随着国民经济飞速发展，制造业向着高、精、尖方向发展，特别是汽车、船舶、纺织、电子技术、航空航天的迅猛发展，对机床的精度和生产率要求也越来越高，急需一大批加工精度为“μ”级、主轴转速12,000r/min以上、快移速度大于40m/min的高效高精机床。为了适应国内市场的需要，满足用户对高速、高精及强力切削的需求，北京机床研究所研制了新一代精密立式加工中心μ1000系列。 WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
全新结构和高性能的立式加工中心μ1000系列基型产品是在分析国内外立式加工中心主流产品规格参数，结合中国市场需求，同时按照高速、高精、高品质、高稳定性的技术发展方向和高性能价格比的目标进行开发的。WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
设计原则 WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
新一代立式加工中心的设计原则如下： WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
在速度和精度方面达到国际同类型同规格产品的先进水平，同时兼顾强力切削，满足用户一机多用的目的； WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
高刚性结构设计，保证机床设计寿命长； WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
产品模块化设计，降低设计成本，形成不同配置的系列产品； WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
高精度设计，满足μ级加工精度的需要； W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
高效率设计，满足现代高生产率的要求； WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
注重环保。 ——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
主要技术参数确定 plcjs.技.术_网
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
根据市场调研确定作为标准配置。μ1000系列的工作台面尺寸为500mm×1200mm；坐标行程X、Y、Z分别为1000mm、560mm、550mm；主轴功率18.5/22KW，主轴转速15,000r/min，BT40刀柄；换刀时间(刀到刀)1.5s，最大刀具重量7kg，刀库容量24把；快速移动速度X、Y、Z分别为48m/min、48m/min、36m/min；全闭环情况下定位精度≤0.008mm，重复定位精度≤0.004mm(执行GB/T8771.4标准)。 ——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
作为系列产品和选用配置，五轴联动控制时配两轴数控转台，工作台面尺寸为?500mm，坐标行程X、Y、Z分别为500mm、500mm、415mm(五轴时)；主轴转速12,000r/min、20,000 r/min任选，刀柄可选择HSKA63。 WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
设计过程 WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
机床设计从常用的功能设计进一步发展为机床结构的刚度设计、精度设计、高速化设计、误差补偿技术、寿命设计和可靠性设计等现代先进机床设计技术。为了实现精密机床设计要求，在机床设计中对各方面进行了综合考虑。 WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
为保证机床结构设计的合理性，对基础件、传动系统、主轴及整机都进行了有限元分析，找出设计的薄弱环节加以改进，对机床整体性能优化和高刚性设计起到很好的指导作用。 P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
在设计开发过程的初期，初步设计了外形尺寸和工作区范围相同而结构不同的四套方案，即：定梁顶置滑枕式、定立柱十字工作台式、横梁滑座式和定立柱三坐标单元式四种结构。通过有限元刚度分析和加工误差分析，得出方案1(即定梁顶置滑枕式)的刚度是最大的，且误差分配也比较合理，所以在实际设计中选择了方案1。WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
按方案1的结构进行了机床整机和部件的设计，并且根据设计图对机床整机和部件进行了有限元分析和结构参数改进，避免薄弱环节的出现。结论如下：与同类的立式加工中心相比，这台机床在各个方向的刚度都具有较大的优势，综合当量刚度约提高40%至两倍以上，并且三个方向的刚度值较均匀(见表1)。P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
表1 与类似规格加工中心的刚度计算值比较 WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
机床名称 X向刚度WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
Kx(N/μm) Y向刚度P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
Ky(N/μm) Z向刚度WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
Kz(N/μm) 三向综合当量刚度WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
K(N/μm) WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
其它类似加工中心 A 46.6 46.8 53.7 48.7 WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
B 32.3 50.0 95.9 45.2 ——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
C 20.4 37.2 59.1 29.7 W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
D 32.3 65.1 118.2 48.7 WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
E 31.2 34.2 39.7 34.5 WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
μ1000 59.7 64.9 92.9 68.7 ——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
由计算结果可知，机床整机的整体性能优良，机床静态刚度显着提高，可以满足高速、高精、高效的要求。 WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
这种布局结构的优点是：床身、立柱分体，且主要构件均呈箱形结构，加工中不易变形，加工工艺性好；结合面较大，基础稳固，主轴悬伸小，整体结构刚度高；左右完全对称式设计，主轴X向热平衡较好；Y向悬伸小，热变形影响小；X、Y、Z轴移动部件轻，加速性好；构件结构稳固易于保证导轨运动精度，精度稳定性好。 WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
为保证机床的精度稳定，床身、立柱、滑座、主轴箱等都采用有限元分析，应用高阻尼性能的优质铸铁制造；合理的截面设计和筋格布置，尽量避免行程中出现不合理的悬臂状态；导轨采用高刚性滚柱导轨，安装基面精密刮研。 W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
μ1000系列机床打破通常机床结构形式，床身采用三点支撑，高刚性设计，使机床调整简单，不依赖于地基，机床可不需特殊地基而直接安装在水泥地坪上。床身用基于无弯矩的力流原理的特殊筋板设计，保证其上构件在运动过程中，负载重心和切削点始终不离开三点支撑的范围，并有足够的支撑刚度，有利于保持精度的稳定。 W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
plcjs.技.术_网
滑座采用顶置式结构，其特点为高刚性轻型设计，使运动单元灵活，适应高速要求。滑座沿立柱导轨作X向运动，加长导轨支撑长度，运动时滑座始终不离开导轨，易保证直线度、定位精度和加工精度。工作台只作单方向(Y向)移动，与十字工作台结构相比移动部件轻，且承重大，设计承重大于800kg。另外工作台沿导轨方向运动，结构刚性好，运动精度高，避免了传统机床工作台移动到两端後直线度降低或超差问题。扁长的主轴箱结构，使主轴重心尽量靠近X向导轨，主轴中心与导轨距离295mm，比传统机床减少五份之二，这样主轴悬伸小，受弯矩小。另外导轨安装在主轴箱上，滑块在滑座上，大大增强了Z向刚性，提高了加工精度和运动稳定性，定位精度高。 WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
采用了宽度较大的滚柱导轨，中等预载荷消除了间隙和爬行，提高系统刚度和运动精度。 WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
线性轴驱动采用伺服电机带动高速滚珠丝杠副，它采取预紧式单螺母形式，结构紧凑。丝杠的支撑采用两端固定支撑并施加预拉伸，以提高传动系统刚度，吸收丝杠发热引起的热伸长造成的误差。丝杠与电机间的联轴器选用波纹管形式，其优点是：传动效率高、刚性好、传递扭矩大、扭转刚度高，且自身转动惯量小，适应高速性。适当增加座的长度以增加螺母座及丝杠轴承座与基础件间结合面刚度，同时工艺上采取配刮研技术，使精度直接进入稳定期，提高耐冲击能力。 WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
高刚性内装式电主轴，前轴承选用中预载的四列背对背高速角接触陶瓷球轴承，轴承内径?70，这种组合方式使轴承可同时承受径向和轴向载荷，主轴动静刚度高。 plcjs.技.术_网
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
为了减少冲击、提高定位精度，控制系统设定了钟型加减速功能和HRV(High Response Vector)控制功能，调整了影响动态性能的位置和速度增益。同时，为了实现长寿命设计，设计中对一些影响精度和工作性能的关键部件采取了相应措施，如：由于主轴轴承用油气润滑，部分油气会进入电机定子与转子之间，使电机被污染而影响使用性能和寿命，为了克服这一点，在电机前後端均有低压乾燥清洁气体吹入，局部形成轻微正压，以防止油气进入，保证电机性能稳定，寿命长；为避免主轴前端有脏物进入轴承，并防止轴承油气润滑的废油渗出到主轴端面上，主轴最前端加一路气，以防止脏物进入和吹散废油；五轴联动的转台电机直接运动于工作区时，脏物可能进入电机，影响寿命，为此，转台上两个电机罩均加有低压气体吹气，形成正压，阻止异物侵入；为了保证光栅长久保持精度，提高使用寿命，光栅的读数头上也有乾燥清洁的空气吹入。 WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
为了保证高精度，多种措施被采用以减少机床的热变形和振动。如主轴套筒和前後轴承座恒温循环冷却，油气润滑减少轴承发热，後轴承使用圆柱滚子轴承，一旦发生热变形，主轴就向後伸长，不影响加工精度；大流量冷却刀具和工件，减少切削热产生；床身上两个螺旋排屑器及时将切屑排出机体，避免切屑大量堆积引起床身热变形；机床对称式设计，平衡热变形等；主轴具有中心内冷却功能，内冷最大压力为22 bar，可满足高速切削、小孔加工和深孔加工对排屑畅通、及时带走加工热量的要求。 WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网