轉速具有很高的精度。同軸度允差≤0.005mm。為解決轉速同步問題，設計時分別在左右主軸上安裝了分辨率為2048線的增量式編碼器來反饋主軸的速度，于此同時，我們還設計開發了一套同步主軸功能和同步控制程序。經過驗證，機床轉速在2500rpm以下可完全實現同步。為了提高同軸度，我們分別在右主軸箱體的A、B面上增加鑲條結構，裝配過程以左主軸為基準，分別通過調整右主軸上的鑲條1，鑲條2來調整A、B面，從而達到左右主軸的同軸要求。轉速同步100％。

3 結語

本雙主軸數控鏜銑床經過測試和實際應用，表明其性能可靠，安全穩定，可以滿足用戶的需要，并得到了用戶的好評。通過應用本機床產品，介紹了部件的周轉時間，提高了加工效率。該機床的研發成功不僅填補了國內空白，而且為企業提高了經濟效益，具有很強的市場競爭力。

參考文獻

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