一體化數控機床結構設計及研發模式研究*

余 新 ，蔣 強

（江蘇省宜興中等專業學校，江蘇 無錫 214206）

數控機床按功能差異可分為銑床、磨床、鉆床、車床等，一體化機床是在一臺設備上集成多種功能，其優點為性價比高、可完成復雜的工件加工任務，因而成為推進現代機床實現技術創新的重要方向。但多元化的功能增加了設計難度，探究其結構設計和研發模式有利于促進數控機床的可持續發展，同時降低研發成本，提高研發效率。

1 一體化數控機床結構設計要點

1.1 一體化機床整體設計方案

機床整體結構。以銑鉆攻一體化機床為研究對象，整體結構包括機架、工作臺、主軸、運動軸、夾具以及直排式刀庫[1]。工作模式為三軸聯動，運動軸分X、Y、Z三個方向，布局方式為直角堆疊式。機床的整體尺寸受X軸行程的影響。電機為各個運動軸以及主軸提供動力，其電機帶有位置編碼功能。該機床的主要設計參數如表1所示。

表1 銑鉆攻一體化機床主要設計參數

1.2 關鍵部件選型

1.2.1 機床滾珠絲杠選型

機床的X、Y、Z軸均采用直線運動方式，以滾珠絲杠實現運動軸的直線運動過程控制，相比于齒輪齒條控制模式，滾珠絲杠具有多種優點，包括精度高、轉矩強、推力大、不易卡頓等。因此，為機床的三個運動軸均配置了滾珠絲杠，在選型過程中必須關注其定位精度、負載能力以及重復定位精度[2]。以X運動軸的滾珠絲杠選型為例，具體實施步驟如下。

1）確定安裝方式和基本參數。根據機床X軸的運動特點，絲杠應采取水平安裝，支撐方式為固定—支承形式。定位精度不得低于25 μm，重復定位精度不得低于15 μm。滾珠絲杠的傳動比設計為1，最大加速度可達到5 m/s2。絲杠的最大轉速設計為3 000 r/min。動、靜摩擦系數分別為0.05、0.1。

2）運動參數計算與校核。在絲杠選型過程中，需要經過嚴密的計算確定各類關鍵設計參數，如額定動載荷、導程、精度等。以下介紹部分參數的計算方法。

①最小導程計算方法：

式中，Vmax表示X軸的最大移動速度，單位轉換為mm/min，將滾珠絲杠的最高轉速記為nmax，將絲杠的導程記為ph（mm）。按照該方法，X、Y、Z軸的最小導程計算結果均為10 mm。

②臨界轉速計算方法：

當絲杠的轉速提升至一定程度時，有可能產生共振效應，嚴重影響一體化數控機床的穩定性和加工精度。因而在設計過程中，必須將絲杠的轉速限制在可引起共振的臨界轉速以下，從而將其轉速調節區間限制在安全范圍以內，該臨界轉速的計算方法為：

式中，將絲杠的彈性模量記為E，其截面慣性矩記為I，λ1是表征安裝間距的系數，絲杠達到臨界轉速時的計算間距記為lcr，S和ρ分別為絲杠的橫截面積、密度。將各個參數的實際值代入公式，計算出Ncr=7 121 r/min。設計方案中將絲杠最大轉速限制為3 000 r/min。

③臨界壓縮載荷計算方法：

由于滾珠絲杠采用一端固定、另一端支承的支撐方式，在工程實踐中應該對其進行壓杠穩定校核。臨界壓縮載荷為滾珠絲杠不失穩的最大壓縮負荷，計算方法為：

式中，Fmax為絲杠承受的最大作用力，ls為行程長度，K1為滾珠絲杠不同安裝方式對應的設計安全系數，對于固定—支承形式，該系數的取值為2，d2表示絲杠的底部直徑。

1.2.2 機床伺服電機選型

電動機選型中需要計算的性能參數為空載時的驅動力矩、空載勻速驅動力矩、電動機最大轉速等，其選型關鍵參數如下。

1）電動機最大轉速計算：

式中，將滾珠絲杠的最高轉速記為nmax，ph含義同式（1），Nmax為電動機對應的最大轉速。將實際參數代入公式，計算出Nmax=3 000 r/min。

2）電動機轉動慣量計算：

電動機通過滾珠絲杠作用運動軸，因而電動機的轉動慣量取決于絲杠、負載的轉動慣量。將這兩種轉動慣量分別記為Js、Jw，相應的計算方法為：

式中，ρ、d2、m、L分別為鋼材密度、絲杠底徑、運動軸質量以及滾珠絲杠的行程。表2 為該銑鉆攻一體化數控機床伺服電機的主要設計參數。

表2 電機主要設計參數

1.3 主軸設計

1.3.1 主軸整體布局

主軸可分為內置式、分體式兩種，傳統設計方案將電動機和主軸分開。內置式主軸中集成了電動機，可一次性完成安裝，并且有效地減少了設備占用的空間。另外，這種布局方式減少了電動機和主軸之間的傳動環節，整體運行效率更高，有利于消除振動效應[3]。

1.3.2 主軸冷卻及潤滑設計

一體化數控機床主軸內部的運動部件為軸承和定轉子，由于存在一定的摩擦作用力，在運行時會持續產生熱量，造成結構發熱，嚴重時可加速磨損，縮短使用壽命。因此，必須通過潤滑和冷卻兩項措施控制發熱現象。潤滑系統的作用是通過添加潤滑劑減小摩擦系數，降低產熱量。常用的潤滑劑為高速黃油、錠子油。隨著技術的發展，潤滑方式也不斷擴展，油氣潤滑具有更強的環保性和效率，因而在一體化機床的主軸設計中采用油氣潤滑方式。冷卻系統的作用是持續、快速地帶走主軸熱量，控制主軸溫度[4]。冷卻系統采用水冷作用方式，通過水冷機向主軸內送入冷卻水，形成循環水冷的機制。

1.4 夾具設計

該機床的主要用途為加工制造鋁型材，其工藝操作為銑削、鉆孔等，必須通過夾具固定工件。由于加工面較多，容易造成夾具頻繁更換夾持方式。研究過程擬定設計一種快速夾具，要求其定位精度高。夾具可采用模塊化思維進行設計，根據工件的特點、幾何尺寸，靈活調整各個組件。夾具由直線型滑軌、固定件、氣缸等組成，通過改變滑塊位置適應不同的工件。

2 一體化數控機床研發模式

2.1 全流程研發模式分析

一體化數控機床設計難度較大，研發模式可劃分為以下幾個步驟：結構和功能設計→動靜態仿真分析→結構部件優化→設備實體建造→設備動靜態性能檢測→問題優化→通過驗收→設計方案定型[5]。機床實體建造之前的仿真分析和結構優化設計是降低研發成本的關鍵環節，因為實體建造需要消耗材料、能源以及人力資源。而仿真分析依托于計算機和軟件工具，實施成本相對較低。

2.2 一體化數控機床的關鍵研發環節

2.2.1 機床設計方案的仿真分析

1）建立機床結構模型。利用ANSYS 軟件構建機床模型，開展有限元分析。機床結構非常復雜，如果完全按照設計方案建模，會制約后續的網格劃分和模型計算。可根據彈性力學中的局部效應原理簡化有限元模型。例如，建模時可忽略螺栓孔、凹槽等結構，將其設置為平面，因為這些小型結構不影響整體性能分析。

2）設置材料屬性。ANSYS 軟件支持在模型中設置材料屬性的功能，在劃分有限元網格之前，將機床的機架設置為Q235鋼材，軸承工作條件更加苛刻，將其材料設置為GCr15。45型鋼材作為小型組件和零件的制造材料。不同材料的楊氏模量、屈服極限、泊松比等存在差異，對機床結構的力學性能具有重要影響。

3）機床動靜態特性分析。①靜態特性分析。靜態特性分析的主要目的是檢驗機床結構在外部靜態力的作用下能否達到足夠的剛度，并且不發生明顯的變形[6]。對機床結構模型進行網格劃分，節點數量超過15.7 萬個，單元數量超過9 萬個。根據整機應力分析的結果，最大應力集中在床身固定結構以及部分連接結構上[7]。應力峰值為6.921 3 MPa，而材料的屈服極限最低為275 MPa，說明靜態特性完全能夠滿足設計要求。②動態特性分析。動態特性分析用于評價機床在運行過程中的振動效應和穩定性，判斷依據為機床主振型及對應的低階固有頻率[8]。依托ANSYS 軟件，對機床模型開展模態分析，模擬結果如表3 所示。顯然，動態分析的結果有利于機床整體或局部結構優化。

表3 機床動態特性仿真結果

2.2.2 結構部件優化

一體化數控機床有限元分析的目的是確定結構設計中的不合理之處，進而在此基礎上開展局部優化，根據動靜態分析結果，對以下結構部件實施優化。

1）優化機床YZ軸連接件。在有限元分析中發現，YZ軸連接件出現了靜態應力集中、動態扭振、動態擺振等問題。優化路徑為增大連接件的厚度、加強筋厚度以及連接件寬度[9]。

2）優化機床主軸箱的拓撲結構。在機床動態特性分析中發現主軸箱存在扭振、擺振問題，影響了機床的穩定性和機械加工精度[10]。箱體結構優化的方法為改善其拓撲結構。保留原有設計方案中的電主軸安裝面，其他部分做優化調整，主要目標是盡可能降低主軸箱的箱體重量。設計四種優化方案，以原設計方案的主軸箱總質量為基礎，通過結構改造，將質量壓縮75%、65%、55%、45%。再次開展有限元分析和動靜態特性分析。結果顯示，主軸箱最大應力值為1.367 4 MPa，優化前該數值為1.524 3 MPa，降幅達到10%以上。以質量壓縮75%為例，其在X、Y、Z三個運動軸上的最大變形量分別為0.29 μm、0.015 μm、0.014 μm，優化前的對應變形量為0.19 μm、0.01 μm、0.01 μm。說明質量減輕后主軸箱變形量略有增加，但滿足設計需求。在振動控制方面，拓撲優化減少了頂部板件的重量，箱體中下部質量占比增加，其扭振、擺振效應有所減弱。

3 結語

一體化數控機床的結構設計中應該合理控制其整體布局，同時加強對主軸、運動軸、電動機等關鍵部件的優化。其設計模式為確定結構形式及參數，開展有限元分析，發現設計缺陷，優化設計方案。工程技術人員可利用ANSYS 軟件對機床的結構應力、靜態特性、動態特性實施量化模擬，提前定位不利因素，完善設計方案。