龍門加工中心橫梁部件設(shè)計(jì)

大連東方專用機(jī)床有限公司（遼寧 116113) 李 凡

大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司（遼寧 116620) 周 建

大連連城數(shù)控機(jī)器股份有限公司（遼寧 116036) 張樹禮

圖1 龍門加工中心結(jié)構(gòu)形式圖

龍門加工中心是加工大型、復(fù)雜零件的關(guān)鍵設(shè)備之一。按其結(jié)構(gòu)可分為:定梁式、動(dòng)梁式、動(dòng)柱式及橋式等，其中最常見的是定梁式。如圖1所示。定梁式龍門加工中心主要由底座、工作臺(tái)、立柱、橫梁、滑架、滑枕、滑枕平衡、X軸驅(qū)動(dòng)、Y軸驅(qū)動(dòng)、Z軸驅(qū)動(dòng)、主軸傳動(dòng)、主軸組、主軸恒溫冷卻、排屑系統(tǒng)、冷卻沖屑系統(tǒng)及刀庫(kù)及機(jī)械手等部件組成。而橫梁則是其中的關(guān)鍵部件之一，它的精度直接影響到機(jī)床的精度，因此，設(shè)計(jì)好橫梁部件尤為重要。

本文以工作臺(tái)1600mm×3000mm規(guī)格的龍門加工中心為例，來(lái)進(jìn)行其橫梁的設(shè)計(jì)。

1.橫梁關(guān)鍵技術(shù)分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橫梁是安裝在立柱、橫跨在底座上的一種梁式結(jié)構(gòu)部件;它安裝在立柱上后，為調(diào)整橫梁和工作臺(tái)的相對(duì)位置 (即Y軸與X軸的垂直)，采用了橫梁調(diào)整墊塊的結(jié)構(gòu)。首先將該墊塊固定于橫梁上，用一螺栓通過(guò)墊塊上的螺紋孔頂在立柱上來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)橫梁的推動(dòng)，用另一通過(guò)光孔的螺栓旋進(jìn)立柱上的螺紋孔里實(shí)現(xiàn)多橫梁的拉動(dòng)，通過(guò)這一推一拉的結(jié)構(gòu)就可以調(diào)整Y軸與X軸的垂直了。

橫梁上安裝有Y軸直線導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌選用進(jìn)口重載滾柱導(dǎo)軌;滑架在其上進(jìn)行移動(dòng)，為保證該導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度，采用上副 (導(dǎo)軌)下主 (導(dǎo)軌)的布置方式。直線導(dǎo)軌在導(dǎo)軌專用楔塊的作用下，緊緊依靠在導(dǎo)軌的側(cè)定位面上，增強(qiáng)了直線導(dǎo)軌自身的直線性和剛性。直線導(dǎo)軌的螺釘安裝時(shí)全部采用力矩扳手，避免擰緊力矩不一、導(dǎo)軌安裝后行走精度的不一致，實(shí)現(xiàn)了可靠的動(dòng)態(tài)精度。

為避免人為操作失誤時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置及相關(guān)部件的破壞作用，采用在橫梁兩端行程終了位置上安裝Y軸行程開關(guān)擋鐵的方法。當(dāng)滑架運(yùn)動(dòng)到橫梁兩端將要超過(guò)行程范圍時(shí)安裝在滑架上的行程開關(guān)就會(huì)被開關(guān)擋鐵觸發(fā)，向系統(tǒng)發(fā)出超程報(bào)警進(jìn)而使滑架停止運(yùn)動(dòng);除此之外，此處還用可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用，固定有橡膠緩沖墊的Y軸，安全擋鐵同樣也安裝在橫梁兩側(cè)，在行程開關(guān)或者控制程序失靈的情況下，滑架會(huì)觸碰到安全擋鐵的橡膠緩沖墊上經(jīng)過(guò)緩沖而停下來(lái)，起到保護(hù)作用。

為了實(shí)現(xiàn)Y軸的全閉環(huán)控制，在橫梁上安裝了增量式直線光柵尺，該尺測(cè)量步距達(dá)0.1μm，增強(qiáng)了該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制精度。

橫梁主要起到聯(lián)接兩個(gè)立柱來(lái)形成工作臺(tái)通過(guò)空間的作用，滑架在其上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，所以橫梁本身的剛性就直接決定機(jī)床的加工精度。由于滑架和滑枕以及橫梁本身的重量都會(huì)使橫梁安裝在立柱上后產(chǎn)生向下的彎曲現(xiàn)象，相同截面下橫梁越長(zhǎng)彎曲現(xiàn)象越明顯。這樣就會(huì)使Y軸直線導(dǎo)軌不再平行于工作臺(tái)的表面，影響機(jī)床的加工精度，為了避免上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，我們采取以下方法來(lái)解決。

橫梁上良好的型腔布筋結(jié)構(gòu)是橫梁剛性的可靠保證，也是解決橫梁彎曲的關(guān)鍵;采用合理布置筋板的位置以及V形筋的布置方式來(lái)保證橫梁的剛性。在橫截面積一定的情況下，最大限度地增大空腔面積，減小筋板厚度，降低橫梁的總體重量，也可以進(jìn)一步降低橫梁重量對(duì)其彎曲的影響 (見圖2、圖3)。除了上面在橫梁本身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行充分的考慮外，我們還想辦法通過(guò)加工手段來(lái)消除橫梁彎曲對(duì)機(jī)床精度的影響。即在加工橫梁導(dǎo)軌面時(shí)，為了防止橫梁安裝后向下凹，可以將橫梁加工成稍微向上凸的形狀;也就是說(shuō)，按照橫梁變形的相反方向加工橫梁上的導(dǎo)軌安裝基面，這也是解決橫梁彎曲的關(guān)鍵。

圖2 橫梁剖面圖

圖3 橫梁剖視圖

2.Y軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)分析設(shè)計(jì)

因?yàn)樵擙堥T加工中心快速移動(dòng)速度為20m/min，遠(yuǎn)高于其他廠家的12m/min，這就要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)剛性等要比其他廠家要高。龍門加工中心運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)方式常見為滾珠絲杠副傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)。因滾珠絲杠副傳動(dòng)精度好，運(yùn)動(dòng)速度快，定位、重復(fù)定位精度高，而齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以選用滾珠絲杠副的傳動(dòng)方式。滾珠絲杠副傳動(dòng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)的方式分為螺母旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)和絲杠旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)兩種。螺母旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)因其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，限制了其應(yīng)用的范圍。而絲杠旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，故本機(jī)床所選用的傳動(dòng)方式就是絲杠旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)。

滾珠絲杠的安裝方式按照應(yīng)用的不同有以下幾種方式:結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單的“固定-自由”式;結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的“支撐-游動(dòng)”式;中等轉(zhuǎn)速、高精度的“固定-游動(dòng)”式;高剛度和高位移精度的“固定-固定”式。本橫梁的滾珠絲杠傳動(dòng)部分就是采用“固定-固定”的形式，如圖4所示，此種安裝方式使絲杠一般不會(huì)受壓，壓桿穩(wěn)定性高，使傳動(dòng)系統(tǒng)有較高軸向剛度和臨界轉(zhuǎn)速，使驅(qū)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)了高的運(yùn)動(dòng)速度。伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與齒輪減速箱聯(lián)接，將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩放大后傳導(dǎo)給滾珠絲杠，使絲杠旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)絲杠螺母作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠大驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)。

圖4 絲杠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

選用絲杠專用角接觸軸承安裝在絲杠支撐上，該軸承能承受較大的軸向力，也就保證了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高剛性。此外，通過(guò)鎖緊螺母、絲杠軸承和隔套以及滾珠絲杠固定支架，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滾珠絲杠的預(yù)拉伸，來(lái)消除滾珠絲杠熱變形對(duì)傳動(dòng)精度的影響，獲得了高速傳動(dòng)下的高的傳動(dòng)精度。

采用齒輪減速，裝配時(shí)調(diào)整減速箱蓋的位置，進(jìn)而改變兩個(gè)傳動(dòng)齒輪的中心矩來(lái)消除齒輪的齒隙間隙，保證傳動(dòng)系統(tǒng)的定位精度。

3.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算以及產(chǎn)品的應(yīng)用，該龍門加工中心橫梁能夠滿足設(shè)計(jì)研發(fā)要求，使用效果良好，傳動(dòng)速度較快，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，并保證了良好的定位精度和重復(fù)定位精度。