卧式铣镗加工中心数控技术
一、概述
卧式铣镗加工中心体现了国产数控机床快速发展，标志着我国数控机床在数控技术上的新突破。产品有小规格300mm工作台到大规格2500mm工作台，有单工作台到双交换工作;有普通型到精密、高速型加中心等等。此次把卧式铣镗加工中心作为论述的重点，是由于这类产品在我国生产制造已经有几十年的历史，其制造数控技术比较成熟，一般生产机床工作台规格都在2000mm以下。上个世纪八十年代开始，由最初国内几家企业到如今制造该产品的企业达几十家，产品技术水平也有了质的飞跃。但在几十余年的发展历程中，该产品虽然在技术性能、精度、主轴转速及坐标移动速度等方面不断突破，而在产品规格上最大也只是2000mm工作台。大规格、重大形式卧式铣镗加工中心近几年才开发出来。如今，2500mm或以上规格工作台、带交换工作台站的重大型卧式加工中心，开创了该类产品历史先河，为我国航空、航天、军工、电力、船舶、工程机械和其它机械制造业行业提供了大型关键设备。
二、卧式铣镗加工中心总体布局的结构特点与数控技术分析
本分析只对传统上刨台式及十字滑台式卧式加工中心进分析，不包括落地式及五轴加工中心。
卧式加工中心产品的总体布局有立柱固定式和移动式结构;主轴箱有正挂箱和侧挂箱;主轴形式有固定式和移动式，移动式主轴有镗杆式、滑枕式、平旋盘式等多种结构。
1. 立柱固定式结构
采用立柱固定式结构的机床，其机床布局不外乎有这么几种形式:
1)立柱固定在床身上，工作台沿X向、Z向作十字运动，主轴箱沿Y向上下运动。主轴箱可以是正挂箱、侧挂箱两种形式。此类机床适用于中型复杂零件的镗、铣等多工序加工。
2)固定式框架立柱结构，主轴箱沿X、Y向作十字运动，工作台沿Y向运动。此类机床适用于中小型零件的镗、铣等多种工序加工。
3)立柱固定在床身上，主轴箱侧挂在立柱上，主轴箱沿Y、Z向作运动，工作台沿X向运动。此类机床适用于中型零件镗、铣等多工序加工。
2. 立柱移动式结构
立柱移动式机床特点是整体床身大多呈T字型布局，它包括这么几种结构形式:
1)床身呈T字布局刨台式结构，立柱在纵床身上沿Z向运动，工作台在横床身上沿X向运动。主轴箱在立柱上有正挂箱、侧挂箱两种形式，沿Y向运动。这类机床适用于中、大型零件，特别是长度较大零件的镗、铣等多工序加工。
2)床身呈倒T字形布局结构，立柱在横床身上作X向运动，工作台在纵床身上作Z向运动。主轴箱在立柱上有正挂箱、侧挂箱两种形式，沿Y向运动。这类机床适用于中、大型零件的镗、铣等多工序加工。
3)床身呈倒十字形布局结构，立柱沿X、Z向十字运动，主轴箱在立柱上作Y向运动，工作台固定在前床身上。这种机床可适用于中、小型复杂零件的镗、铣等多工序加工。
目前，国内外卧式加工中心机床布局大多采用T字形结构，这种结构的机床技术比较成熟。从上述结构布局分析可以看出，一般中、小型机床采用倒T字型结构。这种结构机床可配备多个工作台实现快速交换。运动部件也可高速移动，并能高速切削加工，提高工作效率。而T字形刨台式结构适用于大、重型机床，可配备双工作台交换加工，机床工作的同时可以在待加工区进行工件的装夹，提高机床加工效率。这种结构布局可作为柔性单元，搭配自动线构成柔性制造系统。
3. 主轴箱正挂箱结构分析
主轴箱为正挂箱即是主轴箱体在龙门框架式热对称立柱中央沿立柱导轨上下移动。由于是正挂箱结构，主轴处于箱体的对称中心部位，机床运转所产生箱体温升变形对主轴轴线位移影响较小。因此，主轴箱为正挂箱的机床更容易保证零件加工精度。而主轴箱体装在龙门框架立柱内部，其装配工艺复杂，必须有特殊工艺、工装才保证主轴箱与龙门式立柱的装配。这种结构的机床提高了工艺制造成本。
4. 主轴箱侧挂箱结构分析
侧挂箱则是主轴箱侧挂于立柱外侧沿立柱导轨上下移动。立柱一般都是采用封闭式矩形箱型结构，其抗弯、抗扭、抗变形能力较强。由于主轴箱挂于立柱侧面，机床运转所产生箱体温升或受其他热覆射使箱体变形而使主轴轴线产生偏移，影响工件的加工精度。这种结构机床可承受较大的切削力，且装配较正挂箱相对容易简单。
加工中心是一种高精度机械加工设备，以提高零件加工精度为前题。因此，国内外企业的卧式加工中心大多数采用正挂箱结构。
5. 主轴部件分析
1) 固定式主轴结构:
● 机械主轴:当今一般都采用结构紧凑集成主轴组结构，通过独立伺服电机驱动，经齿轮有级传动带动主轴旋转。由于采用齿轮降速传动，主轴变速范围大，可实现大扭矩、重切削加工要求。另外还有采用齿型带同步传动结构，可实现主轴无级调速。无论采用哪种传动的主轴结构，主轴轴径头部位置与箱体间存在有间隙。一般在箱体或主轴法兰蓝盘设计成迷宫式结构，并以气幕加以保护，避免切削液和粉尘等渗入，以保证主轴的精度和使用寿命。
● 电主轴:这种主轴通常采用内藏式电机主轴单元结构，以零传动的方式实现主轴高速旋转。主轴内部装有编码器，通过伺服装置对主轴运转进行控制，可完成主轴准停、急停等功能。由于是电机直接驱动无传动链，可使主轴达几万转或更高转速，并可减少机床的噪声、发热、振动和功率损失。一般适用于切削力小、薄壁、复杂曲面、精密零件的加工。
2)移动式主轴结构:
移动式主轴结构一般用在中、大型机床上。它克服了固定式主轴接长刀杆加工易使刀杆变形而带来的弊端，通常用以较深孔的镗削或平面铣削加工。镗杆或滑枕伸出时会产生挠度误差，而影响工件加工质量，因此，对于采用移动式主轴的机床这是一个比较关键项目。国内外企业对此不断进行深入研究，采用新材料，改进设计、工艺，采用主轴集成技术等方法提高移动部件的刚性，利用控制及补偿技术修正移动误差来保证加工精度。
● 镗杆式移动主轴:这种主轴结构可以由独立伺服电机驱动滚珠丝杠拖动镗轴移动，镗轴移动位置由位置控制器监控。它作为机床一个坐标轴可自行或参与机床坐标联动加工。通常定义该轴为W轴。另外还有由液压系统作为动力，液压油缸为执行元件拖动镗轴移动。这种结构镗轴的移动过程没有位置监控，不能成为机床的坐标轴。
● 滑枕式移动主轴:这种主轴结构可以进行滑枕大行程对工件加工，比镗杆移动式结构达到更深的孔或面的加工。这是由于在滑枕移出的基础上主轴在滑枕内继续移出，总行程一般可达1000mm以上。由于滑枕截面是矩形结构，滑枕行程移动的间隙类似于机床矩形导轨其间隙可调，保证了滑枕运动中的高刚性和可重复性。因此，它的导向性能和移动精度优于纯镗杆移动式主轴结构。
● 平旋盘式主轴:平旋盘可分为固定式和可拆式两种。固定式平旋盘是安装在机床上不可拆卸的，而可拆式平旋盘拆卸与否可根据加工的需要来确定。平旋盘旋转运动是由主电机经齿轮传动完成主切削运动;平旋盘滑块的径向进给移动是由伺服电机驱动，经齿轮行星机构传递完成。平旋盘还可以带有两个滑块同向或反向沿径向移动，实现进给加工。这种平旋盘结构与普通机床上的平旋盘不同，平旋盘滑块的进给是由伺服电机控制完成，称为U轴。平旋盘径向滑块上带有刀具自动夹紧装置，可实现刀具的自动交换，故称其为数控平旋盘。可实现复杂零件回转面及沟槽的车镗加工。
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