双主轴双刀架精密数控车铣复合加工中心的研究开发

良好的动态特性， 首先必须保证床身有良好的静态 和动态性能
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CKW1480S 双主轴双刀架精密数控车铣复合 加工中心床身底座为筋板式框形结构 ， 所以床身筋 板的布置和尺寸的大小对其动静态特性有着直接 的影响。对此， 首先对床身底座进行静态分析， 再 从模态分析入手。 模态是多自由度线性系统的一种固有属性， 是 以振动理论为基础， 以模态参数为目标的分析方 法。多自由度线性系统的振动（ 自由振动和强迫振 动） 可以由各阶模态叠加而成， 有限元法模态分析 是根据结构的几何形状、 辩解条件和材料特性， 通 ， 、 过对结构进行离散 把结构的质量分布 刚度分布 和阻尼分布分别用各个矩阵表示出来 ， 从而建立结 ， 构的运动方程 通过求解特征值和特征向量来确定 结构的固有频率和振型。 无阻尼线性多自由度强迫振动系统的自由振 动微分方程为： ¨ + Kx = 0 Mx （ 1） 弹性体的自由振动可分解为一系列简谐振动 的叠加， 因此可设式（ 1 ） 的解为： x = Xsin（ ρt + φ） （ 2） 式中： X 为振幅矩阵； ρ 为系统的固有频率； φ 为初 相位。 将式（ 2 ） 代入式（ 1 ） 中得： ［ Kφρ2 M］ X =0 （ 3） 式（ 3 ） 成为系统的特征方程， 假定系统的质量 则频率方 矩阵与刚度矩阵都是正定的实对称矩阵 ， 程的 n 个根均为正实根， 它们对应于系统的 n 个自 然频率， 这里假定为不相等根。 通过确定 n 个实矢 量 Xi ， 即可获得系统的模态向量或振型向量
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重点解决的技术难点
本文在研究开发过程中主要解决了以下技术 难点： a． 大孔 径 高 速 精 密 主 轴 （ 直 径 300mm， 长度 1 000mm） 回转精度 （ 径向跳动 ≤0． 001mm， 端面跳
图6
整机动力学分析
2012 年 10 月 中国制造业信息化 第 41 卷 第 19 期 34 动≤0． 001mm） 的控制技术。 对主轴箱体进行有限 元分析， 优化结构， 同时对主轴硬件系统采取相应 从而保证高速主轴系统实际达到的水平与理 措施， 论分析一致。主轴系统选用 P2 级高速球轴承。 提 高主轴箱体的加工精度； 提高主轴的加工精度； 提 高主轴组动平衡精度等级， 达到 G0． 4 级， 以保证主 轴在高速运转时平稳可靠。 b． 电主轴系统热平衡、 整机热变形控制和补偿 技术。建立机床整机热平衡温度场模型， 研究机床 主要发热部件引起的热应力变化对加工精度的影 响程度， 提出控制及补偿策略。以主轴部件稳态热 分析的温度场为依据， 在箱体上合理布置散热筋， 以达到散热均匀， 减小主轴的热变形。 对整机的温 对关键部位， 如电主轴进行温度控 度场进行分析， ， 22℃ ± 2℃ ， 制 保持 减少因高速而产生的热变形对 机床精度的影响。 c． 高速回转主轴动平衡技术和制动控制技术。 通过提高主轴组动平衡精度 （ G0． 4 级 ） ， 从而保证 C 轴采用阻尼制动控 主轴在高速运转时平稳可靠。 制技术， 联动铣削时处于阻尼状态， 定位铣削时处 于制动状态， 保证铣削的平稳性。 d． 伺服参数优化技术。重点对伺服增益、 伺服 响应时间常数等参数进行优化， 以满足机床要求。 采用高精度光栅尺作为位置闭环检测元件 ， 同时利 用系统的分频， 分辨率达到 0． 001mm。 e． 副主轴同步高速不停车接料技术。 对机床 并实现加工过程的动态仿 结构建立三维数学模型， 真。针对特定零件， 形成相应的刀具轨迹路线并加 以优化。工件在第一主轴上加工结束后， 第二主轴 快速前移并在工件不停车状态下完成接料装夹 ， 完 ［4 ］ 成工件的后续加工 。 f． 双主轴双刀架设计制造技术。 双刀架均为 带有具有钻铣动力刀具的车铣复合电动刀架。 双 主轴均为内藏式电主轴， 并通过高精度反馈元件闭 2 个主轴的分 环控制， 实现 2 个 C 轴的高精度分度， 辨率为 0． 001° 。 g． 整机动态性能分析和优化设计技术。 利用 有限元分析， 对机床基础件、 部件和整机的静、 动态 结构修改和动态优化设计， 同时对 参数进行优化、 机床部件和整机的静、 动态特性进行模态试验与分 析， 改进不合理的结构， 实现加工精度的最优化设 计方案。 h． 开展可靠性增长研究。 对关键技术从理论 分析入手， 分析机床精度保持与动态性能、 振动、 热 变形的关系。对关键基础件通过试验， 掌握使用寿 命与承载能力的关系。 与国内主要功能部件生产 厂家合作研究， 选用高可靠 性、 高 质 量 的 配 套 件。 通过可靠性工艺设计， 对机床零部件加工质量、 机 床装配质量、 检测技术和配套件质量进行控制和规 范。
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图2
床身底座应变分析
床身底座应力分析如图 3 所示。
图3
床身底座应力分析
床身底座动力学分析， 如图 4 所示。 图 4 （ a ） 、 （ b） 、 （ c） 、 （ d） 、 （ e） 分别表示床身底座的五阶模态。 330． 84Hz、 床身底座的五阶频率分别为 293． 81Hz、 402． 84Hz、 436． 67Hz、 488． 75Hz。
图4
床身底座动力学分析
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机床整机有限元分析
在机床床身底座有限元分析的基础上， 建立整 机三维模型， 对整机进行有限元分析， 分析机床整 机在负载情况下的最大变形部位以及机床整机的 前五阶模态， 为机床的改进设计提供科学理论依 据。 整机静力学分析， 如图 5 所示。
图5
整机静力学分析
·现代设计与先进制造技术· 33 赵义顺 张 霖 双主轴双刀架精密数控车铣复合加 …… （ b） 、 整机动力学分析如图 6 所示。 图 6 （ a ） 、 （ c） 、 （ d） 、 （ e ） 分别表示机床整机的五阶模态。 机 202． 39Hz、 床整机 的 五 阶 频 率 分 别 为 164． 21Hz、 221． 98Hz、 258． 967Hz、 262． 67Hz。
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机床模态测试试验
2012 年 3 月 13 日至 14 日对指定机床进行了 现场模态测试。 机床模态 测 试 位 置 如 图 7 所 示。 机床床身底座的频响函数曲线如图 8 所示。
图7
机床模态测试位置
ห้องสมุดไป่ตู้
图8
床身底座的频响函数曲线
测试结果： 床身底座的一阶固有频率 300Hz， 二阶固有频率 335． 31Hz。与理论分析基本一致。 该机床主轴最高转速为 3 500r / min， 铣削主轴 即对应工作频率分别为 58Hz 最高转速 8 000r / min， 和 133Hz。本文在未考虑导轨结合面参数的情况 下， 对机床进行静力学分析和动力学分析， 得到的 静刚度值满足生产加工的要求。 前五阶频率也都 避开了工作频率范围， 反映了该机床有比较好的静 态和动态性能。
·现代设计与先进制造技术· 31 赵义顺 张 霖 双主轴双刀架精密数控车铣复合加 ……
1 —操纵台； 2 —机床罩壳； 3 —第二主轴驱动 （ W 轴） ； 4 — 润滑； 5 — 电气柜； 6 — 液压； 7 — 第一主轴（ C1 轴） ； 8 — 上刀架； 9 — 上刀架驱动 （ X1 、 Z1 轴） ； 10 — 下刀架驱动（ X2 、 Z2 轴） ； 11 — 床身底座； 12 — 下刀架； 13 — 第二主轴（ C2 轴） ； 14 —冷却水箱； 15 —排屑器
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产品结构方案 2 产品主要技术参数
产品主要技术参数见表 1 。
“高档数控机床与基础制造装备 ” 科技重大专 “大型高效精密数控车铣复合加工中心系 项课题
收稿日期：2012 － 05 － 23
作者简介：赵义顺（ 1968 － ） ， 男， 江苏江都人， 南京数控机床有限公司高级工程师， 主要从事数控机床的研发工作。
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Z2 轴） 拖板最大纵向行程 （ Z1 ， 第二主轴最大纵向行程 （ W 轴） 卡盘规格
第二主轴 主轴头部规格（ GB5900． 1 － 1997 ） 第一主轴 第二主轴
主轴转速范围
第一主轴 20 ～ 3 500 r / min 第二主轴 20 ～ 3 500 r / min 第一主轴
电主轴主电机功率 第二主轴 X2 、 Z1 、 Z2 、 W 轴） 快速进给速度 （ X1 、 上刀架 刀架工位数 下刀架 上刀架 动力刀具工位数 下刀架 铣削主轴最高转速 C 轴最小分辨率
23． 6 /33 kW 14． 5 /22 kW 12m / min 12 12 12 12 8 000r / min 0． 001°
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床身底座有限元分析
机床床身底座是机床重要的基础部件， 它的动 态特性和静态特性直接影响机床加工精度 ， 精度的 ， 。 稳定性 以及机床的振动与噪声 要保证机床具有
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车床结构是多自由度系统， 必然存在多个具有 特定固有频率、 阻尼比和振型的模态， 床身模态分
2012 年 10 月 中国制造业信息化 第 41 卷 第 19 期 32 析用于确定机床结构的模态频率、 阻尼比和振型， 从而为机床动态特性的深入研究， 分析机床动态薄 弱环节及机床结构优化设计提供科学依据 床身底座应变分析， 如图 2 所示。
摘要：介绍了 1 台新型双主轴双刀架精密数控车铣复合加工中心。 详细阐述了加工中心机械主 体结构及主要技术参数， 建立了加工中心的有限元模型并进行了模态分析 ， 给出了其五阶固有频 率和固有振型， 并对机床进行了模态分析试验。 最后总结了该加工中心开发过程中的相关难点 及解决方案。 关键词：加工中心； ANSYS； 有限元法； 模态分析 中图分类号：TH122 ；TH161 文献标识码：A 数控机床是现代制造技术的基础装备， 其技术水 平高低是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。 “ 国家 十一五” 期间， 将高档数控机床列为国家科技重 是作为提高国家竞争力的重要措施。 大专项， 目前我国中、 高档数控机床的总体水平与国外 先进水平相比还落后 10 ～ 15 年。主要差距表现在 性能、 成套性和可靠性等 3 个方面。我 机床的档次、 们必须认真分析这个差距， 找出影响整机可靠性的 主要因素， 并采取切实有效的措施， 提高数控机床的 ［ 1 ］ 可靠性水平， 逐步缩小与国际先进水平的差距 。 《国家中长期科学技术发展规划纲要 （ 2006 － 2020 年） 》 在重点领域中确定一批优先主题的同 时， 围绕国家目标， 进一步突出重点， 筛选出若干重 大战略产品、 关键共性技术或重大工程作为重大专 充分发挥社会主义制度的优势和市场机制的作 项， ， 用 力争取得突破， 努力实现以科技发展的局部跃 升带动生产力的跨越发展， 并填补国家战略空白。 在上述基础上实施“高档数控机床与基础制 造装备” 科技重大专项， 本文就是针对科技重大专 项课题产品 CKW1480S 双主轴双刀架精密数控车 铣复合加工中心展开了相关研究 。 文章编号：1672 － 1616 （ 2012 ） 19 － 0030 － 06 列化产品研究与应用 （ 课题编号： 2010ZX04001 － 071 ） ” 的代表产品为 CKW1480S /2000 双主轴双刀 架精密数控车铣复合加工中心。 图 1 所示为机床整体结构示意图。本产品具有 W 轴， 7 轴控制， 2 组 3 轴联 双主轴、 双刀架、 双 C 轴、 全闭环控制。 双刀架均为带有具有钻铣动力刀具 动， 双主轴均为内藏式电主轴， 并 的车铣复合电动刀架。 通过高精度反馈元件进行闭环控制， 实现 2 个 C 轴 2 个主轴的分辨率为0． 001°。 的高精度分度， 双主轴 能够连续分度和任意分度定位， 能够实现零件加工 过程中的飞车接送料， 完成复杂回转体零件的一次 上料的车削、 分度偏心钻削、 定位铣削的全部加工工 序， 实现零件完整意义上的全工序加工 （ Complete machining） 。工件在 1 台机床上可以完成全部或大 上 部分工序的加工。先将工件装夹在第一主轴上， 刀架或上下刀架同时完成一端的车削加工， 一端加 工结束后， 第二主轴快速前移将工件从第一主轴上 接过来， 下刀架或上下刀架继续加工工件的另一端。 1 该机床的第一主轴和第二主轴可以同时进行加工， 台机床完成 2 台机床的加工工序， 加工精度高， 效率 高。该机床可广泛应用于航空航天、 船舶、 汽车、 发 精密模具、 军工等行业。 电设备、
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双主轴双刀架精密数控车铣 复合加工中心的研究开发
1 2 赵义顺 ， 张 霖 （ 1． 南京数控机床有限公司， 江苏 南京 211100 ） （ 2． 南京航空航天大学 机电学院， 江苏 南京 210096 ）
图1 表1
项目 床身上最大回转直径 最大车削直径 上刀架 拖板上最大加工直径 下刀架 上刀架 最大加工长度 下刀架 X2 轴） 拖板最大横向行程 （ X1 ， 上刀架 下刀架 上刀架 下刀架
机床整体结构示意图
产品主要技术参数
主要技术参数 950 mm 800 mm 720 mm 420 mm 2 000 mm 1 150 mm 475 mm 280 mm 2 010 mm 1 170 mm 1 380 mm 第一主轴 400 mm 400 mm A211 A211