VD7000 倒立式車床的設(shè)計(jì)與研究

石鑫

（ 海德曼（ 上海）自動(dòng)化技術(shù)有限公司，上海201400）

倒立式車床目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)應(yīng)用非常成熟，自從德國(guó)EMAG 公司在1992 年首先開發(fā)出倒立式車床并推向市場(chǎng)以來(lái)，由于其固有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，這一類機(jī)床變大放異彩，替代了很多臥式車床加工應(yīng)用場(chǎng)合，國(guó)外陸續(xù)出現(xiàn)了很多專門生產(chǎn)倒立車車 床 的 廠 家，例 如EMAG、FAMAR、SCHERER、WEISSER 和HESSAPP 等，在汽車行業(yè)生產(chǎn)線上應(yīng)用很普遍，國(guó)內(nèi)近幾年也有一些廠家開發(fā)此類機(jī)床，例如沈陽(yáng)機(jī)床、吉林金沙數(shù)控等，和國(guó)外同類機(jī)床相比存在精度不高，故障率高，只能用在產(chǎn)品粗加工或者精度要求不高的場(chǎng)合。

1 設(shè)計(jì)目的

隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)化需求越來(lái)越多，客戶現(xiàn)在對(duì)車床需求發(fā)生了很大變化，一是需要一種能夠快速傳遞物流，物流節(jié)拍很短，壓縮非切削加工時(shí)間，二是整個(gè)自動(dòng)化單元成本不高的一種機(jī)床，因此倒立式車床目前正越來(lái)越受到客戶的歡迎，但是國(guó)外的這類機(jī)床普遍存在價(jià)格高，服務(wù)不及時(shí)，后期使用成本高，一些國(guó)內(nèi)機(jī)床廠家看到這一商機(jī)也研發(fā)出了這類機(jī)床并推向市場(chǎng)，我們公司為了應(yīng)對(duì)這種需求變化開發(fā)了倒立式車床VD7000。

2 VD7000 倒立式車床的設(shè)計(jì)原則

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向?yàn)楦咚佟⒏呔?、高可靠性、?fù)合化、智能化網(wǎng)絡(luò)化和柔性化模塊化。按照這一發(fā)展方向我們制定了倒立式車床的設(shè)計(jì)原則：

①高速：A2-11 主軸最高轉(zhuǎn)速3000rpm，采用電主軸結(jié)構(gòu)。②高精度：主軸錐面徑跳和端面跳動(dòng)0.003mm。③高可靠性：主軸軸承、滾珠絲杠及支撐軸承設(shè)計(jì)壽命為20000h。④復(fù)合化：機(jī)床復(fù)合銑削功能，需要銑削時(shí)，配置銑削功能的主軸和刀塔。⑤智能化網(wǎng)絡(luò)化：機(jī)床具備互聯(lián)網(wǎng)功能，能夠配合MES 實(shí)現(xiàn)機(jī)床監(jiān)控、排產(chǎn)、刀具、程序、質(zhì)量模塊管理。⑥柔性化模塊化：根據(jù)客戶的工件和要求柔性組合物流形式，各個(gè)單元模塊化設(shè)計(jì)。

3 VD7000 倒立式車床的工作原理

如圖1 為VD7000 倒立式車床上下料工作原理，料道有A盤和B 盤兩個(gè)料盤，A 盤為上料盤，B 盤為下料盤，工作時(shí)，料道上下料處檢測(cè)開關(guān)判斷A 盤和B 盤有無(wú)料，分為四種情況進(jìn)行操作，啟動(dòng)時(shí)：

①當(dāng)A 盤和B 盤都有料時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，人為干預(yù)。②當(dāng)A 盤有料，B 盤無(wú)料時(shí)，料道B 盤運(yùn)轉(zhuǎn)至定位開關(guān)2 處停，等待主軸下料，下料完，料道B 盤運(yùn)轉(zhuǎn)至定位開關(guān)3 處停，等待主軸上料，主軸上料完進(jìn)行加工，A 盤和B 盤運(yùn)轉(zhuǎn)至料道裝卸區(qū)。③當(dāng)A 盤無(wú)料，B 盤有料時(shí)，料道桁架對(duì)A 盤上料，對(duì)B 盤下料，完成后檢測(cè)A 盤有料，B 盤無(wú)料時(shí)重復(fù)執(zhí)行②描述動(dòng)作。④當(dāng)A 盤無(wú)料，B 盤無(wú)料時(shí)，料道桁架對(duì)A 盤上料，完成后檢測(cè)A 盤有料，B 盤無(wú)料時(shí)重復(fù)執(zhí)行②描述的動(dòng)作。

圖1 主軸上下料工作原理圖

4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 為倒立車的整體結(jié)構(gòu)示意圖。考慮到安全和加工效果，機(jī)床整體分為兩個(gè)區(qū)：加工區(qū)和上下料區(qū)，加工區(qū)和上下料區(qū)獨(dú)立分開。料道放置機(jī)床的左側(cè)，方便人工上下料和機(jī)械手上下料，排屑器中間放置后出排屑，為了維護(hù)保養(yǎng)方便，液壓站、空氣單元和潤(rùn)滑單元集中放置在機(jī)床左后側(cè)，考慮到人機(jī)舒適性，操作系統(tǒng)布置在機(jī)床右側(cè)，采用可旋轉(zhuǎn)支撐臂結(jié)構(gòu)，主軸單元左右上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下料動(dòng)作和加工操作，刀塔單元固定布置在機(jī)床右側(cè)。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)我們參考了各個(gè)廠家倒立車床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合我們自己的設(shè)計(jì)能力、制造工藝進(jìn)行綜合考慮制定。

5 重要部件設(shè)計(jì)

5.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)

圖3 為倒立車光機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，為了避免試制階段出現(xiàn)大的改動(dòng)，縮短機(jī)床開發(fā)周期，提高機(jī)床的開發(fā)成功率，我們?cè)谠O(shè)計(jì)階段引入了新的設(shè)計(jì)方法，即實(shí)體建模后先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，確認(rèn)行程及空間尺寸，然后有限元分析和動(dòng)態(tài)仿真，不僅分析機(jī)床靜態(tài)特性還分析機(jī)床動(dòng)態(tài)特性，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)床結(jié)構(gòu)：床身采用整體式床身，滑鞍左右移動(dòng)形成X 軸，主軸箱在滑鞍上下移動(dòng)形成Z 軸，刀塔箱固定于底座上。由于采用整體式床身，機(jī)床剛性非常好，機(jī)床主軸既是進(jìn)給軸，又是物流軸和手爪，物流和機(jī)床合二為一，大大提高了節(jié)拍效率，減少了物流成本，節(jié)約了物流空間。

圖2 倒立車整體結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)時(shí)遇到一個(gè)難題即主軸箱重量平衡，主軸箱整體重量為1550kg，Z 軸上下移動(dòng)時(shí)慣量很大，設(shè)計(jì)時(shí)考慮三種方案，即主軸箱不平衡、液壓缸平衡和氮?dú)飧灼胶猓覀兺ㄟ^(guò)多個(gè)維度對(duì)比分析，最終我們采用了方案三，即氮?dú)馄胶飧追桨?，?duì)比分析如表1 所示，表中5 為最高分，1 為最低分。

圖3 倒立車機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖

5.2 主軸單元

主軸采用同步電主軸技術(shù)，主軸接口為A2-11 接口主軸，采用26kW 同步電機(jī)，最大扭矩可以達(dá)到1000Nm，由于采用同步電主軸技術(shù)，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到3000rpm，主軸軸承結(jié)構(gòu)采用前四后一結(jié)構(gòu)，前面配置一對(duì)圓柱滾子軸承和一對(duì)推力角接觸球軸承，后面配置一個(gè)單列圓柱滾子軸承，為了進(jìn)一步優(yōu)化主軸結(jié)構(gòu)，主軸平衡采用氮?dú)飧走M(jìn)行平衡，結(jié)構(gòu)緊湊。主軸冷卻采用水冷機(jī)強(qiáng)制冷卻，保證主軸電機(jī)發(fā)熱減少到最小，主軸變形得到很好的控制，同時(shí)還對(duì)前部軸承進(jìn)行冷卻，保證軸承溫度適宜，提高了主軸精度和軸承的壽命。為了提高主軸動(dòng)態(tài)精度，主軸單元采用雙面動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)，前面和后面兩個(gè)部分分別進(jìn)行動(dòng)平衡。主軸單元有兩種配置，帶C 軸和不帶C 軸，帶C 軸可以實(shí)現(xiàn)X、Z 和C 軸三軸聯(lián)動(dòng)加工，加工一些較復(fù)雜的形狀，配合抱閘可以實(shí)現(xiàn)銑削功能，進(jìn)一步拓展應(yīng)用。圖4 為主軸單元的結(jié)構(gòu)圖。

表1 主軸箱三種平衡方案評(píng)價(jià)

圖4 主軸單元結(jié)構(gòu)圖

圖5 刀塔單元結(jié)構(gòu)圖

5.3 刀塔單元

刀塔單元采用最新的BMT75 結(jié)構(gòu)伺服刀塔，定位端齒盤采用三片式圓弧齒結(jié)構(gòu)，能夠保證有較高的定位精度及剛性。刀塔單元采用模塊化設(shè)計(jì)，有動(dòng)力刀塔和普通刀塔兩種配置，兩種配置通用80%零件，可以根據(jù)客戶需求配置動(dòng)力刀塔配置，為了節(jié)省空間，刀盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用減速機(jī)結(jié)構(gòu)，減速比可以達(dá)到1：60，刀對(duì)刀換刀時(shí)間可以達(dá)到0.25s，銑軸電機(jī)采用同步伺服電機(jī)，同步帶傳動(dòng)，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到4000rpm，銑軸最大扭矩可以達(dá)到120Nm，銑軸采用新型結(jié)構(gòu)，沒有傘齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高。圖5 為刀塔單元刀盤的結(jié)構(gòu)圖。

5.4 進(jìn)給軸單元

X 軸和Z 軸采用伺服電機(jī)直驅(qū)結(jié)構(gòu)，高精度滾珠絲杠傳遞動(dòng)力，X 軸最大快移速度可以達(dá)到40m/min，Z 軸快移速度可以達(dá)到30m/min。X 軸和Z 軸采用55 規(guī)格的高精度滾柱導(dǎo)軌，使得機(jī)床剛性進(jìn)一步得到保證。

5.5 物流系統(tǒng)

機(jī)床內(nèi)置物流系統(tǒng)，可匹配機(jī)內(nèi)檢測(cè)裝置及實(shí)時(shí)在線刀具補(bǔ)償功能，可完全實(shí)現(xiàn)零件自動(dòng)化的高精度生產(chǎn)。可以單臺(tái)機(jī)床實(shí)現(xiàn)一套物流系統(tǒng)，也可以和幾臺(tái)機(jī)床組線形成一整套物流系統(tǒng)，方便靈活。

5.6 其他單元

機(jī)床采用綠色環(huán)保設(shè)計(jì)理念。機(jī)床的潤(rùn)滑采用污染小且便于回收的油脂作為主要的潤(rùn)滑介質(zhì)；并可根據(jù)用戶的需求，選用變頻液壓站實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。

5.7 選項(xiàng)單元

由于倒立車基本都是自動(dòng)化單元，因此自動(dòng)化相關(guān)選項(xiàng)設(shè)計(jì)必不可少，典型的自動(dòng)化選項(xiàng)有：

①卡盤開閉檢測(cè)及確認(rèn)：油缸后端裝有兩個(gè)接近開關(guān)，一個(gè)檢測(cè)卡盤松開，一個(gè)檢測(cè)卡盤夾緊工件，主要確認(rèn)夾緊工件是否異常及給料道提供相應(yīng)的信號(hào)。②工件定位檢測(cè)及確認(rèn)：卡盤定位面三個(gè)小孔通三路氣，當(dāng)正確夾緊工件時(shí)，工件定位面貼合夾緊定位面，壓差在設(shè)定范圍內(nèi)，當(dāng)工件沒有貼合夾緊定位面時(shí)，壓差超出設(shè)定范圍，系統(tǒng)異常報(bào)警，檢測(cè)工件是否正確夾持。③姊妹刀功能：自動(dòng)化加工時(shí)刀具磨損不可避免，更換刀片時(shí)需要停機(jī)，影響加工產(chǎn)量，可以設(shè)置姊妹刀功能，即配置兩把相同的刀具設(shè)為姊妹刀，設(shè)定加工數(shù)量，一把刀具到達(dá)加工數(shù)量后視為磨損不能使用，自動(dòng)更換為姊妹刀進(jìn)行加工，減少停機(jī)次數(shù)。④刀具磨損補(bǔ)償和破損報(bào)警：刀具磨損和破損直接影響零件的加工質(zhì)量，會(huì)引起零件批量報(bào)廢，通過(guò)設(shè)置刀具加工工件數(shù)量自動(dòng)補(bǔ)償?shù)毒吣p，通過(guò)檢測(cè)加工電流值和正常值大小比較判斷刀具是否破損，破損后報(bào)警提示。⑤卡盤高低壓轉(zhuǎn)換：特殊零件粗加工時(shí)需要卡盤高壓夾緊，精加工時(shí)需要低壓夾緊防止夾緊變形，可以通過(guò)液壓回路自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，機(jī)床不停機(jī)實(shí)現(xiàn)通過(guò)M代碼實(shí)現(xiàn)高低壓轉(zhuǎn)換。

6 整體結(jié)構(gòu)調(diào)試

6.1 調(diào)試方案

倒立車兩臺(tái)樣機(jī)試造出來(lái)后，進(jìn)行了機(jī)床調(diào)試和評(píng)價(jià)。調(diào)試和評(píng)價(jià)分為兩個(gè)大部分：

①機(jī)床精度檢驗(yàn)：檢測(cè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用數(shù)控車床和車削中心檢 驗(yàn) 條 件 ISO13041.3-2009、ISO13041.4-2004 和 ISO13041.6-2009。按照這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)我們對(duì)倒立車各項(xiàng)精度進(jìn)行了檢測(cè)，都能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的各項(xiàng)精度，滿足機(jī)床出廠條件。圖6 為VD7000 樣機(jī)光機(jī)和整機(jī)試制照片。②機(jī)床試切驗(yàn)證：按照我們自己的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了切削能力測(cè)試，測(cè)試包括批量加工驗(yàn)證及極限性能驗(yàn)證，滿足我們制定的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，圖7 為批量加工測(cè)試結(jié)果。

圖6 試制VD7000 樣機(jī)圖

圖7 批量加工測(cè)試結(jié)果圖

6.2 技術(shù)深化

由于第一次設(shè)計(jì)和制造倒立車，缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題點(diǎn)，需要后期改造和優(yōu)化：

①立式車床配置中實(shí)油缸，剛開始按照臥式車床設(shè)計(jì)了中空油缸，試制時(shí)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，查找油缸樣本確認(rèn)中空油缸無(wú)法配置立車車床，試制后進(jìn)行了整改。②防護(hù)積屑，防護(hù)我們單獨(dú)設(shè)計(jì)了管路和泵進(jìn)行沖屑，但是試制時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵屑沒有被沖掉，鑄件上堆積較多鐵屑，主要我們選擇的泵流量較小壓力不夠，后期更換大流量泵效果明顯得到改善。③熱補(bǔ)償功能的開發(fā)，試制過(guò)程進(jìn)行批量加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果不進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)直接批量加工，加工尺寸半小時(shí)內(nèi)存在波動(dòng)，停機(jī)1 小時(shí)再加工尺寸也存在波動(dòng)，考慮到自動(dòng)化加工，后期需要開發(fā)機(jī)床熱補(bǔ)償功能解決開機(jī)及停機(jī)尺寸波動(dòng)問(wèn)題。④防碰撞功能的開發(fā)，機(jī)床在試切削過(guò)程中由于操作不當(dāng)發(fā)生了撞擊，造成了主軸精度的損壞，更換維修成本比較高，考慮到如果客戶出現(xiàn)此問(wèn)題損失就非常大，后期有必要開發(fā)防碰撞功能，進(jìn)一步降低客戶的后期使用成本。⑤防干涉功能的開發(fā)，機(jī)型越來(lái)越復(fù)雜，給機(jī)床操作帶了比較大難度，不屬于機(jī)床或者疏忽可能會(huì)在手動(dòng)操作機(jī)床時(shí)發(fā)生碰撞，如果根據(jù)機(jī)床干涉區(qū)、刀具和夾具設(shè)置干涉點(diǎn)提醒操作者會(huì)避免此類事故，也是后期需要開發(fā)完善的功能。

7 結(jié)論

通過(guò)VD7000 倒立車的成功研發(fā)、設(shè)計(jì)和樣機(jī)試制，達(dá)到了設(shè)計(jì)方案提出的各項(xiàng)目標(biāo)，初步建立了倒立車床的設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)制造體系，為我們后期開發(fā)倒立車系列化產(chǎn)品積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善了我們車床產(chǎn)品線，拓展了一種新的加工方式，滿足一些盤類零件的高效加工。后期需要進(jìn)一步產(chǎn)品優(yōu)化升級(jí)，客戶處批量長(zhǎng)期驗(yàn)證其可靠性。