卧式车削中心结构的研究
1.引言
卧式车削中心是在普通数控车床上发展起来，具有车、铣、钻、攻丝等复合加工能力的高端产品。该种产品能够一次装夹完成工件的全部加工工序或大部分加工工序，减少工序间的工件搬运，避免工件不同加工设备上的反复装夹，实现工件的高精度、高效率加工，广泛应用于汽车、医疗、航空航天等行业精密复杂零件的加工。
除了一般数控车床的结构特点外，车削中心还应具备以下特征：
具有C轴功能。C轴是绕车床主轴轴线的伺服轴，该功能使机床实现绕主轴轴线的连续分度和任意点的定位锁紧，和其他伺服轴进行联动、配合动力刀具可以实现特定型面的加工；
具有动力刀具。车削中心要实现铣、钻、攻丝等加工，除了配置内外圆车削刀具外，还要配置可自驱动的铣刀、钻头、丝锥等刀具，达到工序集中的目的。
本文仅对刀架型的车削中心产品进行讨论，不涉及排刀型车削中心。
2.车削中心结构分析
2.1 C轴
C轴传动结构
C轴的回转驱动通常有主轴伺服电机通过带传动、进给伺服电机通过减速箱、电主轴直接驱动三种实现方式。
主轴伺服电机通过带传动驱动方式：主轴驱动和C轴驱动共用一套传动装置。由于V带（机床中常用）传动中滑移的存在，以及带传动所必须的张紧力对主轴有较大的附加力，因此V带在此时很少用到。C轴驱动中经常使用的是同步齿形带，靠齿形啮合传动，有准确的传动比和很小的初张紧力，并且允许较高的转速，传动的精度和效率较高。
进给伺服电机通过减速箱驱动：此种方式下，C轴驱动和主轴传动为两套传动装置。C轴驱动电机为进给伺服电机，通过减速箱驱动主轴低速旋转，而车削主轴则由主轴伺服电机驱动主轴高速运转。因此主轴部件需要有一套装置实现车削主轴和C轴驱动的切换，使C轴的传动系统与主轴脱离。C轴驱动时通过减速箱实现较大的传动比，输出转速低，扭矩大。主轴驱动可以实现高的转速满足车削时的速度需求。
电主轴直接驱动：驱动电机转子直接套装在主轴上实现C轴驱动。主轴惯性矩大，传动链短，结构简单。
以上三种C轴实现方式：带传动因转速和传动比的原因，其输出转速和扭矩受到限制；伺服电机通过减速箱驱动的方式能够实现较大的扭矩，但是由于齿轮传动间隙的存在，实现高精度的C轴制造成本很高；电主轴直接驱动的方式由于没有中间传递环节的存在，而且电主轴本身转动惯量大，其动态性能优异，目前受限于电机的输出扭矩较低。从长远来看，电主轴直接驱动方式前景广阔。
实践中C轴主要考量其精度和稳定性。
保证C轴的精度主要通过以下措施：①选择适当的角度编码器实现位置反馈，构成闭环控制。角度编码器的精度根据设计精度目标进行选择，其机械允许转速、电气允许转速与设备匹配；并且按照要求进行安装。②保证C轴驱动结构的精度，减少其传动结构中的传动间隙。传动间隙不仅影响C轴精度，而且在切削过程中会导致振动的产生，对零件加工质量产生不利影响。对于没有Y轴的车削中心，在其加工平面时，通过C轴正反向旋转与X轴进给多次插补形成加工面，加工过程中极易产生振动，传动间隙的控制尤为重要。电主轴直接驱动由于没有了中间传递环节，几乎没有传动间隙，在此方面优势明显。
C轴的稳定性主要是指主轴系统在切削中的抗振性。为增加其稳定性，工程实践中的做法有：增加主轴系统的惯量比，即选用大转动惯量主电机或减少被驱动件的转动惯量，减少工件对主轴系统质量特性的影响；增加主轴系统阻尼，以吸收振动源的能量等。由于机床振动问题比较复杂，在此不作详细讨论。
C轴锁紧机构
锁紧机构的结构形式有多种，基本原理都是通过施加轴向或径向的摩擦力来实现。可以选用成型的产品，也可以自行设计。选用时根据应用场合、使用要求进行，注意夹紧点均布，减少附加力的产生。
自行设计的锁紧机构，一般以整个摩擦片两侧整圆周抱紧，受力比较均匀，可以通过调整夹紧力作为主轴系统阻尼使用。而成型的产品通过局部夹紧实现锁紧，通常不能用作阻尼。
2.2 动力刀架
动力刀架即刀架中具有驱动装置、能够为刀位上刀具旋转提供动力的刀架，是车削中心的核心部件。
最初的动力刀架由电动刀架或液压刀架上增加动力驱动模块组成，这种动力刀架转位由刀架内置的电机实现，动力驱动模块电机独立，其转位速度较慢，目前仅用于低端的车削中心上。
随着伺服刀架的出现，出现了由伺服刀架本体搭载动力驱动模块的动力刀架，刀架转位和动力驱动分别由伺服电机驱动，即所谓的双伺服动力刀架（图1左）。
刀架技术的进一步发展，出现了单伺服动力刀架（图1右），刀架转位和刀具旋转由同一个伺服电机提供动力，结构更加紧凑。
以上三种动力刀架，电动刀架或液压刀架搭载动力驱动模块的方案最为经济，可以适应一般车削中心的加工要求，由于其刀架本体性能的限制，随着用户要求的提高，这种方案最终会被其他方案替代。而单伺服刀架因其结构紧凑性能优越而备受用户青睐，其价格也最为昂贵，多用于一些高端的车削中心产品上。
为了进一步提升刀架的性能，一些机床制造商将直驱技术应用到动力刀架上。如Mori Seiki（森精机）的built-in motor turret（见图）。使用内装电主轴直接驱动旋转刀具，取消了伺服刀架动力驱动结构中齿轮、皮带等中间传递环节，刀架结构简化，减少了振动和热的产生，动力刀具的转速和扭矩进一步提高，动力刀架的性能得以提升。
为适应车削中心的发展要求，刀架厂商推出了功能集成的刀架产品，如带Y轴的动力刀架（见图3）、带B轴的动力刀架（见图4）等。带Y轴的动力刀架，搭载单伺服动力刀架，配置导轨丝杠，能够实现一个直线轴的运动，增加了刀架的平面加工能力；带B轴的动力刀架，将转台与动力刀架结合起来，可以实现刀架在一定范围内的摆动，使刀架可以实现更多角度的平面及孔的加工，减少了机床的刀具配置。这些功能集成的刀架产品直接安装在主机上即可实现对应的功能，客观上简化了主机结构，有助于扩展机床加工范围。
3. Y轴的功能实现
为了提高车削中心的平面加工能力，出现了带Y轴的车削中心。所谓Y轴，即机床XOZ平面法向方向的运动轴。具有Y轴，就具有了在XOZ垂直面内的运动能力，刀具可以在Y轴实现进给，车削中心的加工范围扩大。
不带Y轴的车削中心，加工平面时只能沿X轴方向进给，当被加工平面宽度L大于刀具直径Dr时，单靠X轴方向的进给无法完成平面的加工，只能由C轴和X轴插补的方式分段逼近来实现，所形成的平面并非真正平面，而是曲率半径很大的曲面，存在系统误差。为了提高加工表面质量，采用小直径铣刀切削、多次插补逼近，必然导致加工效率的低下。因此不带Y轴的车削中心其平面加工能力受到限制。
车削中心Y轴功能实现，一般说来有两种方式：虚拟Y轴和直接Y轴。
虚拟Y轴的原理如图6左所示，Y轴通过X1轴和X2轴插补形成，其坐标值通过X1、X2与角度α进行换算。直接Y轴则在XOZ平面的法向上设置进给轴、单伺服电机驱动实现。图5所示是两种不同Y轴实现形式的车削中心，左图为哈挺GS MSY系列，其Y轴为虚拟Y轴，右为沈阳机床HTC3285T2Y2，Y轴为直接Y轴，Y轴滑板安装在X轴滑板之上。两种结构各有优缺点：虚拟Y轴运动由两轴插补形成，Y轴行程较短；床鞍的倾斜角度一般在75°以内，其刀架坐落在滑板之内。直接Y轴由电机直接驱动，Y轴行程较大；直接Y轴的刀架悬伸在Y轴滑板之外，当机床用于重切削时要充分考虑Y轴滑板的刚性。