数控机床发展进步显著，但飞机制造厂急需的五坐标机床仍依赖进口

数控机床发展进步显著，但飞机制造厂急需的五坐标机床仍依赖进口

介绍

近年来，我国数控机床发展取得了长足进步，产品品种、数量、质量均有明显提升，为我国航空工业发展起到了很大的支撑作用。但飞机制造商急需的各类五轴数控机床尚无法满足，此类设备的采购仍以从欧美进口为主。

例如飞机制造企业急需高速卧式加工中心、大型五轴高速双龙门铣床、五轴高速立式加工中心等设备，而国内尚属空白。现有机床的横梁一般采用高强度铸铁材料，由于铸铁材料弹性模量、抗拉强度等因素的制约以及铸造工艺的限制，横梁内部加强筋的厚度至少有20-30mm，且内部筋腔必须均匀排列。这就意味着为了增加某些应力集中区域的筋腔密度，就不得不增加横梁整体的筋腔数量，这使横梁的重量不必要增加，而其自重引起的挠度变形较大；虽然数控系统的精度补偿可以满足加工需要，但还是影响其精度。

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五轴龙门加工中心设计

该机床包括：床身100、拖板200、横梁300、鞍座400、滑枕500、联动头600和工作台700。拖板200安装在床身100上，拖板200可在床身100上沿X方向移动。横梁300安装在拖板200上，鞍座400安装在床身100上，可沿横梁300实现Y方向进给。滑枕500与鞍座400滑动连接，可沿鞍座400实现Z方向进给。A轴、C轴双摆联动头600固定安装在滑枕500的下端面上，实现龙门铣沿A轴方向连续摆动机床及五轴头沿C轴方向连续旋转。

工作台700设置在龙门铣床的底部，与床身100连接，工作台700为HT300铸件，底部设有支脚，床身100、拖板200、鞍座400均为铸铁件，工作台700为HT300铸件，耐磨性强，耐压性能好，底部设有支脚，均匀分布的支脚使固定安装的工作台700受力均匀，承重能力达到/m2以上。

梁的形状示意图。如图3所示，梁300的主承载面为底部开口的抛物线，抛物线的凸起部分刚好补偿了梁因自重而产生的挠度变形。抛物线的方程为：y=ax2+b；其中a、b为常数，x的取值范围为-≤x≤，即梁300的长度为3.2m，对应的a的值为-1.95×10-7，b的值为0.05。当梁的长度发生变化时，应适当调整a、b的值，以保证抛物线的凸起部分刚好补偿了梁因自重而产生的挠度变形。图4为梁的结构示意图。

如图4所示，横梁300由型钢焊接而成，整体呈箱形结构，其中心部分由两组槽钢焊接而成，沿槽钢长度方向焊接有直肋301。箱形结构内部，垂直于槽钢长度方向设置有若干条肋302，且横梁与拖板连接处设置的肋302数量较多。有限元分析可知，横梁300在连接处应力较为集中，因此在此部位设置较多的肋302，可增加横梁300的抗弯能力，且不会引起中部挠度。图5为龙门铣床横梁部分的局部示意图。

如图5所示，龙门铣床还包括驱动横梁300的驱动电机800；驱动电机800与拖板200连接，驱动电机800包括：主电机801和辅电机802。主电机801驱动齿轮作为主齿轮901；辅电机802驱动齿轮作为副齿轮902；主齿轮901和副齿轮902通过齿条1000连接，实现主齿轮901和副齿轮902之间的传动。目前，大型机床驱动系统大多采用齿轮齿条传动结构，不受行程限制，传递扭矩大，刚性好。但由于齿轮齿条之间存在啮合间隙，行星减速器中存在齿隙，这些因素势必会影响机床运动的准确性和同步性。为了消除这种间隙，对齿轮齿条的精度要求很高，而机械式消隙结构也很复杂，可靠性不高。通过采用双驱动电机结构，通过机床电气系统设置驱动电机800，根据不同的机床运行情况施加相反方向的全行程预紧力，可以有效地消除间隙，提高机床的精度和可靠性。具体工作原理为：（1）当处于停止状态时，主电机801和辅助电机802停止转动，电气系统分别对主电机801和辅助电机802施加相反方向的预紧力。在预紧力的作用下，主齿轮901和辅助齿轮902分别压靠在齿条1000的前后，从而达到消除间隙的目的。

(2)加速状态，主电机801和辅电机802加速，电气系统对主电机801和辅电机802施加同向驱动转矩，负载持续加速。 (3)匀速状态，电气系统对主电机801和辅电机802施加同向驱动转矩，当预载转矩大于摩擦转矩时，主齿轮901作为主动齿轮，辅齿轮902制动。当摩擦转矩大于预载转矩时，主齿轮901和辅齿轮902同时作为主动齿轮，负载匀速运动。 (4)减速状态，电气系统对主电机801和辅电机802施加同向驱动转矩，但与负载运动方向相反。当负载停止移动时，驱动扭矩消失，主电机801和辅助电机802在预紧力的作用下消除间隙。龙门铣床布局整齐，全封闭的防护室，安全电子门锁和宽敞的安全观察窗，除了能有效防止加工切屑和冷却液飞溅外，还能保证高速加工的安全性。龙门铣床的冷却、液压、气动和润滑系统集中控制，布置在防护室外，便于监视和调整；电气控制系统位于防护室外，便于操作和调试。龙门铣床具有三个直线驱动轴（X轴、Y轴和Z轴），在这三个直线驱动轴中，每对相互运动的部件均采用滚柱导轨导向。其轻快、无间隙、高速的运动可使机床获得较高的几何精度和定位精度，并具有很强的刚性和长期的精度保持性，并且非常容易维护。

机床各坐标轴的传动中心靠近运动部件质心，传动刚性高；机床传动连接采用高刚性联轴器，使机床既具有优异的动力输出，又具有稳定的机械性能。龙门铣床在X、Y、Z三个坐标轴上均采用直线光栅尺，实现全闭环反馈，可使机床获得稳定的位置精度。并通过优化各伺服轴的传动参数，使机床的动态特性达到最佳。龙门铣床主要气动元件均采用SMC（气动元件生产厂家）产品，性能可靠，安装调整操作简便。坐标轴油脂润滑系统采用递进式两级分配器，数控系统自动控制，将专用润滑油适时定量地输送到各传动部件，供油量可调，并有油路堵塞报警。龙门铣床还配备了2000L大容量水槽，在工作台700两侧配置一组链式排屑机，后部设有升降装置，实现整机集中排屑。龙门铣床通过将横梁主承载面设计成抛物线形状，用钢焊接结构横梁代替传统的铸铁横梁，有效克服了横梁自重引起的挠度问题，提高了龙门铣床的加工精度。同时，采用新型横梁结构也减轻了横梁自重，从而提高了龙门铣床的进给速度，减少了加工时间，提高了加工效率。

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