高速橋式龍門五軸加工中心的研制

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構布局優化、直線電機直驅發熱冷卻控制、制動及防護的實現、雙擺頭自動交換技術、同步雙驅調整及優化等關鍵技術的研究和實現，最終通過實驗論證來消除直線電機驅動應用方面的嘯聲及同步驅動抖動情況，從而使機床的總體性能得到較大提高，使得該產品具有廣泛的推廣應用前景。

高速橋式龍門五軸加工中心是航空航天、汽車及軍工領域的重大型模具和大型殼體覆蓋件加工的關鍵設備之一。為了實現高速、高動態響應特性，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的方式驅動。在機床開發研制過程中著重解決了機床整體布局、直線電機直驅應用實踐、整機動靜剛度設計優化、同步驅動調整與優化、雙擺頭自動交換等關鍵技術的實現，從而保證機床在整體性能方面有很大的提升，該產品具有廣泛的應用前景。

一、機床總體布局及主要性能參數

高速橋式龍門五軸加工中心采用高架橋式龍門框架結構，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軸轉動。為了實現高效率并節省大量的加工輔助時間，機床設置了兩部A/C軸雙擺銑頭，分別進行粗、精加工，兩部A/C軸雙擺銑頭可實現自動A軸交換，A軸擺角為±110°，C軸轉角為±360°，可實現復雜曲面的五軸聯動加工。高架橋式龍門框架結構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性能，為了提高其動態性能，需要盡可能減輕移動部件的質量，這樣將橫梁下傳統的滑板結構減為材料為16Mn的一整塊鋼板，既保證剛性、降低了重心又減輕了重量；Z軸驅動采用大導程雙絲杠重心驅動，并配有雙平衡杠，這樣具有更高的動態性能、加工精度及加工穩定性；增加橋梁的高度并采用鑄造結構，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。通過對機床整體結構的改進和優化使其性能得到大幅度的提高，使其很好地適應對航空航天、汽車及軍工領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、最大扭矩及轉速分別為32kW、7000r/min和400N·m，精加工主軸功率、最大扭矩及轉速分別為34kW、24000r/min和72N·m。

圖1 機床總體布局

二、主要關鍵技術應用

1．直線電機驅動應用

直線電機的發熱控制。直線電機在運行時發熱量非常大，嚴重影響電機的性能，一旦傳導到機床大件上會對機床的精度造成很大影響，為此對于發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，通過檢驗實際應用效果很好，沒有出現電機溫升報警或熱量傳遞到機床大件的現象。直線電機冷卻設置如圖2所示。

圖2 直線電機冷卻圖

直線電機的制動。考慮到直線電機驅動軸速度高、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構防止切屑或液體進入。另外在防護內增加了六組吹氣口，工作時向外吹氣，使防護內產生正壓，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計要求。通過檢測應用效果良好。

2．雙擺頭自動交換技術應用

雙擺頭采用公司自主研發的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等構成，結構如圖3所示。

圖3 A/C軸雙擺銑頭

雙擺頭機電液耦合實現如圖4所示。雙擺頭旋轉扭矩主要靠端齒盤1、液壓拉緊機構2來實現。交換時的定位通過兩個導向銷3來實現，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通和斷開分別通過液壓和電氣快換接頭4、5來實現。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。

拉緊機構通過液壓驅動實現夾緊松開，在拉緊狀態下具有自鎖功能。其結構如圖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。卡緊時，拉緊機構通過滑芯上嵌入的四個楔塊與外套內錐面、活塞桿外錐面相互作用來實現其自鎖功能。

圖4 耦合示意圖

圖5 拉緊自鎖示意圖

3.同步雙驅調整及優化技術

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

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

圖7 直線電機頻率響應特性

對于電機間的同步調整，在激活數控系統相應功能的前提條件下，主要通過觀察各個同步軸的驅動負載是否一致，需要經過反復調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計指標要求為止。

四、結語

基于航空航天、汽車及軍工領域的重大型模具和大型殼體覆蓋件加工的要求開發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動過程中的嘯聲及同步驅動的抖動問題，實現了高速、高動態響應特性，使得機床的總體性能得到較大提高，該產品具有廣泛的推廣應用前景。 □