設(shè)計(jì)全過(guò)程：i5M8智能五軸立式加工中心的研發(fā)與應(yīng)用
2021-1-14 來(lái)源：沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 作者：-
一、研發(fā)背景
機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的主要加工設(shè)備，在某種意義上代表了一個(gè)國(guó)家的機(jī)械制造業(yè)水平。機(jī)床設(shè)備不但關(guān)系著國(guó)家的航空航天、軍工、精密器械等行業(yè)的戰(zhàn)略安全，而且還與人們的日常生活密不可分。如果沒(méi)有制造業(yè)的支撐，國(guó)家就很難真正的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的建設(shè)。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是目前世界上最先進(jìn)的機(jī)床設(shè)備，人們?cè)谠O(shè)計(jì)、制造復(fù)雜曲面遇到無(wú)法解決的難題時(shí)，就會(huì)首先想到五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。由于其特殊的地位，西方發(fā)達(dá)國(guó)家一直把五軸數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)作為戰(zhàn)略物資實(shí)行出口許可證制度。
進(jìn)入21世紀(jì)，世界機(jī)床技術(shù)快速向前發(fā)展，在精度、效率、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化方面，都出現(xiàn)了新的飛躍。隨著“工業(yè)4.0”概念的提出，中國(guó)政府提出了“中國(guó)制造2025”，但是高檔數(shù)控系統(tǒng)和高檔五軸數(shù)控機(jī)床一直是制約我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，基于此，沈陽(yáng)機(jī)床i5M8智能五軸立式加工中心應(yīng)運(yùn)而生。
二、產(chǎn)品簡(jiǎn)介
i5M8智能五軸立式加工中心是沈陽(yáng)機(jī)床最具獨(dú)特性的一款產(chǎn)品。其解構(gòu)主義設(shè)計(jì)理念的工業(yè)設(shè)計(jì)，搭載沈陽(yáng)機(jī)床自主研發(fā)的，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的i5智能數(shù)控系統(tǒng)，是一款平臺(tái)型智能五軸加工中心。i5M8機(jī)床在航天軍工、汽車、新能源、醫(yī)療等高品質(zhì)復(fù)合加工領(lǐng)域能發(fā)揮最佳性能。
圖1 i5M8外觀
三、產(chǎn)品特點(diǎn)
1.產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
i5M8智能五軸立式加工中心整機(jī)采用龍門動(dòng)橫梁式結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一的床身、立柱、橫梁、主軸箱等鑄件框架，采用高速直驅(qū)電主軸，直線軸采用電機(jī)直聯(lián)，具有高速度、高加速度和高剛性的特點(diǎn)。A/C軸轉(zhuǎn)臺(tái)采用先進(jìn)的直驅(qū)力矩電機(jī)，具有很高的位置精度和動(dòng)態(tài)性能。它不僅具有在單位時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速切削的能力，而且可使被加工零件獲得高精度和低表面粗糙度。
圖2 機(jī)床主體結(jié)構(gòu)
（1）外觀設(shè)計(jì)
i5M8整機(jī)結(jié)構(gòu)極為緊湊，占地面積相對(duì)較小，可以最大限度地提高客戶現(xiàn)場(chǎng)的土地使用率。同時(shí)前門配有大玻璃的安全門，可以方便操作者觀察加工區(qū)域的狀況。“一”字型前門拉手設(shè)計(jì)讓客戶開(kāi)關(guān)防護(hù)門更為方便。前門打開(kāi)之后操作者可以自由接近加工區(qū)域，方便操作者上下料，符合人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)。機(jī)床的氣動(dòng)、潤(rùn)滑、液壓系統(tǒng)置于全封閉防護(hù)內(nèi)，在相應(yīng)位置都留有拉門及觀察視窗。i5M8產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)成功案例。
（2）動(dòng)梁龍門結(jié)構(gòu)
整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化排水和防水設(shè)計(jì)，X/Y/Z三軸的拖動(dòng)機(jī)構(gòu)在加工區(qū)域上方，有效避免加工時(shí)切屑和切削液對(duì)絲杠、導(dǎo)軌的侵染。Y軸雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，響應(yīng)速度更快、運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)、加工精度更高。三軸擁有600×680×450mm的超大行程，空間更大，操作更靈活。
（3）高速銑削電主軸
i5M8的銑削電主軸標(biāo)配最高轉(zhuǎn)速12000r/min，最大功率15k W，最大扭矩96N·m，BT40接口。該款主軸內(nèi)置異步伺服定轉(zhuǎn)子，采用油脂潤(rùn)滑，水冷卻，錐孔徑向跳動(dòng)≤0.003mm，主軸帶有氣密封、刀具冷卻、主軸溫度監(jiān)控等功能，可長(zhǎng)時(shí)間保持對(duì)客戶零件的高精度加工。同時(shí)，也可根據(jù)客戶的不同需求，選配18000r/min、24000r/min等不同轉(zhuǎn)速電主軸。
（4）A/C軸搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)
A/C軸搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)采用力矩電機(jī)作為動(dòng)力源，搭載YRT軸承實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，減少中間環(huán)節(jié)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及運(yùn)動(dòng)精度。A/C軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)50r/min，A/C軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±120°/nx360°。A/C軸定位精度10″，重復(fù)定位精度6″，配備海德漢編碼器。獨(dú)有的多層密封設(shè)計(jì)，能有效提高搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)的防水性能，支持φ500mm直徑工作臺(tái)，工件最大回轉(zhuǎn)直徑φ600mm。
通過(guò)研究?jī)奢S轉(zhuǎn)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的特性，提出使用整體鑄鋁結(jié)構(gòu)，從而減輕擺架重量，提高擺架重心，減小在擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，降低對(duì)力矩電機(jī)的負(fù)載要求，達(dá)到提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)及擺動(dòng)加速度的目的。擺架重量由205kg減輕為75kg。輕量化設(shè)計(jì)之后A軸角加速度由鑄鐵擺架的12rad/s2提升到鑄鋁擺架的18rad/s2。
圖3 兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
（5）傘式伺服刀庫(kù)
i5M8配備平置式傘形刀庫(kù)，可裝載20把刀具，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)位，采用主軸抓刀的方式進(jìn)行換刀，換刀過(guò)程快速準(zhǔn)確。還可選配32把鏈?zhǔn)降稁?kù)，滿足客戶更多的需求。
圖4 20把平置式傘形刀庫(kù)
圖5 32把平置鏈?zhǔn)降稁?kù)
2.i5數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)
i5數(shù)控系統(tǒng)是沈陽(yáng)機(jī)床攻克了CNC運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)字總線技術(shù)等運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的核心底層技術(shù)，推出的具有網(wǎng)絡(luò)智能功能的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)突破了世界機(jī)床行業(yè)最頂級(jí)的五軸五聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，摘下了工業(yè)軟件皇冠上的明珠。其具有特征編程、三維模擬仿真、遠(yuǎn)程診斷、工業(yè)互聯(lián)等多種智能技術(shù)。
圖6 第四代i5系統(tǒng)
第四代i5數(shù)控系統(tǒng)，采用i5OS內(nèi)核。標(biāo)準(zhǔn)五軸聯(lián)動(dòng)控制、車銑復(fù)合、在機(jī)測(cè)量、工單管理等系統(tǒng)功能以工業(yè)APP的形式植入數(shù)控系統(tǒng)，可以隨著i5M8產(chǎn)品的不斷更新迭代開(kāi)發(fā)新的工業(yè)APP，從而形成機(jī)床產(chǎn)品的獨(dú)特性。
四、產(chǎn)品亮點(diǎn)
1.可重構(gòu)平臺(tái)型設(shè)計(jì)
i5M8是一款可重構(gòu)平臺(tái)型智能機(jī)床。主體采用由床身、立柱、橫梁、主軸箱等組成的統(tǒng)一的機(jī)械平臺(tái)，外圍單元如液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑等采用模塊化設(shè)計(jì)。統(tǒng)一的機(jī)械平臺(tái)通過(guò)搭配固定式工作臺(tái)、單軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)、雙軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)、銑車電主軸等不同功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)3軸、3+1軸、3+2軸、5軸聯(lián)動(dòng)、銑車復(fù)合等具有不同功能的加工中心，可以高效地滿足不同行業(yè)、不同類型客戶的零件加工需求。機(jī)床的工作臺(tái)模塊可實(shí)現(xiàn)快速靈活的換裝，短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)床功能的轉(zhuǎn)換，i5數(shù)控系統(tǒng)則通過(guò)軟件模塊選擇就能輕松實(shí)現(xiàn)控制，由于具備多種切削能力，這種設(shè)計(jì)理念的機(jī)床可以幫
助客戶實(shí)現(xiàn)零件的定制化生產(chǎn)和應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的需求變化。
2.核心功能部件國(guó)產(chǎn)化
i5M8智能五軸立式加工中心的數(shù)控系統(tǒng)、電主軸、A/C軸力矩電機(jī)、排屑器、水冷機(jī)等功能部件均采用國(guó)產(chǎn)品牌。通過(guò)功能部件的國(guó)產(chǎn)化，一方面實(shí)現(xiàn)了機(jī)床整體制造成本的下降，降低了終端用戶的采購(gòu)成本；另一方面通過(guò)i5M8的不斷提升和進(jìn)步，對(duì)這些關(guān)鍵零部件也提出了更高的要求，從而推動(dòng)國(guó)產(chǎn)功能部件不斷的提升設(shè)計(jì)和制造水平。
3.銑車復(fù)合功能
結(jié)合市場(chǎng)需求，i5M8研發(fā)了五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的銑車復(fù)合功能。該功能通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)、銑車復(fù)合電主軸、高速C軸之間的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，使機(jī)床可以在銑削模式與車削模式兩種狀態(tài)下自由切換。銑削模式狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的五軸聯(lián)動(dòng)、3+2多軸銑削加工，車削模式狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的外圓、內(nèi)孔、端面等進(jìn)行立式車削、臥式車削以及A軸聯(lián)動(dòng)車削加工。從而進(jìn)一步提升了M8產(chǎn)品集成加工的能力，尤其適合外形復(fù)雜、加工特征多樣的零件，可以將零件的車削特征、銑削特征一次性加工完成。
五、質(zhì)量控制
沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司是一家通過(guò)ISO9001質(zhì)量管理體系以及ISO10012測(cè)量管理體系認(rèn)證的企業(yè)。i5M8智能五軸加工中心的研發(fā)制造檢測(cè)過(guò)程遵循以上兩項(xiàng)管理體系的要求。機(jī)床的幾何精度指標(biāo)優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T34880.2-2017《五軸聯(lián)動(dòng)加工中心檢驗(yàn)條件》的要求 ；機(jī)床的切削精度指標(biāo)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO10791-7《Test conditions for machining centers》第七部《Accuracy of finished test pieces》中的NAS試件以及S試件的加工精度要求。在制造過(guò)程中的質(zhì)量保證上主要采用檢測(cè)設(shè)備保證以及過(guò)程管控保證：
（1）檢測(cè)設(shè)備保證：公司擁有雷尼紹XL-80激光干涉儀、QC20-W球桿儀、回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置XR10、海克斯康GLOBAL performance7107三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、schenck HS20BU動(dòng)平衡機(jī)等關(guān)鍵測(cè)量設(shè)備，用以檢測(cè)機(jī)床的定位精度、加工試件精度以及高速電主軸動(dòng)平衡。
（2）過(guò)程管控保證：①具有完善的過(guò)程控制文件及配套的質(zhì)量記錄文件20余種；②建立機(jī)床檔案，每臺(tái)i5M8產(chǎn)品從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、BOM編制、加工裝配過(guò)程、客戶安裝使用的全過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量責(zé)任追溯；③通過(guò)客戶反饋、QC立項(xiàng)等方式，以PDCA原則，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量；④開(kāi)展培訓(xùn)及崗位輪換活動(dòng)，不斷提升員工業(yè)務(wù)水平。
六、產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用
經(jīng)過(guò)為期兩年的產(chǎn)品研發(fā)，聯(lián)合沈機(jī)（上海）智能系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)有限公司以及國(guó)內(nèi)功能部件廠商，陸續(xù)攻克了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)銑車復(fù)合控制功能、兩軸搖籃高速C軸轉(zhuǎn)臺(tái)以及銑車復(fù)合高速電主軸功能部件。采用系統(tǒng)功能與關(guān)鍵功能部件的有效集成，研發(fā)出i5M8.4銑車復(fù)合五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。該產(chǎn)品搭載最新的第四代i5OS智能數(shù)控系統(tǒng)， 19寸觸摸屏，是一臺(tái)具有互聯(lián)網(wǎng)基因的大數(shù)據(jù)終端。i5OS系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制API接口與開(kāi)發(fā)環(huán)境，使機(jī)床與系統(tǒng)共同進(jìn)步。系統(tǒng)功能上擁有對(duì)加工零件的高級(jí)仿真、傾斜面坐標(biāo)快速變換、手輪引導(dǎo)、銑車模式切換、五軸斷點(diǎn)返回等功能，讓操作更方便。
圖7 i5M8.4銑車復(fù)合五軸聯(lián)動(dòng)加工中心
該產(chǎn)品配備的銑車復(fù)合電主軸，銑削模式下最高轉(zhuǎn)速可達(dá)12000r/min，采用HSK63A刀柄；車削模式下通過(guò)主軸鼻端三聯(lián)牙盤定向，刀尖定位準(zhǔn)確可靠。A/C軸搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)采用國(guó)際領(lǐng)先的直驅(qū)式力矩馬達(dá)，無(wú)反向間隙，角度定位準(zhǔn)確。直線軸與旋轉(zhuǎn)軸的高精度配置可以保證五軸聯(lián)動(dòng)時(shí)零件加工尺寸的準(zhǔn)確性。C軸最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1200r/min，用以滿足車削模式下的切削線速度要求。
目前i5M8.4銑車復(fù)合五軸聯(lián)動(dòng)加工中心主要應(yīng)用于新能源電機(jī)殼、高端汽車輪轂、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤等行業(yè)零件。通過(guò)i5M8.4的銑車復(fù)合功能可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成車削、銑削、鉆孔攻絲等加工，減少了傳統(tǒng)加工方式中的多次裝夾所造成的定位誤差，減少了重復(fù)上下料的輔助時(shí)間，降低了多序加工時(shí)候的設(shè)備采購(gòu)成本和工裝夾具的采購(gòu)成本，提高了產(chǎn)品的加工精度和加工效率。
圖8 典型加工零件
七、結(jié)束語(yǔ)
隨著現(xiàn)代零件設(shè)計(jì)越來(lái)越自由，加工特征越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)五軸機(jī)床的需求日益增長(zhǎng)。i5M8將繼續(xù)不斷迭代、不斷創(chuàng)新、不斷前行，引領(lǐng)我國(guó)五軸機(jī)床走向高端自主，更好地服務(wù)和應(yīng)用于航空航天、軍工、模具、汽車、醫(yī)療等行業(yè)，為加快實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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