VD7000 倒立式車床的設計與研究

石鑫

（ 海德曼（ 上海）自動化技術有限公司，上海201400）

倒立式車床目前國內外市場應用非常成熟，自從德國EMAG 公司在1992 年首先開發出倒立式車床并推向市場以來，由于其固有的結構優勢，這一類機床變大放異彩，替代了很多臥式車床加工應用場合，國外陸續出現了很多專門生產倒立車車 床 的 廠 家，例 如EMAG、FAMAR、SCHERER、WEISSER 和HESSAPP 等，在汽車行業生產線上應用很普遍，國內近幾年也有一些廠家開發此類機床，例如沈陽機床、吉林金沙數控等，和國外同類機床相比存在精度不高，故障率高，只能用在產品粗加工或者精度要求不高的場合。

1 設計目的

隨著國內自動化需求越來越多，客戶現在對車床需求發生了很大變化，一是需要一種能夠快速傳遞物流，物流節拍很短，壓縮非切削加工時間，二是整個自動化單元成本不高的一種機床，因此倒立式車床目前正越來越受到客戶的歡迎，但是國外的這類機床普遍存在價格高，服務不及時，后期使用成本高，一些國內機床廠家看到這一商機也研發出了這類機床并推向市場，我們公司為了應對這種需求變化開發了倒立式車床VD7000。

2 VD7000 倒立式車床的設計原則

數控機床的發展方向為高速、高精度、高可靠性、復合化、智能化網絡化和柔性化模塊化。按照這一發展方向我們制定了倒立式車床的設計原則：

①高速：A2-11 主軸最高轉速3000rpm，采用電主軸結構。②高精度：主軸錐面徑跳和端面跳動0.003mm。③高可靠性：主軸軸承、滾珠絲杠及支撐軸承設計壽命為20000h。④復合化：機床復合銑削功能，需要銑削時，配置銑削功能的主軸和刀塔。⑤智能化網絡化：機床具備互聯網功能，能夠配合MES 實現機床監控、排產、刀具、程序、質量模塊管理。⑥柔性化模塊化：根據客戶的工件和要求柔性組合物流形式，各個單元模塊化設計。

3 VD7000 倒立式車床的工作原理

如圖1 為VD7000 倒立式車床上下料工作原理，料道有A盤和B 盤兩個料盤，A 盤為上料盤，B 盤為下料盤，工作時，料道上下料處檢測開關判斷A 盤和B 盤有無料，分為四種情況進行操作，啟動時：

①當A 盤和B 盤都有料時系統報警，人為干預。②當A 盤有料，B 盤無料時，料道B 盤運轉至定位開關2 處停，等待主軸下料，下料完，料道B 盤運轉至定位開關3 處停，等待主軸上料，主軸上料完進行加工，A 盤和B 盤運轉至料道裝卸區。③當A 盤無料，B 盤有料時，料道桁架對A 盤上料，對B 盤下料，完成后檢測A 盤有料，B 盤無料時重復執行②描述動作。④當A 盤無料，B 盤無料時，料道桁架對A 盤上料，完成后檢測A 盤有料，B 盤無料時重復執行②描述的動作。

圖1 主軸上下料工作原理圖

4 整體結構設計

圖2 為倒立車的整體結構示意圖。考慮到安全和加工效果，機床整體分為兩個區：加工區和上下料區，加工區和上下料區獨立分開。料道放置機床的左側，方便人工上下料和機械手上下料，排屑器中間放置后出排屑，為了維護保養方便，液壓站、空氣單元和潤滑單元集中放置在機床左后側，考慮到人機舒適性，操作系統布置在機床右側，采用可旋轉支撐臂結構，主軸單元左右上下移動實現上下料動作和加工操作，刀塔單元固定布置在機床右側。整體結構設計時我們參考了各個廠家倒立車床的結構特點，結合我們自己的設計能力、制造工藝進行綜合考慮制定。

5 重要部件設計

5.1 機床結構

圖3 為倒立車光機結構示意圖，為了避免試制階段出現大的改動，縮短機床開發周期，提高機床的開發成功率，我們在設計階段引入了新的設計方法，即實體建模后先進行運動分析，確認行程及空間尺寸，然后有限元分析和動態仿真，不僅分析機床靜態特性還分析機床動態特性，優化機床結構設計。機床結構：床身采用整體式床身，滑鞍左右移動形成X 軸，主軸箱在滑鞍上下移動形成Z 軸，刀塔箱固定于底座上。由于采用整體式床身，機床剛性非常好，機床主軸既是進給軸，又是物流軸和手爪，物流和機床合二為一，大大提高了節拍效率，減少了物流成本，節約了物流空間。

圖2 倒立車整體結構圖

設計時遇到一個難題即主軸箱重量平衡，主軸箱整體重量為1550kg，Z 軸上下移動時慣量很大，設計時考慮三種方案，即主軸箱不平衡、液壓缸平衡和氮氣缸平衡，我們通過多個維度對比分析，最終我們采用了方案三，即氮氣平衡缸方案，對比分析如表1 所示，表中5 為最高分，1 為最低分。

圖3 倒立車機械部分結構圖

5.2 主軸單元

主軸采用同步電主軸技術，主軸接口為A2-11 接口主軸，采用26kW 同步電機，最大扭矩可以達到1000Nm，由于采用同步電主軸技術，最高轉速可以達到3000rpm，主軸軸承結構采用前四后一結構，前面配置一對圓柱滾子軸承和一對推力角接觸球軸承，后面配置一個單列圓柱滾子軸承，為了進一步優化主軸結構，主軸平衡采用氮氣缸進行平衡，結構緊湊。主軸冷卻采用水冷機強制冷卻，保證主軸電機發熱減少到最小，主軸變形得到很好的控制，同時還對前部軸承進行冷卻，保證軸承溫度適宜，提高了主軸精度和軸承的壽命。為了提高主軸動態精度，主軸單元采用雙面動平衡結構，前面和后面兩個部分分別進行動平衡。主軸單元有兩種配置，帶C 軸和不帶C 軸，帶C 軸可以實現X、Z 和C 軸三軸聯動加工，加工一些較復雜的形狀，配合抱閘可以實現銑削功能，進一步拓展應用。圖4 為主軸單元的結構圖。

表1 主軸箱三種平衡方案評價

圖4 主軸單元結構圖

圖5 刀塔單元結構圖

5.3 刀塔單元

刀塔單元采用最新的BMT75 結構伺服刀塔，定位端齒盤采用三片式圓弧齒結構，能夠保證有較高的定位精度及剛性。刀塔單元采用模塊化設計，有動力刀塔和普通刀塔兩種配置，兩種配置通用80%零件，可以根據客戶需求配置動力刀塔配置，為了節省空間，刀盤旋轉電機采用減速機結構，減速比可以達到1：60，刀對刀換刀時間可以達到0.25s，銑軸電機采用同步伺服電機，同步帶傳動，最高轉速可以達到4000rpm，銑軸最大扭矩可以達到120Nm，銑軸采用新型結構，沒有傘齒輪機構結構簡單，成本低，可靠性高。圖5 為刀塔單元刀盤的結構圖。

5.4 進給軸單元

X 軸和Z 軸采用伺服電機直驅結構，高精度滾珠絲杠傳遞動力，X 軸最大快移速度可以達到40m/min，Z 軸快移速度可以達到30m/min。X 軸和Z 軸采用55 規格的高精度滾柱導軌，使得機床剛性進一步得到保證。

5.5 物流系統

機床內置物流系統，可匹配機內檢測裝置及實時在線刀具補償功能，可完全實現零件自動化的高精度生產。可以單臺機床實現一套物流系統，也可以和幾臺機床組線形成一整套物流系統，方便靈活。

5.6 其他單元

機床采用綠色環保設計理念。機床的潤滑采用污染小且便于回收的油脂作為主要的潤滑介質；并可根據用戶的需求，選用變頻液壓站實現節能環保的目的。

5.7 選項單元

由于倒立車基本都是自動化單元，因此自動化相關選項設計必不可少，典型的自動化選項有：

①卡盤開閉檢測及確認：油缸后端裝有兩個接近開關，一個檢測卡盤松開，一個檢測卡盤夾緊工件，主要確認夾緊工件是否異常及給料道提供相應的信號。②工件定位檢測及確認：卡盤定位面三個小孔通三路氣，當正確夾緊工件時，工件定位面貼合夾緊定位面，壓差在設定范圍內，當工件沒有貼合夾緊定位面時，壓差超出設定范圍，系統異常報警，檢測工件是否正確夾持。③姊妹刀功能：自動化加工時刀具磨損不可避免，更換刀片時需要停機，影響加工產量，可以設置姊妹刀功能，即配置兩把相同的刀具設為姊妹刀，設定加工數量，一把刀具到達加工數量后視為磨損不能使用，自動更換為姊妹刀進行加工，減少停機次數。④刀具磨損補償和破損報警：刀具磨損和破損直接影響零件的加工質量，會引起零件批量報廢，通過設置刀具加工工件數量自動補償刀具磨損，通過檢測加工電流值和正常值大小比較判斷刀具是否破損，破損后報警提示。⑤卡盤高低壓轉換：特殊零件粗加工時需要卡盤高壓夾緊，精加工時需要低壓夾緊防止夾緊變形，可以通過液壓回路自動進行轉換，機床不停機實現通過M代碼實現高低壓轉換。

6 整體結構調試

6.1 調試方案

倒立車兩臺樣機試造出來后，進行了機床調試和評價。調試和評價分為兩個大部分：

①機床精度檢驗：檢測試驗標準采用數控車床和車削中心檢 驗 條 件 ISO13041.3-2009、ISO13041.4-2004 和 ISO13041.6-2009。按照這三個標準我們對倒立車各項精度進行了檢測，都能夠達到標準要求的各項精度，滿足機床出廠條件。圖6 為VD7000 樣機光機和整機試制照片。②機床試切驗證：按照我們自己的標準進行了切削能力測試，測試包括批量加工驗證及極限性能驗證，滿足我們制定的各項標準，圖7 為批量加工測試結果。

圖6 試制VD7000 樣機圖

圖7 批量加工測試結果圖

6.2 技術深化

由于第一次設計和制造倒立車，缺乏相關設計和制造經驗，發現了很多問題點，需要后期改造和優化：

①立式車床配置中實油缸，剛開始按照臥式車床設計了中空油缸，試制時出現漏油現象，查找油缸樣本確認中空油缸無法配置立車車床，試制后進行了整改。②防護積屑，防護我們單獨設計了管路和泵進行沖屑，但是試制時發現鐵屑沒有被沖掉，鑄件上堆積較多鐵屑，主要我們選擇的泵流量較小壓力不夠，后期更換大流量泵效果明顯得到改善。③熱補償功能的開發，試制過程進行批量加工時發現，如果不進行空運轉直接批量加工，加工尺寸半小時內存在波動，停機1 小時再加工尺寸也存在波動，考慮到自動化加工，后期需要開發機床熱補償功能解決開機及停機尺寸波動問題。④防碰撞功能的開發，機床在試切削過程中由于操作不當發生了撞擊，造成了主軸精度的損壞，更換維修成本比較高，考慮到如果客戶出現此問題損失就非常大，后期有必要開發防碰撞功能，進一步降低客戶的后期使用成本。⑤防干涉功能的開發，機型越來越復雜，給機床操作帶了比較大難度，不屬于機床或者疏忽可能會在手動操作機床時發生碰撞，如果根據機床干涉區、刀具和夾具設置干涉點提醒操作者會避免此類事故，也是后期需要開發完善的功能。

7 結論

通過VD7000 倒立車的成功研發、設計和樣機試制，達到了設計方案提出的各項目標，初步建立了倒立車床的設計方法和生產制造體系，為我們后期開發倒立車系列化產品積累了寶貴經驗，進一步完善了我們車床產品線，拓展了一種新的加工方式，滿足一些盤類零件的高效加工。后期需要進一步產品優化升級，客戶處批量長期驗證其可靠性。