平臺化開發技術在臥式五軸加工中心產品設計中的應用

侯延星

（科德數控股份有限公司沈陽分公司，沈陽 110046）

0 引言

機床產品的開發設計是一個在多項需求和約束中突出重點、尋找平衡的過程。本文提出的平臺化機床產品開發理念是基于產品模塊化的基礎理論。構建一個大的機床產品開發平臺，在平臺上通過配置不同屬性的功能部件組合，并有效集成各類標準件和通用化零件，實現機床產品面向不同行業、不同典型客戶群需求的不同類機床產品的開發和快速迭代的過程。

1 產品平臺的搭建及具體設計實現

1）建立基礎通用件數據庫。根據產品設計參數初步確定模型數據匹配關系，修調技術參數。建立基礎通用件模型數據庫，機床核心基礎件[1]包括床身、立柱、滑鞍、工作臺滑座、主軸箱體、電動機座等，實際設計中，同規格或行程相近產品歸為一個設計開發平臺。

2）建立核心功能部件模型數據庫。主要包括直驅單軸轉臺單元模塊、直驅單擺頭單元模塊、立臥轉換頭單元模塊、單驅軸搖籃工作臺單元模塊、雙驅軸搖籃工作臺單元模塊、雙叉直驅擺頭單元模塊，并對功能相近的功能單元提供標準機械接口，通過模塊化、標準化來減少規格。同時兼顧各種電、液、氣的準標準接口，遵循上述單元模塊的標準化、系列化、模塊化的設計原則。

圖1 基礎通用件庫

圖2 核心功能部件庫

3）平臺化產品總體設計表的制定。如圖3所示，通過平臺化產品總體設計表的制定，闡明平臺化產品不同系列、不同規格產品間開發過程中總體基礎通用件及核心功能部件、標準化零件之間的借用和通用邏輯關系。并根據這個表格的配比關系進行實際分解，完成核心功能部件的模塊化設計，實現標準化模塊的通用性開發。

圖3 平臺化產品總體設計表

2 平臺化產品的主體部分構成

單一平臺產品的主體部分主要是五軸臥式加工中的三直線軸部分，單一平臺上不同系列產品基礎大件完全通用，導軌絲杠、電動機座等標準件完全通用。如圖4所示，單一平臺產品的主體部分構成中，左右動大滑板結構實現X軸運動，上下動主軸箱（采用雙驅動，無配重）實現Y軸運動，前后動工作臺實現Z 軸進給運動。

圖4 單一平臺產品的主體部分結構圖

如圖5所示，2、4、5標注的為三直線軸雙絲杠驅動的位置。1、3、6標注的X、Y、Z 軸導軌的安裝位置。機床的X、Y、Z等3個直線進給軸坐標均采用高精度的滾珠絲杠雙驅設置、高剛度的圓柱滾子直線導軌，利于直線軸實現高動態運動。全系列配備高精度等級光柵尺全閉環控制。

圖5 直線進給機構單元

如圖6所示，床身底座是整機的安裝基礎，必須具有足夠的剛度，確保其上運動的各移動部件獲得高的運動精度和支撐剛度。

圖6 床身底座部分構成

如圖7所示，立柱部分采用墻式結構，與床身高剛度結合形成L型結構，大大增強了主機固定部分整體剛度，X軸采用滑板結構，采用高剛度三導軌掛壁支撐技術，機床設計過程中采用有限元輕量化設計。

圖7 立柱墻體及滑板部分構成

立柱作為重要的支撐部件之一，采用L型封閉框架式結構，結合應用有限元分析優化，外形設計成上窄下寬的形式，以降低其重心；在其立柱腔內部合理布置結構加強筋板，獲得足夠的靜態剛度，X向整個移動部分的重心垂直面投影都保持在立柱的中心區域內，保證X向移動部件的高效和高精度運動平穩性要求，滑板作為機床Y向移動部分的導向，采用雙絲杠驅動，無配重，保證直線軸快速、高精度、高運動平穩性。

3 平臺化產品核心功能部件部分

如圖8所示，本文所述的機床功能部件動力單元主要采用力矩電動機直驅技術替代傳統的齒輪+伺服電動機傳動、蝸輪蝸桿+伺服電動機傳動等機械結構。有利于提高系統的動態響應能力，無反向間隙，無傳動機械磨損等優勢，定位準確，承載能力中等。

圖8 回轉工作臺部分

如圖9所示，擺頭主要包括單擺頭A軸頭、立臥轉換頭，帶車功能單擺頭。各種擺頭均采用力矩電動機直驅，旋轉軸位置反饋均采用絕對測量系統閉環控制。

圖9 主軸頭部分

科德GNC6X系列國產數控系統（04專項標志性成果之一）是自主知識產權，其特點為：1）高速信息交互GLNK光纖運動控制現場總線。2）精密的位置/角度感知，傳感細分技術。通過獨特的激光干涉全閉環控制技術，對來自直線/角度傳感器的信息進行細分處理，實現機床的精密控制保證技術。3）精準的高頻控制調度GRTK實時內核。支持多核CPU，運動控制運算、邏輯控制運算、人機交互更高效，實現高頻控制。

4 產品平臺化開發的實例

如圖10所示，臥式五軸UT 系列產品特別適合航空發動機機匣類典型零件加工的用戶需求。主機結構完全借用平臺總體布局。不同配置為：單擺頭結構實現A軸運動，主軸為車削主軸，直驅轉臺實現B軸運動，B軸帶有車削功能。A/B軸均采用力矩電動機直驅技術。

圖10 臥式五軸UT系列基型產品

如圖11所示，臥式五軸UD系列特別適合箱體類典型零件加工為主的典型用戶需求。產品主機結構完全借用平臺通用總體布局。不同配置為：主軸單元配置大轉矩電主軸，工作臺上配置搖籃轉臺以實現A/B軸功能。

圖11 臥式五軸UD系列基型產品

5 產品平臺化的優勢

1）提高工作效率。通過產品模塊標準化、通用化的設計，實現模塊化[2]單元和共性技術的重用過程，降低設計風險，提高產品的可靠性和設計質量，降低設計成本。

2）采用平臺化、標準化模塊研發系列產品，能夠縮短產品采購周期、物流周期及生產制造周期，降低產品的采購成本、物流成本、制造成本和日后的產品售后服務成本。

3）采用平臺化產品開發模式[3]，有利于產品的快速多次迭代。不斷升級產品模塊功能屬性，提高產品的整體性能和可靠性。

6 結語

基于產品的平臺化研發，有利于企業研發團隊加強產品的標準化、規范化工作，滿足企業批量化生產的需求，實現企業分工的細化，提升企業管理水平，降低生產制造組織難度，打造標準化作業基礎。