平臺化開發(fā)技術在臥式五軸加工中心產(chǎn)品設計中的應用

侯延星

（科德數(shù)控股份有限公司沈陽分公司，沈陽 110046）

0 引言

機床產(chǎn)品的開發(fā)設計是一個在多項需求和約束中突出重點、尋找平衡的過程。本文提出的平臺化機床產(chǎn)品開發(fā)理念是基于產(chǎn)品模塊化的基礎理論。構(gòu)建一個大的機床產(chǎn)品開發(fā)平臺，在平臺上通過配置不同屬性的功能部件組合，并有效集成各類標準件和通用化零件，實現(xiàn)機床產(chǎn)品面向不同行業(yè)、不同典型客戶群需求的不同類機床產(chǎn)品的開發(fā)和快速迭代的過程。

1 產(chǎn)品平臺的搭建及具體設計實現(xiàn)

1）建立基礎通用件數(shù)據(jù)庫。根據(jù)產(chǎn)品設計參數(shù)初步確定模型數(shù)據(jù)匹配關系，修調(diào)技術參數(shù)。建立基礎通用件模型數(shù)據(jù)庫，機床核心基礎件[1]包括床身、立柱、滑鞍、工作臺滑座、主軸箱體、電動機座等，實際設計中，同規(guī)格或行程相近產(chǎn)品歸為一個設計開發(fā)平臺。

2）建立核心功能部件模型數(shù)據(jù)庫。主要包括直驅(qū)單軸轉(zhuǎn)臺單元模塊、直驅(qū)單擺頭單元模塊、立臥轉(zhuǎn)換頭單元模塊、單驅(qū)軸搖籃工作臺單元模塊、雙驅(qū)軸搖籃工作臺單元模塊、雙叉直驅(qū)擺頭單元模塊，并對功能相近的功能單元提供標準機械接口，通過模塊化、標準化來減少規(guī)格。同時兼顧各種電、液、氣的準標準接口，遵循上述單元模塊的標準化、系列化、模塊化的設計原則。

圖1 基礎通用件庫

圖2 核心功能部件庫

3）平臺化產(chǎn)品總體設計表的制定。如圖3所示，通過平臺化產(chǎn)品總體設計表的制定，闡明平臺化產(chǎn)品不同系列、不同規(guī)格產(chǎn)品間開發(fā)過程中總體基礎通用件及核心功能部件、標準化零件之間的借用和通用邏輯關系。并根據(jù)這個表格的配比關系進行實際分解，完成核心功能部件的模塊化設計，實現(xiàn)標準化模塊的通用性開發(fā)。

圖3 平臺化產(chǎn)品總體設計表

2 平臺化產(chǎn)品的主體部分構(gòu)成

單一平臺產(chǎn)品的主體部分主要是五軸臥式加工中的三直線軸部分，單一平臺上不同系列產(chǎn)品基礎大件完全通用，導軌絲杠、電動機座等標準件完全通用。如圖4所示，單一平臺產(chǎn)品的主體部分構(gòu)成中，左右動大滑板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)X軸運動，上下動主軸箱（采用雙驅(qū)動，無配重）實現(xiàn)Y軸運動，前后動工作臺實現(xiàn)Z 軸進給運動。

圖4 單一平臺產(chǎn)品的主體部分結(jié)構(gòu)圖

如圖5所示，2、4、5標注的為三直線軸雙絲杠驅(qū)動的位置。1、3、6標注的X、Y、Z 軸導軌的安裝位置。機床的X、Y、Z等3個直線進給軸坐標均采用高精度的滾珠絲杠雙驅(qū)設置、高剛度的圓柱滾子直線導軌，利于直線軸實現(xiàn)高動態(tài)運動。全系列配備高精度等級光柵尺全閉環(huán)控制。

圖5 直線進給機構(gòu)單元

如圖6所示，床身底座是整機的安裝基礎，必須具有足夠的剛度，確保其上運動的各移動部件獲得高的運動精度和支撐剛度。

圖6 床身底座部分構(gòu)成

如圖7所示，立柱部分采用墻式結(jié)構(gòu)，與床身高剛度結(jié)合形成L型結(jié)構(gòu)，大大增強了主機固定部分整體剛度，X軸采用滑板結(jié)構(gòu)，采用高剛度三導軌掛壁支撐技術，機床設計過程中采用有限元輕量化設計。

圖7 立柱墻體及滑板部分構(gòu)成

立柱作為重要的支撐部件之一，采用L型封閉框架式結(jié)構(gòu)，結(jié)合應用有限元分析優(yōu)化，外形設計成上窄下寬的形式，以降低其重心；在其立柱腔內(nèi)部合理布置結(jié)構(gòu)加強筋板，獲得足夠的靜態(tài)剛度，X向整個移動部分的重心垂直面投影都保持在立柱的中心區(qū)域內(nèi)，保證X向移動部件的高效和高精度運動平穩(wěn)性要求，滑板作為機床Y向移動部分的導向，采用雙絲杠驅(qū)動，無配重，保證直線軸快速、高精度、高運動平穩(wěn)性。

3 平臺化產(chǎn)品核心功能部件部分

如圖8所示，本文所述的機床功能部件動力單元主要采用力矩電動機直驅(qū)技術替代傳統(tǒng)的齒輪+伺服電動機傳動、蝸輪蝸桿+伺服電動機傳動等機械結(jié)構(gòu)。有利于提高系統(tǒng)的動態(tài)響應能力，無反向間隙，無傳動機械磨損等優(yōu)勢，定位準確，承載能力中等。

圖8 回轉(zhuǎn)工作臺部分

如圖9所示，擺頭主要包括單擺頭A軸頭、立臥轉(zhuǎn)換頭，帶車功能單擺頭。各種擺頭均采用力矩電動機直驅(qū)，旋轉(zhuǎn)軸位置反饋均采用絕對測量系統(tǒng)閉環(huán)控制。

圖9 主軸頭部分

科德GNC6X系列國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（04專項標志性成果之一）是自主知識產(chǎn)權(quán)，其特點為：1）高速信息交互GLNK光纖運動控制現(xiàn)場總線。2）精密的位置/角度感知，傳感細分技術。通過獨特的激光干涉全閉環(huán)控制技術，對來自直線/角度傳感器的信息進行細分處理，實現(xiàn)機床的精密控制保證技術。3）精準的高頻控制調(diào)度GRTK實時內(nèi)核。支持多核CPU，運動控制運算、邏輯控制運算、人機交互更高效，實現(xiàn)高頻控制。

4 產(chǎn)品平臺化開發(fā)的實例

如圖10所示，臥式五軸UT 系列產(chǎn)品特別適合航空發(fā)動機機匣類典型零件加工的用戶需求。主機結(jié)構(gòu)完全借用平臺總體布局。不同配置為：單擺頭結(jié)構(gòu)實現(xiàn)A軸運動，主軸為車削主軸，直驅(qū)轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)B軸運動，B軸帶有車削功能。A/B軸均采用力矩電動機直驅(qū)技術。

圖10 臥式五軸UT系列基型產(chǎn)品

如圖11所示，臥式五軸UD系列特別適合箱體類典型零件加工為主的典型用戶需求。產(chǎn)品主機結(jié)構(gòu)完全借用平臺通用總體布局。不同配置為：主軸單元配置大轉(zhuǎn)矩電主軸，工作臺上配置搖籃轉(zhuǎn)臺以實現(xiàn)A/B軸功能。

圖11 臥式五軸UD系列基型產(chǎn)品

5 產(chǎn)品平臺化的優(yōu)勢

1）提高工作效率。通過產(chǎn)品模塊標準化、通用化的設計，實現(xiàn)模塊化[2]單元和共性技術的重用過程，降低設計風險，提高產(chǎn)品的可靠性和設計質(zhì)量，降低設計成本。

2）采用平臺化、標準化模塊研發(fā)系列產(chǎn)品，能夠縮短產(chǎn)品采購周期、物流周期及生產(chǎn)制造周期，降低產(chǎn)品的采購成本、物流成本、制造成本和日后的產(chǎn)品售后服務成本。

3）采用平臺化產(chǎn)品開發(fā)模式[3]，有利于產(chǎn)品的快速多次迭代。不斷升級產(chǎn)品模塊功能屬性，提高產(chǎn)品的整體性能和可靠性。

6 結(jié)語

基于產(chǎn)品的平臺化研發(fā)，有利于企業(yè)研發(fā)團隊加強產(chǎn)品的標準化、規(guī)范化工作，滿足企業(yè)批量化生產(chǎn)的需求，實現(xiàn)企業(yè)分工的細化，提升企業(yè)管理水平，降低生產(chǎn)制造組織難度，打造標準化作業(yè)基礎。