高速桥式龙门五轴加工中心的研制

沈阳机床（集团）有限责任公司 徐吉存

通过对高速桥式龙门五轴加工中心总体结构布局优化、直线电机直驱发热冷却控制、制动及防护的实现、双摆头自动交换技术、同步双驱调整及优化等关键技术的研究和实现，最终通过实验论证来消除直线电机驱动应用方面的啸声及同步驱动抖动情况，从而使机床的总体性能得到较大提高，使得该产品具有广泛的推广应用前景。

高速桥式龙门五轴加工中心是航空航天、汽车及军工领域的重大型模具和大型壳体覆盖件加工的关键设备之一。为了实现高速、高动态响应特性，本加工中心在X、Y轴方向采用直线电机和在Z轴方向采用伺服电机直联的方式驱动。在机床开发研制过程中着重解决了机床整体布局、直线电机直驱应用实践、整机动静刚度设计优化、同步驱动调整与优化、双摆头自动交换等关键技术的实现，从而保证机床在整体性能方面有很大的提升，该产品具有广泛的应用前景。

一、机床总体布局及主要性能参数

高速桥式龙门五轴加工中心采用高架桥式龙门框架结构，机床总体布局如图1所示，主要由桥梁1、工作台2、横梁3、滑枕4、滑板5和双摆头6等主要部件构成。桥梁及工作台固定，横梁在桥梁上前后做X向运动，滑板在横梁上左右做Y向运动，滑枕在滑板上上下做Z向运动，A、C头在滑枕下端作A轴摆动和C轴转动。为了实现高效率并节省大量的加工辅助时间，机床设置了两部A/C轴双摆铣头，分别进行粗、精加工，两部A/C轴双摆铣头可实现自动A轴交换，A轴摆角为±110°，C轴转角为±360°，可实现复杂曲面的五轴联动加工。高架桥式龙门框架结构相对龙门固定工作台移动或龙门框架移动的机床具有更好的动态性能，为了提高其动态性能，需要尽可能减轻移动部件的质量，这样将横梁下传统的滑板结构减为材料为16Mn的一整块钢板，既保证刚性、降低了重心又减轻了重量；Z轴驱动采用大导程双丝杠重心驱动，并配有双平衡杠，这样具有更高的动态性能、加工精度及加工稳定性；增加桥梁的高度并采用铸造结构，提高了机床的刚性和抗震性；另外为保证直线电机、力矩电机运行安全可靠采用多重制动方式，在原有电气制动的基础上增加液压制动和安全缓冲器制动，X轴采用铠甲式防护、防护间全防护、操作门安全锁、观察窗高强度防弹玻璃、防碰撞程序设置等多项安全措施保证整机运行安全可靠。通过对机床整体结构的改进和优化使其性能得到大幅度的提高，使其很好地适应对航空航天、汽车及军工领域的重大型模具或大型壳体覆盖件的加工。

机床主要性能参数指标为，XY 各向行程及最大移动速度分别为550030001400mm和505030m/min；工作台尺寸及承重分别为5000×2500mm、8000kg/m2；粗加工主轴功率、最大扭矩及转速分别为32kW、7000r/min和400N·m，精加工主轴功率、最大扭矩及转速分别为34kW、24000r/min和72N·m。

图1 机床总体布局

二、主要关键技术应用

1．直线电机驱动应用

直线电机的发热控制。直线电机在运行时发热量非常大，严重影响电机的性能，一旦传导到机床大件上会对机床的精度造成很大影响，为此对于发热量大的初级采用主冷却加精密冷却的方案，主冷却带走大部分热量，精密冷却精确控制温度，另外次级也配有冷却，防止热量传递到机床大件上，通过检验实际应用效果很好，没有出现电机温升报警或热量传递到机床大件的现象。直线电机冷却设置如图2所示。

图2 直线电机冷却图

直线电机的制动。考虑到直线电机驱动轴速度高、加速度大的特点，其制动采用了直流母线制动、短路制动、钳制器制动和液压缓冲器制动四种方式制动，通过这样的冗余设计提高机床的安全可靠性。

直线电机的防护。由于直线电机次级为永磁体，需防止大颗粒切屑、杂质或液体进入初级和次级之间，保证直线电机的正常运行，为此采用了铠甲皮腔式防护，在防护与机床主体之间采用迷宫结构防止切屑或液体进入。另外在防护内增加了六组吹气口，工作时向外吹气，使防护内产生正压，防止漂浮的切屑、液体或灰尘进入，确保直线电机初级和次级之间的间隙满足设计要求。通过检测应用效果良好。

2．双摆头自动交换技术应用

双摆头采用公司自主研发的A/C轴双摆铣头，主要由C轴部分1、A轴部分2、快换接头部分3和主轴4等构成，结构如图3所示。

图3 A/C轴双摆铣头

双摆头机电液耦合实现如图4所示。双摆头旋转扭矩主要靠端齿盘1、液压拉紧机构2来实现。交换时的定位通过两个导向销3来实现，其中长、短销分别用于粗、精定位。液压气动冷却油路和电气线路的导通和断开分别通过液压和电气快换接头4、5来实现。均由成对公母快换接头两部分组成。其中公母接头分别安装在C轴底座和A轴箱体上。

拉紧机构通过液压驱动实现夹紧松开，在拉紧状态下具有自锁功能。其结构如图5所示，其中拉钉1安装在A轴箱体上，外套2、弹性拉爪3、滑芯4、楔块5、活塞6等其余部件安装在C轴底座上。卡紧时，拉紧机构通过滑芯上嵌入的四个楔块与外套内锥面、活塞杆外锥面相互作用来实现其自锁功能。

图4 耦合示意图

图5 拉紧自锁示意图

3.同步双驱调整及优化技术

直线电机配置完成后需要进行优化调整，否则驱动轴在高速运行时会出现剧烈的抖动。通过调整伺服系统速度环增益可将抖动消除。伺服优化曲线如图6所示，从下面两组曲线可以看出，当速度环增益MD1407=30000时抖动比较厉害（左曲线所示），当速度环增益调整为12000时抖动消除。

初步调试时，当直线电机驱动X、Y轴运动时，电机时常会发出啸叫声，这需要在伺服系统控制器添加相应的带阻滤波器来消除。添加带阻滤波器的频率响应特性如图7所示，其中左图为未加滤波器的频率响应（400HZ处有尖峰）右图为添加滤波器的频率响应（啸叫消失）。

图7 直线电机频率响应特性

对于电机间的同步调整，在激活数控系统相应功能的前提条件下，主要通过观察各个同步轴的驱动负载是否一致，需要经过反复调整使各个同步轴之间的负载一致并且最小。最后，还须通过激光干涉仪进行检验，直到左右同步轴的同步精度完全达到设计指标要求为止。

四、结语

基于航空航天、汽车及军工领域的重大型模具和大型壳体覆盖件加工的要求开发研制了该高速桥式龙门五轴加工中心。成功解决了直线电机驱动过程中的啸声及同步驱动的抖动问题，实现了高速、高动态响应特性，使得机床的总体性能得到较大提高，该产品具有广泛的推广应用前景。 □