新一代立式加工中心的設(shè)計原則如下：
1、在速度和精度方面達到國際同類型同規(guī)格產(chǎn)品的先進水平，同時兼顧強力切削，滿足用戶一機多用的目的；
1）高剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證機床設(shè)計壽命長；
2）產(chǎn)品模塊化設(shè)計，降低設(shè)計成本，形成不同配置的系列產(chǎn)品；
3）高精度設(shè)計，滿足μ級加工精度的需要；
4）高效率設(shè)計，滿足現(xiàn)代高生產(chǎn)率的要求；
5）注重環(huán)保。
2、主要技術(shù)參數(shù)確定
根據(jù)市場調(diào)研確定作為標準配置。μ1000系列的工作臺面尺寸為500mm×1200mm；坐標行程X、Y、Z分別為1000mm、560mm、550mm；主軸功率18.5/22KW，主軸轉(zhuǎn)速15,000r/min，BT40刀柄；換刀時間(刀到刀)1.5s，最大刀具重量7kg，刀庫容量24把；快速移動速度X、Y、Z分別為48m/min、48m/min、36m/min；全閉環(huán)情況下定位精度≤0.008mm，重復(fù)定位精度≤0.004mm(執(zhí)行GB/T8771.4標準)。
作為系列產(chǎn)品和選用配置，五軸聯(lián)動控制時配兩軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺，工作臺面尺寸為500mm，坐標行程X、Y、Z分別為500mm、500mm、415mm(五軸時)；主軸轉(zhuǎn)速12,000r/min、20,000r/min任選，刀柄可選擇HSKA63。
3、設(shè)計過程
機床設(shè)計從常用的功能設(shè)計進一步發(fā)展為機床結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計、精度設(shè)計、高速化設(shè)計、誤差補償技術(shù)、壽命設(shè)計和可靠性設(shè)計等現(xiàn)代先進機床設(shè)計技術(shù)。為了實現(xiàn)精密機床設(shè)計要求，在機床設(shè)計中對各方面進行了綜合考慮。為保證機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，對基礎(chǔ)件、傳動系統(tǒng)、主軸及整機都進行了有限元分析，找出設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)加以改進，對機床整體性能優(yōu)化和高剛性設(shè)計起到很好的指導(dǎo)作用。
在設(shè)計開發(fā)過程的初期，初步設(shè)計了外形尺寸和工作區(qū)范圍相同而結(jié)構(gòu)不同的四套方案，即：定梁頂置滑枕式、定立柱十字工作臺式、橫梁滑座式和定立柱三坐標單元式四種結(jié)構(gòu)。通過有限元剛度分析和加工誤差分析，得出方案1(即定梁頂置滑枕式)的剛度是最大的，且誤差分配也比較合理，所以在實際設(shè)計中選擇了方案1。按方案1的結(jié)構(gòu)進行了機床整機和部件的設(shè)計，并且根據(jù)設(shè)計圖對機床整機和部件進行了有限元分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)改進，避免薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。結(jié)論如下：與同類的立式加工中心相比，這臺機床在各個方向的剛度都具有較大的優(yōu)勢，綜合當量剛度約提高40%至兩倍以上，并且三個方向的剛度值較均勻(見表1)。
表1 與類似規(guī)格加工中心的剛度計算值比較
機床名稱X向剛度
Kx(N/μm)Y向剛度
Ky(N/μm)Z向剛度
Kz(N/μm)三向綜合當量剛度
K(N/μm)
其它類似加工中心A 46.6 46.8 53.7 48.7
B 32.3 50.0 95.9 45.2
C 20.4 37.2 59.1 29.7
D 32.3 65.1 118.2 48.7
E 31.2 34.2 39.7 34.5
μ1000 59.7 64.9 92.9 68.7
由計算結(jié)果可知，機床整機的整體性能優(yōu)良，機床靜態(tài)剛度顯著提高，可以滿足高速、高精、高效的要求。這種布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：床身、立柱分體，且主要構(gòu)件均呈箱形結(jié)構(gòu)，加工中不易變形，加工工藝性好；結(jié)合面較大，基礎(chǔ)穩(wěn)固，主軸懸伸小，整體結(jié)構(gòu)剛度高；左右完全對稱式設(shè)計，主軸X向熱平衡較好；Y向懸伸小，熱變形影響??；X、Y、Z軸移動部件輕，加速性好；構(gòu)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)固易于保證導(dǎo)軌運動精度，精度穩(wěn)定性好。
為保證機床的精度穩(wěn)定，床身、立柱、滑座、主軸箱等都采用有限元分析，應(yīng)用高阻尼性能的優(yōu)質(zhì)鑄鐵制造；合理的截面設(shè)計和筋格布置，盡量避免行程中出現(xiàn)不合理的懸臂狀態(tài)；導(dǎo)軌采用高剛性滾柱導(dǎo)軌，安裝基面精密刮研。μ1000系列機床打破通常機床結(jié)構(gòu)形式，床身采用三點支撐，高剛性設(shè)計，使機床調(diào)整簡單，不依賴于地基，機床可不需特殊地基而直接安裝在水泥地坪上。床身用基于無彎矩的力流原理的特殊筋板設(shè)計，保證其上構(gòu)件在運動過程中，負載重心和切削點始終不離開三點支撐的范圍，并有足夠的支撐剛度，有利于保持精度的穩(wěn)定。
滑座采用頂置式結(jié)構(gòu)，其特點為高剛性輕型設(shè)計，使運動單元靈活，適應(yīng)高速要求?；亓⒅鶎?dǎo)軌作X向運動，加長導(dǎo)軌支撐長度，運動時滑座始終不離開導(dǎo)軌，易保證直線度、定位精度和加工精度。工作臺只作單方向(Y向)移動，與十字工作臺結(jié)構(gòu)相比移動部件輕，且承重大，設(shè)計承重大于800kg。另外工作臺沿導(dǎo)軌方向運動，結(jié)構(gòu)剛性好，運動精度高，避免了傳統(tǒng)機床工作臺移動到兩端後直線度降低或超差問題。扁長的主軸箱結(jié)構(gòu)，使主軸重心盡量靠近X向?qū)к?，主軸中心與導(dǎo)軌距離295mm，比傳統(tǒng)機床減少五份之二，這樣主軸懸伸小，受彎矩小。另外導(dǎo)軌安裝在主軸箱上，滑塊在滑座上，大大增強了Z向剛性，提高了加工精度和運動穩(wěn)定性，定位精度高。采用了寬度較大的滾柱導(dǎo)軌，中等預(yù)載荷消除了間隙和爬行，提高系統(tǒng)剛度和運動精度。
線性軸驅(qū)動采用伺服電機帶動高速滾珠絲杠副，它采取預(yù)緊式單螺母形式，結(jié)構(gòu)緊湊。絲杠的支撐采用兩端固定支撐并施加預(yù)拉伸，以提高傳動系統(tǒng)剛度，吸收絲杠發(fā)熱引起的熱伸長造成的誤差。絲杠與電機間的聯(lián)軸器選用波紋管形式，其優(yōu)點是：傳動效率高、剛性好、傳遞扭矩大、扭轉(zhuǎn)剛度高，且自身轉(zhuǎn)動慣量小，適應(yīng)高速性。適當增加座的長度以增加螺母座及絲杠軸承座與基礎(chǔ)件間結(jié)合面剛度，同時工藝上采取配刮研技術(shù)，使精度直接進入穩(wěn)定期，提高耐沖擊能力。
高剛性內(nèi)裝式電主軸，前軸承選用中預(yù)載的四列背對背高速角接觸陶瓷球軸承，軸承內(nèi)徑?70，這種組合方式使軸承可同時承受徑向和軸向載荷，主軸動靜剛度高。
為了減少沖擊、提高定位精度，控制系統(tǒng)設(shè)定了鐘型加減速功能和HRV(High Response Vector)控制功能，調(diào)整了影響動態(tài)性能的位置和速度增益。同時，為了實現(xiàn)長壽命設(shè)計，設(shè)計中對一些影響精度和工作性能的關(guān)鍵部件采取了相應(yīng)措施，如：由于主軸軸承用油氣潤滑，部分油氣會進入電機定子與轉(zhuǎn)子之間，使電機被污染而影響使用性能和壽命，為了克服這一點，在電機前後端均有低壓乾燥清潔氣體吹入，局部形成輕微正壓，以防止油氣進入，保證電機性能穩(wěn)定，壽命長；為避免主軸前端有臟物進入軸承，并防止軸承油氣潤滑的廢油滲出到主軸端面上，主軸最前端加一路氣，以防止臟物進入和吹散廢油；五軸聯(lián)動的轉(zhuǎn)臺電機直接運動于工作區(qū)時，臟物可能進入電機，影響壽命，為此，轉(zhuǎn)臺上兩個電機罩均加有低壓氣體吹氣，形成正壓，阻止異物侵入；為了保證光柵長久保持精度，提高使用壽命，光柵的讀數(shù)頭上也有乾燥清潔的空氣吹入。
為了保證高精度，多種措施被采用以減少機床的熱變形和振動。如主軸套筒和前後軸承座恒溫循環(huán)冷卻，油氣潤滑減少軸承發(fā)熱，後軸承使用圓柱滾子軸承，一旦發(fā)生熱變形，主軸就向後伸長，不影響加工精度；大流量冷卻刀具和工件，減少切削熱產(chǎn)生；床身上兩個螺旋排屑器及時將切屑排出機體，避免切屑大量堆積引起床身熱變形；機床對稱式設(shè)計，平衡熱變形等；主軸具有中心內(nèi)冷卻功能，內(nèi)冷最大壓力為22bar，可滿足高速切削、小孔加工和深孔加工對排屑暢通、及時帶走加工熱量的要求。
為了使主軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低噪聲，減小振動，對主軸采用兩次動平衡，一次在主軸與轉(zhuǎn)子熱裝後，第二次在所有回轉(zhuǎn)零件裝配好且?guī)缀尉葯z驗完畢後。這樣動平衡精度高，保證回轉(zhuǎn)精度和防止振動。另外，在主軸前後位置設(shè)計有平衡環(huán)以備在線動平衡用。刀庫放在機床的左側(cè)面，用單獨地基，這樣在刀庫和機械手換刀時產(chǎn)生的振動和不平衡不會傳到主機上，消除了一部分外加載荷，使機床精度更穩(wěn)定。
為了在較高的運動速度下提高機床的定位精度和加工精度，特別是定位精度，機床上安裝了精度為0.003mm的HEIDENHAIN封閉式絕對光柵尺，進行全閉環(huán)控制。但機床的定位精度只能評估機床在特定位置時的精度，如果遠離測量面進行加工時，加工的位置度會有較大誤差。而傳統(tǒng)的螺距補償只能對特定位置絲杠的螺距誤差進行補償，并不能全面降低整個加工面的位置度誤差。為盡量消除加工區(qū)域內(nèi)的位置度誤差，提高機床的加工精度，增加了空間誤差補償功能，通過大量的試驗采集數(shù)據(jù)，計算出機床在各空間點的幾何誤差，并通過CNC系統(tǒng)給與實時補償。
主軸在運轉(zhuǎn)過程中，電機、軸承及其它運動部件會因摩擦、損耗等產(chǎn)生熱量。如果熱量不能及時散發(fā)和排出，則會嚴重影響機床精度。因此，對主軸電機外套和軸承座外套用通過恒溫油的方式進行循環(huán)冷卻，使主軸運轉(zhuǎn)過程中絕大部分的熱量隨循環(huán)油帶出機體，以降低熱變形。但是，冷卻再完善也仍然會有部分熱量因傳導(dǎo)速度快而不能及時排出，使主軸產(chǎn)生熱變形。為了進一步解決主軸熱變形對精度的影響，主軸Z向的熱變形可用軟件補償?shù)霓k法進行了補償。補償數(shù)據(jù)是通過實驗獲得的。為了使補償軟件更具有通用性，變量編程被采用，針對不同的機床、不同的使用情況分別給這些變量賦值，便可生成具針對性、實用性的補償程序。
機床的三點支撐結(jié)構(gòu)，便于根據(jù)生產(chǎn)線需要調(diào)整位置實現(xiàn)快速重組，縮短了機床安裝調(diào)試周期，節(jié)約了調(diào)整工時。全封閉防護罩確保高速、高效加工條件下工人操作安全。使用油水分離器，將冷卻液中油物分離過濾掉，延長冷卻液的使用壽命，提高冷卻液使用效果，并且符合環(huán)保要求。μ1000系列立式加工中心應(yīng)用范圍很廣，機床為精密級加工中心，各項精度包括幾何精度、加工精度均為國家標準的精密級，而定位精度比精密級還提高一倍。設(shè)計的高剛性在滿足高精度的前提下，還有很強的切削能力。應(yīng)用范圍如下：汽車的發(fā)動機缸體缸蓋、制動器、變速箱體、轉(zhuǎn)向節(jié)、減速器等零件的大批量生產(chǎn)和加工；紡織行業(yè)板類零件加工；油泵油嘴行業(yè)、制表行業(yè)、模具行業(yè)等的開關(guān)體、閥體、葉片、葉輪等零件和模具的加工。
