大型通用鏜銑類機床核心功能模塊試驗平臺設(shè)計

李嵩松

（北京第一機床廠，北京 101399）

0 引言

龍門鏜銑床，龍門移動式鏜銑床，落地鏜銑床是目前制造型企業(yè)較為通用的大型鏜銑類機床。此類機床具有制造周期長，相關(guān)部件多，用戶加工需求各異等特點，所以對大型鏜銑類機床實行模塊化設(shè)計是非常必要的。模塊化設(shè)計是將機床上同一功能單元設(shè)計成具有不同用途或性能的、可以互換選用的模塊，以便更好地滿足用戶需要的一種設(shè)計方法。模塊化設(shè)計使機床產(chǎn)品具有更大的適應(yīng)性和靈活性，這樣不僅滿足了不同用戶對產(chǎn)品不同規(guī)格的需求,而且降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，同時縮短了交貨期，提高了機床的市場競爭力。

1 大型機床功能模塊分類

大型機床功能模塊可劃分為五大類：

第一類，床身工作臺模塊。包括龍門鏜銑床的床身工作臺、龍門移動式的床身滑座、落地鏜銑床的床身滑座及X軸進給箱。

第二類，龍門架模塊。包括龍門鏜銑床，龍門移動式鏜銑床的立柱、連接梁、橫梁及Y、W軸進給箱、落地鏜銑床的立柱及Y軸進給箱。

第三類，機床主傳動模塊。包括龍門鏜銑床，龍門移動式鏜銑床，落地鏜銑床的鏜銑頭、溜板、Z軸進給箱。

第四類，拓展機床加工范圍的功能模塊。主要為龍門鏜銑床，龍門移動式鏜銑床，落地鏜銑床的附件銑頭。

第五類，增加大型機床輔助功能的輔助模塊。如刀庫、附件銑頭庫、刀具測量、工件測量等。

其中，最能體現(xiàn)機床整機市場競爭力的是由第三類和第四類模塊組成的鏜銑類機床核心模塊。鏜銑類機床核心模塊具有精度要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模塊中相關(guān)零件多、制造周期長等特點，所以設(shè)計一套核心模塊試驗平臺可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期。

2 核心模塊試驗平臺的組成

核心模塊試驗平臺是一套由多臺試驗設(shè)備組成的綜合試驗系統(tǒng)。

主流大型鏜銑類機床核心模塊主要包括滑枕式鏜銑頭、溜板、Z軸進給箱、附件銑頭四大部分。其中滑枕式鏜銑頭按主軸形式可以分為機械主軸和電主軸兩類。機械主軸需要有動力源進行驅(qū)動，動力源由主軸電機和變速箱組成。變速箱又可以分為生產(chǎn)廠商自制齒輪箱和外購行星齒輪箱兩類，其中外購行星齒輪箱為外購部件，可以不進行試驗，所以滑枕式鏜銑頭需要配置的試驗設(shè)備主要有：機械主軸試驗設(shè)備、電主軸試驗設(shè)備、機床制造商自制齒輪傳動箱試驗設(shè)備。

附件銑頭需要配置的試驗設(shè)備與滑枕式鏜銑頭所配置的試驗設(shè)備相類似，分為機械傳動式附件銑頭試驗裝置和電主軸式附件銑頭試驗裝置。

滑枕式鏜銑頭、溜板、Z軸進給箱裝配完成后，還需要對功能模塊的整體性能、運動精度、幾何精度、穩(wěn)定性以及滑枕銑頭與附件銑頭的聯(lián)接等進行試驗，所以需要設(shè)計功能模塊整體試驗裝置。

3 滑枕式鏜銑頭主軸試驗設(shè)備設(shè)計

主軸試驗裝置分為兩大類：一為機械主軸試驗裝置，二為電主軸試驗裝置。試驗設(shè)備由三部分組成：機械部分、潤滑冷卻部分和電氣控制部分。

3.1 機械主軸試驗設(shè)備設(shè)計

機械主軸一般由主軸體、主軸軸承、主軸套筒、松拉刀裝置等四部分組成。機械主軸所需常規(guī)試驗項目包括主軸的轉(zhuǎn)速、溫升、噪音、振動、主軸靜剛度、松拉刀裝置動作時對主軸的影響等內(nèi)容。其中主軸的轉(zhuǎn)速、溫升、噪音、振動四項需要在主軸運轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行測試；主軸靜剛度、松拉刀裝置動作時對主軸的影響要在主軸靜止狀態(tài)下測試。

由于機械主軸本身不具備動力源，所以要進行機械主軸試運轉(zhuǎn)就要為主軸提供運轉(zhuǎn)動力，較為簡便易行的方法是通過變頻電機和相匹配的傳動機構(gòu)為主軸提供動力。選擇適當?shù)淖冾l電機和傳動機構(gòu)是機械主軸試驗設(shè)備的關(guān)鍵。主軸空載功率可由主軸前后軸頸平均值，主軸轉(zhuǎn)速，軸承支承形式和潤滑脂系數(shù)綜合估算得出。

例如一種規(guī)格較大的龍門鏜銑床主軸前軸承內(nèi)徑200mm，后軸承內(nèi)徑270mm，轉(zhuǎn)速2500r/min，軸承采用潤滑脂潤滑形式，主軸空載功率大約為12kW，經(jīng)過計算可以選擇四極變頻電機，功率18.5kW，扭矩120Nm，經(jīng)過實際檢驗可以達到使用要求。

電機選擇完成后，還需要選擇合適的傳動機構(gòu)?？梢钥紤]選用齒輪傳動，齒輪傳動具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定的特點，然而作為日常試驗主軸的工具，試驗成本也是需要考慮的，制造試驗齒輪箱成本較高，考慮選擇結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、能緩沖吸振的帶傳動較為合適。帶傳動中以V帶傳動應(yīng)用最為廣泛，帶輪等制造成本較低，所以經(jīng)對比選擇V帶傳動作為試驗裝置的傳動機構(gòu)。

由于機床主軸單元品種較多，基本可按四類劃分，第一，按最高轉(zhuǎn)速不同分類，包含1000r/min至6000r/min的多種轉(zhuǎn)速。第二，按主軸軸承內(nèi)徑規(guī)格不同分類，從100mm至200mm均有應(yīng)用。第三，按主軸單元軸向長短分類。第四，按主軸錐孔形式不同分類：較為常用的種類有7： 24錐孔，HSK短錐孔等。所以在設(shè)計主軸試運轉(zhuǎn)裝置時，就要盡可能找到所需試運轉(zhuǎn)主軸單元的共同特點，進行綜合分析比較，保證試運轉(zhuǎn)裝置設(shè)計的完備性。銑削類機床主軸單元具備的共同特點是：全部是由主軸錐孔和主軸端面鍵進行刀具的定位裝夾和傳遞驅(qū)動扭矩，所以根據(jù)這一特點考慮設(shè)計思路：用外部動力通過主軸端面鍵傳遞扭矩來驅(qū)動主軸；利用主軸錐孔完成驅(qū)動件與主軸徑向軸向的定心。如圖1所示，將主軸單元放置在試驗支架2上，并用試驗支架2上的壓板進行軸向固定，用頂柱進行徑向固定，然后將驅(qū)動帶輪裝入主軸錐孔，并將驅(qū)動帶輪固定，調(diào)整固定電機3的支架，使用傳動皮帶4將電機帶輪6與驅(qū)動帶輪7聯(lián)接，確定聯(lián)接好后，啟動電機進行運轉(zhuǎn)試驗，并同時在支架上放置轉(zhuǎn)速測量儀、測溫器、分貝儀等測量儀器對主軸單元進行檢測。

3.2 電主軸試驗設(shè)備設(shè)計

由于電主軸自身可以提供動力源，所以對電主軸轉(zhuǎn)速溫升噪音的測量相對簡單，只需要按實際使用狀態(tài)做相應(yīng)的試運轉(zhuǎn)支架即可。

3.3 主軸單元靜態(tài)測量設(shè)備設(shè)計

對于試驗裝置中靜態(tài)測量部分，機械主軸和電主軸相類似，設(shè)計思路為按實際使用狀態(tài)和加載情況設(shè)計試驗支架，由于主軸類型較多在此不逐一列舉。

3.4 試驗設(shè)備潤滑冷卻系統(tǒng)

潤滑冷卻部分可以兼顧變速箱試驗設(shè)備和附件銑頭試驗設(shè)備綜合考慮，設(shè)計較為通用的潤滑冷卻系統(tǒng)。

圖2 應(yīng)用變量泵的潤滑冷卻供油路

試驗設(shè)備的潤滑冷卻部分主要功能為：提供主軸單元、變速箱、附件銑頭試運轉(zhuǎn)時所需的潤滑冷卻液。大型機床較為常用的潤滑冷卻形式基本包括：第一，主軸單元一般采取油脂潤滑，液體循環(huán)冷卻的形式（油循環(huán)、水循環(huán)等）；第二，變速箱部分一般為稀油冷卻潤滑軸承和齒輪；第三，附件銑頭部件既包含主軸單元的潤滑冷卻形式又包含變速箱的潤滑冷卻形式。而且試驗的功能模塊不同，所需的循環(huán)冷卻流量也不相同，所以配置具有變量泵的冷卻潤滑系統(tǒng)是較為經(jīng)濟實用的解決方法，如圖2所示，按基本液壓回路中供油回路設(shè)計。

為了更好地保證被試驗功能模塊的冷卻效果和實際工作狀態(tài)一致，此系統(tǒng)需要單獨冷卻單獨過濾，同時最好配置流量計，檢驗流量是否準確。

3.5 主軸試驗設(shè)備電氣部分設(shè)計

電氣部分中機械主軸試驗裝置設(shè)計相對簡單，只需配置電機所需的變頻器和相關(guān)電氣元件。電主軸試驗裝置需要配置驅(qū)動電機的系統(tǒng)模塊，控制模塊等要根據(jù)不同的電主軸配置。

3.6 變速箱試驗設(shè)備設(shè)計

變速箱試運轉(zhuǎn)裝置適用于機床制造商自制齒輪變速箱的試驗，主要測試項目為：噪音、溫升、轉(zhuǎn)速。試驗設(shè)備也由三部分組成:機械部分、電氣部分和液壓部分。由于變速箱結(jié)構(gòu)相對完整，所以只需要按其實際使用狀態(tài)設(shè)計穩(wěn)定性強的試運轉(zhuǎn)支架，支架設(shè)計符合通用性，系統(tǒng)性兼顧前瞻性即可。

潤滑冷卻部分在設(shè)計主軸試驗設(shè)備時已經(jīng)進行了考慮，可以通用，但要注意冷卻液流量的調(diào)節(jié)。

變速箱一般配置為主軸電機，為了更好地模擬機床實際工作時的狀態(tài)，變速箱試運轉(zhuǎn)時所用的電機可以使用實際工作時使用的電機，這樣也是對電機進行必要的檢驗。

電氣部分與電主軸試驗裝置的電氣配置相類似。然后根據(jù)主軸電機配置相關(guān)的電氣驅(qū)動模塊。

4 附件銑頭試驗裝置設(shè)計

附件銑頭試運轉(zhuǎn)裝置相對簡單一些?？傮w思路和主軸試驗裝置一致，一般分為兩大類：一類為機械主軸，齒輪傳動的機械附件銑頭，另一類為電主軸的附件銑頭。

機械主軸附件銑頭試運轉(zhuǎn)裝置由機械部分、潤滑冷卻部分、電氣部分和附加功能檢驗部分組成。

機械試驗部分主要是最大限度模擬附件銑頭實際工作狀態(tài)進行測試。對于空載功率較大的附件銑頭傳動方式可以選擇皮帶傳動；對于空載功率較小的附件銑頭可以選擇電機直連，如圖3所示，將附件銑頭2按實際工作狀態(tài)固定在試驗支架3上，安裝驅(qū)動帶輪5，調(diào)節(jié)變頻電機1所在支架的位置，調(diào)整好后使用傳動皮帶4聯(lián)接電機與驅(qū)動輪，確認聯(lián)接后，啟動電機進行試運轉(zhuǎn)。

潤滑冷卻系統(tǒng)可以與主軸試驗設(shè)備潤滑冷卻系統(tǒng)通用，電氣部分與機械主軸單元試驗設(shè)備所用的電氣設(shè)計基本一致。

附件銑頭試驗裝置的附加功能主要包括附件銑頭配置的刀具外部冷卻功能、刀具中心冷卻功能、主軸錐孔吹氣功能等，對這幾項功能的試驗也是檢驗的重要內(nèi)容，所以要配置與實際工況相同的冷卻液供給、回收系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)來滿足試驗需要。

圖3 附件銑頭試驗裝置

5 核心功能模塊組綜合試驗設(shè)備設(shè)計

雖然使用單獨的試驗設(shè)備可以完成主軸單元、變速箱單元和附件銑頭的試驗，但是要保證核心功能模塊的整體穩(wěn)定性，還要將主軸、滑枕銑頭箱體、溜板、滑枕銑頭進給箱和附件銑頭等組合在一起，進行功能模塊的整體試驗。

5.1 試驗臺總體設(shè)計

核心功能模塊體現(xiàn)了鏜銑類機床產(chǎn)品功能的先進性和優(yōu)越性，要進行核心功能模塊的試驗需要配置功能齊全的試驗設(shè)備。核心模塊綜合試驗設(shè)備的配置包括機械部分、液壓部分、電氣部分、油品回收部分等。

作為核心功能模塊，主要試驗項目包括：滑枕銑頭的性能試驗如轉(zhuǎn)速、噪音、振動、溫升、滑枕銑頭導(dǎo)軌副幾何精度的測量、滑枕銑頭導(dǎo)軌副運動平穩(wěn)性、試驗附件銑頭與滑枕銑頭的聯(lián)接、試驗滑枕銑頭和附件銑頭的其他功能。例如：滑枕銑頭變速箱的變速功能，主軸松拉刀功能，滑枕銑頭松拉附件銑頭功能，附件銑頭松拉刀功能等。如果被試驗的功能模塊為五座標聯(lián)動機床所用核心模塊，還可以試驗Z軸、B軸、C軸的聯(lián)動功能。

基于以上需要測試的項目，設(shè)計核心功能模塊試驗臺時需要綜合考慮的因素有：首先，要最大限度的模擬實際工況。其次，溜板滑枕部件組，種類繁多，功能各異，應(yīng)盡量找出相同點，要盡可能做到通用性強。最后，還要考慮設(shè)備成本，占地面積等因素。

5.2 試驗臺機械設(shè)計

試驗臺的機械部分可以設(shè)計為定梁龍門框架式，這種形式可以最大限度模擬核心功能模塊的實際工作狀態(tài)。試驗臺橫梁部分設(shè)計時，要根據(jù)溜板與橫梁導(dǎo)軌副的形式、跨距等參數(shù)來設(shè)計，出于通用性考慮可以采用多段式橫梁設(shè)計。立柱部分設(shè)計要根據(jù)滑枕銑頭的行程確定立柱的高度，以滿足多種溜板、滑枕組件的試驗需要。

結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，還要進行零件的工藝性設(shè)計，特別是多段式橫梁，每段橫梁導(dǎo)軌間一定要留加工所需的出刀量。每段橫梁導(dǎo)軌精度要高于普通產(chǎn)品，以便增強其互換性。如圖4所示的多段式橫梁2，裝配在立柱1上，為節(jié)省空間可以將試驗臺所用的控制電柜和液壓站集中放置在平臺3上，以達到節(jié)約空間的作用。

圖4 綜合試驗臺機械部分

5.3 試驗設(shè)備液壓部分設(shè)計

試驗臺液壓部分設(shè)計分為兩部分，一為溜板滑枕導(dǎo)軌副所需的供油系統(tǒng)，二為驅(qū)動溜板滑枕銑頭各項功能的液壓控制系統(tǒng)。

5.3.1 試驗臺供油系統(tǒng)設(shè)計

目前較為常用的溜板滑枕導(dǎo)軌副可以分為直線滾動導(dǎo)軌副、強力潤滑導(dǎo)軌副和靜壓導(dǎo)軌副三類。

直線導(dǎo)軌副和強力潤滑導(dǎo)軌副所需潤滑油量較少，所以設(shè)計一個流量較小的潤滑系統(tǒng)就可以實現(xiàn)潤滑功能。

靜壓導(dǎo)軌副所需液壓系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要一套完整的液壓系統(tǒng)，以恒流靜壓系統(tǒng)為例：系統(tǒng)所用液壓元件主要包括前置供油泵、溢流閥和給每個油腔供油的定量泵。

前置供油泵主要作用是給每個油腔供油的定量泵供應(yīng)所需油量。使用前置泵可以達到：第一,減小多頭泵進出油壓力差，以提高多頭泵的容積效率；第二，在較小的溫度變化范圍內(nèi)，補償油的粘度對油膜剛度的影響；第三，可以保護多頭泵。

給每個油腔供油的定量泵可以選用結(jié)構(gòu)緊湊的多頭泵。

機床實際工作時靜壓系統(tǒng)對油液的要求和機床其他液壓控制所用油液的要求是不同的。靜壓系統(tǒng)所用油液需要采用單獨過濾、單獨控制溫度，所以試驗設(shè)備也要按實際工作狀態(tài)配置過濾和溫控裝置。

靜壓系統(tǒng)對機床實際工作時使用溫度要求很高。為保證試驗的真實性，一般和實際要求一致不得超過50℃。所以靜壓系統(tǒng)所用油液的冷卻裝置，也要和實際工作狀態(tài)一致?？梢圆捎檬覝赝{(diào)型油溫控制機，應(yīng)用這類油溫控制機可以使靜壓系統(tǒng)所用油液的溫度與環(huán)境溫度基本保持一致，使得機床靜壓導(dǎo)軌精度保持穩(wěn)定。

靜壓系統(tǒng)中需要配有多頭泵或節(jié)流器等分配裝置。由于每個試驗部件組所用的分配裝置數(shù)量不相同，而且價格較貴，所以可以使用溜板滑枕組件自帶的靜壓分配系統(tǒng)進行試運轉(zhuǎn)，試驗裝置提供供油系統(tǒng)，這樣既節(jié)約了成本，又增加了試驗的真實性和可靠性。

5.3.2 試驗臺液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

試驗滑枕功能的液壓系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同溜板滑枕組件情況進行設(shè)計。假設(shè)溜板滑枕組件配置了液壓控制閥組，那么試驗臺需要提供相應(yīng)壓力的供油系統(tǒng)；如果沒有配置液壓控制系統(tǒng)，試驗設(shè)備就要提供能夠完成滑枕功能的液壓控制系統(tǒng)。設(shè)計液壓系統(tǒng)時，注意合并油路壓力近似和控制功能相類的液壓回路，為調(diào)整時方便，在不增加成本的前提下盡可能的選擇變量泵，如圖2所示，基本原理與潤滑冷卻系統(tǒng)相類似，配置變量泵以適應(yīng)不同回路的試驗需要。

5.3.3 試驗臺回油系統(tǒng)設(shè)計

為保證制造環(huán)境的整潔，要為試驗臺設(shè)計油品回收系統(tǒng)。特別是應(yīng)用靜壓導(dǎo)軌的滑枕銑頭，油品回收系統(tǒng)非常重要。設(shè)計多段式橫梁時每段都要安裝接油槽，接油槽中設(shè)置液位開關(guān)，同時還要在合適的位置安裝油泵，保證回油系統(tǒng)正常。

5.4 試驗臺電氣部分設(shè)計

電氣設(shè)計部分較為復(fù)雜，需要適應(yīng)不同需要配置不同產(chǎn)品的控制界面，使試驗過程符合實際工況。

6 落地鏜銑床綜合試驗臺設(shè)計

對于落地鏜銑床溜板滑枕附件銑頭組件在分別單獨試運轉(zhuǎn)時可以和龍門鏜銑床的溜板滑枕附件銑頭，使用基本相同的試驗裝置進行試驗。

圖5 落地鏜銑床綜合試驗臺機械部分

落地鏜銑床的溜板滑枕功能組是臥式使用，所以要單獨設(shè)計試驗支架，試驗支架要具備足夠的剛性、穩(wěn)定性和工藝簡便性，所以用底座和支撐架兩部分組成，裝配時保證相互垂直即可。如圖5所示，溜板滑枕功能組件2放置在支架1和底座3組成的試驗臺支架上，用壓板4固定住，保證試驗過程穩(wěn)定可靠，其余部分可以和龍門鏜銑床模塊組試驗設(shè)備通用，只需要配置好試驗管路即可以完成試驗。

7 結(jié)論

隨著我國制造業(yè)水平的不斷提高，對大型鏜銑類機床的需求量逐年遞增，促使制造廠商不斷提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，滿足用戶的不同加工特性和生產(chǎn)批量的要求。因此使用功能模塊試驗平臺對功能模塊進行試驗是實現(xiàn)功能模塊商品化的重要方法。所以推廣功能模塊試驗平臺可以提高機床主機制造商的生產(chǎn)效率，提升機床整體制造水平。

[1]機床設(shè)計編寫組.機床設(shè)計手冊第三冊[Z].北京: 機械工業(yè)出版社, 1986.