一体化数控机床结构设计及研发模式研究*

余 新 ，蒋 强

（江苏省宜兴中等专业学校，江苏 无锡 214206）

数控机床按功能差异可分为铣床、磨床、钻床、车床等，一体化机床是在一台设备上集成多种功能，其优点为性价比高、可完成复杂的工件加工任务，因而成为推进现代机床实现技术创新的重要方向。但多元化的功能增加了设计难度，探究其结构设计和研发模式有利于促进数控机床的可持续发展，同时降低研发成本，提高研发效率。

1 一体化数控机床结构设计要点

1.1 一体化机床整体设计方案

机床整体结构。以铣钻攻一体化机床为研究对象，整体结构包括机架、工作台、主轴、运动轴、夹具以及直排式刀库[1]。工作模式为三轴联动，运动轴分X、Y、Z三个方向，布局方式为直角堆叠式。机床的整体尺寸受X轴行程的影响。电机为各个运动轴以及主轴提供动力，其电机带有位置编码功能。该机床的主要设计参数如表1所示。

表1 铣钻攻一体化机床主要设计参数

1.2 关键部件选型

1.2.1 机床滚珠丝杠选型

机床的X、Y、Z轴均采用直线运动方式，以滚珠丝杠实现运动轴的直线运动过程控制，相比于齿轮齿条控制模式，滚珠丝杠具有多种优点，包括精度高、转矩强、推力大、不易卡顿等。因此，为机床的三个运动轴均配置了滚珠丝杠，在选型过程中必须关注其定位精度、负载能力以及重复定位精度[2]。以X运动轴的滚珠丝杠选型为例，具体实施步骤如下。

1）确定安装方式和基本参数。根据机床X轴的运动特点，丝杠应采取水平安装，支撑方式为固定—支承形式。定位精度不得低于25 μm，重复定位精度不得低于15 μm。滚珠丝杠的传动比设计为1，最大加速度可达到5 m/s2。丝杠的最大转速设计为3 000 r/min。动、静摩擦系数分别为0.05、0.1。

2）运动参数计算与校核。在丝杠选型过程中，需要经过严密的计算确定各类关键设计参数，如额定动载荷、导程、精度等。以下介绍部分参数的计算方法。

①最小导程计算方法：

式中，Vmax表示X轴的最大移动速度，单位转换为mm/min，将滚珠丝杠的最高转速记为nmax，将丝杠的导程记为ph（mm）。按照该方法，X、Y、Z轴的最小导程计算结果均为10 mm。

②临界转速计算方法：

当丝杠的转速提升至一定程度时，有可能产生共振效应，严重影响一体化数控机床的稳定性和加工精度。因而在设计过程中，必须将丝杠的转速限制在可引起共振的临界转速以下，从而将其转速调节区间限制在安全范围以内，该临界转速的计算方法为：

式中，将丝杠的弹性模量记为E，其截面惯性矩记为I，λ1是表征安装间距的系数，丝杠达到临界转速时的计算间距记为lcr，S和ρ分别为丝杠的横截面积、密度。将各个参数的实际值代入公式，计算出Ncr=7 121 r/min。设计方案中将丝杠最大转速限制为3 000 r/min。

③临界压缩载荷计算方法：

由于滚珠丝杠采用一端固定、另一端支承的支撑方式，在工程实践中应该对其进行压杠稳定校核。临界压缩载荷为滚珠丝杠不失稳的最大压缩负荷，计算方法为：

式中，Fmax为丝杠承受的最大作用力，ls为行程长度，K1为滚珠丝杠不同安装方式对应的设计安全系数，对于固定—支承形式，该系数的取值为2，d2表示丝杠的底部直径。

1.2.2 机床伺服电机选型

电动机选型中需要计算的性能参数为空载时的驱动力矩、空载匀速驱动力矩、电动机最大转速等，其选型关键参数如下。

1）电动机最大转速计算：

式中，将滚珠丝杠的最高转速记为nmax，ph含义同式（1），Nmax为电动机对应的最大转速。将实际参数代入公式，计算出Nmax=3 000 r/min。

2）电动机转动惯量计算：

电动机通过滚珠丝杠作用运动轴，因而电动机的转动惯量取决于丝杠、负载的转动惯量。将这两种转动惯量分别记为Js、Jw，相应的计算方法为：

式中，ρ、d2、m、L分别为钢材密度、丝杠底径、运动轴质量以及滚珠丝杠的行程。表2 为该铣钻攻一体化数控机床伺服电机的主要设计参数。

表2 电机主要设计参数

1.3 主轴设计

1.3.1 主轴整体布局

主轴可分为内置式、分体式两种，传统设计方案将电动机和主轴分开。内置式主轴中集成了电动机，可一次性完成安装，并且有效地减少了设备占用的空间。另外，这种布局方式减少了电动机和主轴之间的传动环节，整体运行效率更高，有利于消除振动效应[3]。

1.3.2 主轴冷却及润滑设计

一体化数控机床主轴内部的运动部件为轴承和定转子，由于存在一定的摩擦作用力，在运行时会持续产生热量，造成结构发热，严重时可加速磨损，缩短使用寿命。因此，必须通过润滑和冷却两项措施控制发热现象。润滑系统的作用是通过添加润滑剂减小摩擦系数，降低产热量。常用的润滑剂为高速黄油、锭子油。随着技术的发展，润滑方式也不断扩展，油气润滑具有更强的环保性和效率，因而在一体化机床的主轴设计中采用油气润滑方式。冷却系统的作用是持续、快速地带走主轴热量，控制主轴温度[4]。冷却系统采用水冷作用方式，通过水冷机向主轴内送入冷却水，形成循环水冷的机制。

1.4 夹具设计

该机床的主要用途为加工制造铝型材，其工艺操作为铣削、钻孔等，必须通过夹具固定工件。由于加工面较多，容易造成夹具频繁更换夹持方式。研究过程拟定设计一种快速夹具，要求其定位精度高。夹具可采用模块化思维进行设计，根据工件的特点、几何尺寸，灵活调整各个组件。夹具由直线型滑轨、固定件、气缸等组成，通过改变滑块位置适应不同的工件。

2 一体化数控机床研发模式

2.1 全流程研发模式分析

一体化数控机床设计难度较大，研发模式可划分为以下几个步骤：结构和功能设计→动静态仿真分析→结构部件优化→设备实体建造→设备动静态性能检测→问题优化→通过验收→设计方案定型[5]。机床实体建造之前的仿真分析和结构优化设计是降低研发成本的关键环节，因为实体建造需要消耗材料、能源以及人力资源。而仿真分析依托于计算机和软件工具，实施成本相对较低。

2.2 一体化数控机床的关键研发环节

2.2.1 机床设计方案的仿真分析

1）建立机床结构模型。利用ANSYS 软件构建机床模型，开展有限元分析。机床结构非常复杂，如果完全按照设计方案建模，会制约后续的网格划分和模型计算。可根据弹性力学中的局部效应原理简化有限元模型。例如，建模时可忽略螺栓孔、凹槽等结构，将其设置为平面，因为这些小型结构不影响整体性能分析。

2）设置材料属性。ANSYS 软件支持在模型中设置材料属性的功能，在划分有限元网格之前，将机床的机架设置为Q235钢材，轴承工作条件更加苛刻，将其材料设置为GCr15。45型钢材作为小型组件和零件的制造材料。不同材料的杨氏模量、屈服极限、泊松比等存在差异，对机床结构的力学性能具有重要影响。

3）机床动静态特性分析。①静态特性分析。静态特性分析的主要目的是检验机床结构在外部静态力的作用下能否达到足够的刚度，并且不发生明显的变形[6]。对机床结构模型进行网格划分，节点数量超过15.7 万个，单元数量超过9 万个。根据整机应力分析的结果，最大应力集中在床身固定结构以及部分连接结构上[7]。应力峰值为6.921 3 MPa，而材料的屈服极限最低为275 MPa，说明静态特性完全能够满足设计要求。②动态特性分析。动态特性分析用于评价机床在运行过程中的振动效应和稳定性，判断依据为机床主振型及对应的低阶固有频率[8]。依托ANSYS 软件，对机床模型开展模态分析，模拟结果如表3 所示。显然，动态分析的结果有利于机床整体或局部结构优化。

表3 机床动态特性仿真结果

2.2.2 结构部件优化

一体化数控机床有限元分析的目的是确定结构设计中的不合理之处，进而在此基础上开展局部优化，根据动静态分析结果，对以下结构部件实施优化。

1）优化机床YZ轴连接件。在有限元分析中发现，YZ轴连接件出现了静态应力集中、动态扭振、动态摆振等问题。优化路径为增大连接件的厚度、加强筋厚度以及连接件宽度[9]。

2）优化机床主轴箱的拓扑结构。在机床动态特性分析中发现主轴箱存在扭振、摆振问题，影响了机床的稳定性和机械加工精度[10]。箱体结构优化的方法为改善其拓扑结构。保留原有设计方案中的电主轴安装面，其他部分做优化调整，主要目标是尽可能降低主轴箱的箱体重量。设计四种优化方案，以原设计方案的主轴箱总质量为基础，通过结构改造，将质量压缩75%、65%、55%、45%。再次开展有限元分析和动静态特性分析。结果显示，主轴箱最大应力值为1.367 4 MPa，优化前该数值为1.524 3 MPa，降幅达到10%以上。以质量压缩75%为例，其在X、Y、Z三个运动轴上的最大变形量分别为0.29 μm、0.015 μm、0.014 μm，优化前的对应变形量为0.19 μm、0.01 μm、0.01 μm。说明质量减轻后主轴箱变形量略有增加，但满足设计需求。在振动控制方面，拓扑优化减少了顶部板件的重量，箱体中下部质量占比增加，其扭振、摆振效应有所减弱。

3 结语

一体化数控机床的结构设计中应该合理控制其整体布局，同时加强对主轴、运动轴、电动机等关键部件的优化。其设计模式为确定结构形式及参数，开展有限元分析，发现设计缺陷，优化设计方案。工程技术人员可利用ANSYS 软件对机床的结构应力、静态特性、动态特性实施量化模拟，提前定位不利因素，完善设计方案。