GMCu系列橋式五軸加工中心的研發與應用
2021-1-21 來源：沈陽機床集團沈陽中捷航空航天機床有限公司 作者： 白旭 姜楠
一、概述
近年來，我國航空航天事業發展迅猛，但受加工裝備的限制，部分核心關鍵零部件仍需依賴進口，而提高基礎加工裝備水平是減小進口依賴的關鍵環節。航空航天行業最新的發展趨勢是采用先進的整體結構件和大型復材結構件設計，相關結構件具有尺寸大、壁薄、易變形，零件精度高，切削中刀路線復雜、協調面、交點孔多等工藝特點，對機床的加工范圍、加工效率、動態性能都提出極高的要求。因此，必須采用五軸聯動加工，尤其大行程高精度五軸聯動加工，用以滿足對航空航天結構件高效、高精的加工需求。橋式五軸加工中心以其獨具的結構特性，在眾多五軸機床中脫穎而出，橋式加工中心具有優異的動態響應能力，在保證高加速、高進給的同時，機床精度也能夠嚴格控制，因此橋式五軸加工中心成為廣泛應用于高精尖航空航天大型結構件加
工的行業重器。
我公司針對航空航天大型復雜結構件的加工需求，開發了GMCu系列橋式五軸加工中心，解決了客戶最大加工寬度5.5m，最大長度22m的結構件加工難題。GMCu系列產品機型種類齊備，采用模塊化設計，便于組織生產和縮短供貨周期。產品可根據客戶需求做選配定制，可選配超大行程、高性能配置、護頂吸塵、配套組線等。可替代國外同類別進口產品。GMCu系列橋式五軸加工中心對口航空航天、復材加工、軌道交通等行業，徹底打破了國外設備在此類領域的壟斷地位，為國產機床占領高端機床市場、掌握制造核心技術做出了貢獻。
二、GMCu系列橋式五軸加工中心介紹
1.機床簡介
GMCu系列橋式五軸加工中心橋梁（見圖1）采用采用高架橋式框架結構，主軸箱側掛布局。設備床身，工作臺固定，橫梁在床身上沿水平方向前后移動（X軸），滑板在橫梁上沿水平方向左右移動（Y軸），滑枕沿滑板上下移動（Z軸）。銑頭為叉式結構，能繞X軸擺動（A軸）、繞Z軸轉動（C軸），實現五軸聯動。
圖1
機床整體結構對稱布局，受力均勻，賦予機床更高的穩定性和抗載能力，驅動部件重量與剛性匹配合理，機床基礎件（橋梁＼工作臺）全部采用優質鑄鐵，強度高且吸震效果好，橫梁及主軸箱移動采用雙電機驅動，精度高加速度大。滑枕兩側布置雙平衡油缸，與蓄能器相連接，平衡比例90%，慣量匹配可達到1，加速度達到3m/s2，動態響應極高。機床布置溫控系統，包括各向絲杠的軸承座的控溫、絲母座控溫、A/C軸電機的冷卻和電主軸的冷卻，溫控系統控制集成在數控系統內，由可調溫的水冷機控制機床所有關鍵部件溫度在合理變化范圍。
2.機床技術參數（見附表）
三、機床先進技術與應用情況
1.橋式橫梁撓度補償的研究
隨著機床跨距的增加，橫梁部件的撓度變形愈加突出，直接關系到零件加工質量及可靠性，尤其是加工航空航天領域結構件時，由于零件的尺寸大且壁薄，橫梁的變形會對零件加工質量的影響無限放大，橫梁的撓曲變形很可能導致零件成為廢品。為此，有必要著力對橫梁進行仿形研究，評估其變形曲線，進而選擇合適的材質、最優的結構布局、合理的溫度控制、反向仿形加工以及系統補償等措施盡可能地消除橫梁的自身變形，保證整機加工時橫梁的可靠性。
在確定材質結構等條件后可通過對比橫梁虛擬仿真計算和實際檢測結果，得出與變形曲線趨勢相反的實際導軌加工曲線，以實現抵抗橫梁自重及負載變形，即通過預先計算好的加工“變形量”抵抗其承載作用變形；通過實測數據，對虛擬計算模型進行了反復的修改，并最終保障計算模型的準確性和通用性。最終在優化仿真過程中得到橫梁最優的筋型布局，圖2為橫梁有限元分析示例。
圖2 橫梁分析
2.整機的熱穩定性研究
由于數控機床各組成部件的材料不同，熱膨脹系數不同，因此在環境變化的過程中升溫就不同，產生的熱膨脹量也就不同；由溫度變化所引起的機床零部件熱變形導致機床精度受到影響，這一直是大型數控機床所面臨的難題。大型橋式五軸加工中心熱變形補償技術的難點之一在于數控機床熱變形分析：在加工零部件的過程中，需要認真分析機床在運行過程中產生的熱變形，例如：軸承高速運轉過程中的熱量傳遞到絲杠，電機高速運轉產生的熱量傳遞到絲杠，絲杠與滾珠直接摩擦所產生的熱量，都會導致絲杠受熱變形，從而影響絲杠傳動精度，導致加工精度偏差；難點之二在于熱變形位移數據的采集：機床熱變形引起的加工誤差不能直接測量獲得，需要將傳感器放置機床各結構件隨溫度變化的敏感處，將獲得數據錄入材料庫以方便對數據進行收集比
對；難點之三在于熱變形量的補償：需要采用將熱變形誤差補償到系統中，通過補償平臺的搭建，根據機床的實際情況，反復試驗測定過的溫度差與機械的形變值關系，利用系統將機床運行坐標定位精準，使加工精度得以保證。
整機的熱穩定性研究的主要包括影響整機熱源分析、機床大型零部件熱變形分析、各部件溫度采集分析、整機熱變形誤差補償技術研究等內容；整機的熱穩定性研究涵蓋整機熱源、傳導、變形效果采集的全過程，進一步對數據進行分析，最終通過熱變形誤差補償技術消弱整機受熱變形的影響，進而提高整機精度性能指標。
3.護頂防護及吸塵裝置的研究
加工復合材料時，會產生大量飛末及粉塵，影響零件加工精度，破壞車間環境，同時對機床性能及穩定性產生不利影響。這就要求復合材料加工時配備完備的密封系統及除塵系統。相對密閉的防護間、全程除塵，防油處理等是復合材料數控加工的裝備的關鍵點。國際上，加工復合材料的設備大多來自德國和美國，而國內企業進口此類尖端設備往往受到技術限制。GMCu系列復合材料橋式五軸加工中心采用橋式框架結構，配置超大跨距護頂防護，護頂拉罩選擇先進的防靜電材料防止粉塵吸附，護頂配置自動吸合隨動開閉機構，做到完全自動化。開發擺頭隨動吸塵、正壓密封、隨動監控等新技術，解決了復合材料加工的"痛點"。示例如圖3所示護頂示意。
圖3
4.橋式五軸空間綜合誤差補償研究
高精度橋式五軸加工中心包含X、Y、Z三個直線軸和A/C兩個旋轉軸（見圖4），存在多達數十項幾何誤差，根據其各項誤差值，計算并反映出運行時刀具中心點 (TCP) 的空間總誤差。在機床運行時，根據補償范圍對應的各個已知的幾何偏差，將各獨立位置的偏差數值進行統計匯總，運用數控系統計算出運行時刀具中心點(TCP)的總誤差。根據總誤差的數值，通過數控系統更改要臨近的設定點坐標，補償計算出的偏差，使刀具中心點盡可能精確地到達數控程序中預設的設定位置，從而能夠大幅提升機床及加工的精度。
圖4 刀具誤差測量
5.動剛度優化與抑振技術
衡量機床結構抗振能力的常用主要指標是動剛度。動剛度在數值上等于機床結構產生單位振幅所需的激振力，動剛度越大，則機床結構在一定激振力作用下，產生的振幅越小，其抗振能力越好；反之，抗振能力越差。實際設計中在提高結構的動剛度的同時，還應獲得經濟合理的結構，通過找出結構剛度過高而造成浪費的部分和剛度不足而限制機床工作能力的部分，使其動剛度得到合理的分配，從而達到抑振的目的。首先，合理設計結構的斷面形狀和尺寸，主要受扭矩的構件應使截面形狀為圓形或接近正方形，在設計橫梁、滑枕外殼及滑枕時，采用增加截面輪廓尺寸而不增加壁厚，使之在相同重量下具有較高的剛度和固有頻率的方式，結合有限元分析對比多種截面形式，根據分析結論，采用變形量最小，機構形式最優的的截面形式來增加機床定剛度（見圖5）。其次，調整振源頻率，避免激振力產生的頻率與機床系統的固有頻率接近而產生共振。通過改變電機的極對數和電源頻率來改變電動機的轉速，并通過改變機床中主軸的轉速等措施，使其避開共振區，此外減小電機轉動引起的振動，將機床的電機與驅動部件進行柔性聯接，隔離電機本身振動。之后，通過預拉伸的方法消除絲杠間隙，采用雙電機消隙的方法，消除齒輪齒條的間隙，來提升系統的剛度和固有頻率，防止共振的產生，減小受迫振動。
圖5
6.碰撞保護的技術
主要采用“負載檢測”和“傳感器檢測”兩類技術手段。采用“異常負載檢測功能”實現碰撞保護時，不但在編程和操作錯誤時對機床進行保護，同時對加工過程中因刀具磨損和工件振動產生的異常負載也能起到保護作用，有效地避免了機床加工過程中不可預料錯誤的發生，降低了機床維修成本，提高了機床精度。異常負載檢測防碰撞調試主要針對伺服軸和主軸兩部分來進行，伺服系統的高速采樣周期對施加到電機上的外力干擾負載扭矩進行實時地觀測和計算，機床發生碰撞的時候，電機承受的外力扭矩突然增大，伺服系統將此時電機承受的外力扭矩與在系統內部設置的碰撞發生時機床能夠承受的外力扭矩的最大值相比較。如果小于設置的外力扭矩的最大值，系統正常運行。如果大于設置的外力扭矩的最大值，伺服系統產生報警，同時伺服系統向伺服電機發出指令，使伺服電機向相反的方向運動，機械系統與工件碰撞面脫離，從而對機床起到保護作用。另一種方式是采用“傳感器信號”采集頻率頻率、振幅和加速度等，將傳感器布置在主軸端及驅動軸硬限位附近，通過傳感器生成的模擬量信號分析當前機床的運動狀態。從而得出機床是否發生碰撞，通過控制系統及時作出反饋，使伺服軸向相反的方向運動，機械系統與工件碰撞面脫離，從而對機床起到保護作用。
四、成果應用及推廣情況
經過多年的經驗積累與技術革新，目前我公司GMCu系列橋式五軸產品在我國多個核心領域有成熟應用。在航空領域應用于我國多家飛機制造企業的生產，主要針對飛機框梁類結構件、壁板類結構件等航空鋁材料的高精度高效五軸加工；在復材加工領域與我國多家科研院所合作，用于玻璃纖維材料、碳纖維材料的復雜曲面加工；在航天領域應用于高精度火箭儲箱加工及結構件加工；在軌道交通領域應用于車輛制造廠，針對于高鐵箱體結構件、板梁類零件的加工。
總之，從各方面需求來看，我國都需要更加優秀的國產高檔大型五軸數控加工設備來解決國內產能有限以及外國技術封鎖難題。我公司愿同機床行業友仁一道，為國家重點領域建設和國防工業提供更有力的技術保障與裝備支持，為祖國的工業發展貢獻力量。
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