重心驱动原理在高速卧式镗铣加工中心关键部件结构设计中的应用*

黄晓严，李 壮

(大连华根机械有限公司，辽宁 大连 116620)

0 引言

高速进给驱动技术是保证高速加工中心高速工作的关键技术。传统的加工中心大都是利用单个丝杠驱动实现其各个方向的运动，而丝杠与丝杠驱动部件的重心很难重合，因此驱动部件容易受到扭矩，产生振动，从而影响加工中心速度的提高。在高速卧式加工中心的结构设计中采用新型的数控起床进给驱动方式——重心驱动技术，能够有效地提高其运动速度和运动精度。

1 重心驱动的原理

在对运动物体施加作用力时，如果力的作用线不通过物体重心，那么物体就会受到附加的偏心载荷，这会使物体的运动受到扰动，从而产生振动［2］。研究表明，运动物体的振动大小与驱动点与重心的距离成正比［3］。重心驱动就是利用这个原理，尽可能地使驱动力直接通过被驱动物体的重心，从而避免偏载，也就避免了产生振动。在高速卧式加工中心结构设计中采用重心驱动技术，就是要把运动部件的重心置于两个驱动点中间，产生与实际的驱动力通过重心完全相同的效果，极好地抑制了各轴进行驱动时产生的振动，实现了机床的稳定驱动。

2 高速卧式加工中心

高速卧式加工中心由床身、立柱、滑架、主轴箱、工作台等关键部件组成，属于镗铣类加工中心，其模型如图1所示。立柱固定在床身上，并安装两根导轨分别与滑架上的滑块配合。滑架上安装的两条导轨分别与主轴箱上的滑块配合。工作台上安装的滑块与床身上的导轨配合。主轴箱沿着滑架上下运动，实现加工中心Y方向的移动，滑架沿着立柱左右运动，实现加工中心X方向的运动。主轴箱和滑架均布置在立柱一侧，组成框架式结构，即“箱中箱”式结构。工作台由直线电机驱动沿着床身上的导轨前后运动，实现加工中心Z方向的运动。

图1 高速加工中心模型

3 应用重心驱动技术的结构设计

3.1 工作台结构设计

按照重心驱动的原理，为了使工作台在Z方向(工作台前后移动方向)能达到较高的运动速度，采用直线电机加两对称放置直线导轨的结构布局。工作台受到的驱动力作用于工作台的理论重心，这样可以有效地减少工作台前后移动的振动。工作台的驱动结构如图2所示。

3.2 主轴箱结构设计

主轴箱采用对称设计，两根丝杠放置于主轴箱重心的两侧。当两个电机驱动丝杠时，驱动力接近主轴箱重心，这样可以有效地减少主轴箱上下移动的振动。主轴箱的驱动结构如图3所示。

3.3 滑架结构设计

滑架体本身采用中空四边形、矩形加横筋四周环绕壁构成，用铸铁铸成。这样的滑架，结构上使其在装配有主轴箱的时候，左右和上下移动均为重心驱动，而且本身能吸收振动，提高抗弯，抗扭能力。滑架结构的驱动结构如图4所示。

图4 滑架结构示意图

立柱和滑架上的导轨为垂直布置，滑架、立柱和主轴箱所形成的“箱中箱”的结构能够确保切削力同时作用在两组导轨之间，并有效的避免加工过程中所产生的颠覆力矩，同时可以提高加工中心各个方向的刚度。

3.4 立柱结构设计

由于立柱中心有主轴和各种油管、气管和电缆，所以立柱为矩形四边环状形状，其也采用左右对称，上下根据主轴的运动行程和受力情况考虑其高矮。厚度根据主轴承受最大轴向力确定其厚度。

4 整机动静态特性有限元分析

利用有限元软件对应用重心驱动技术的高速卧式镗铣加工中心整机进行动静态特性有限元分析，可以检验重心驱动技术是否可以使加工中心具有良好的动静态特性［3］。

4.1 分析前处理

将加工中心的三维模型导入到Ansys Workbench环境中，采用自动网格划分功能对整机模型进行网格划分，划分好网格的整机模型有360527单元、667712个节点［4］。在整机模型中，各部件的结合部位可以简化为一系列等效弹簧和一系列等效阻尼器构成的动力学模型。可利用有限元模型中的接触面来模拟等效弹簧刚度和等效阻尼系数，利用结合类型的Friction和Stiffness建立滑块结合部位弹性约束，通过改变模拟导轨、滑块接触面积和高度尺寸来改变接触刚度和阻尼系数。

4.2 静态特性分析

静态特性分析是用来计算加工中心在固定载荷下的效应，即稳态载荷引起的系统或部件的应力和应变等，所以静态特性分析为优化机床结构、改善机床性能、保证机床的加工精度提供了非常重要的参考［5］。在加工中心刀具位置施加正常工况下的切削力，在床身底面施加固定约束，对加工中心进行静态特性分析。其变形结果图5所示，应力结果如图6所示。

图5 加工中心变形图

从图5可以看出加工中心变形分布比较均匀，床身变形最小，工作台次之，立柱变形从下往上慢慢增加，滑架、主轴箱和工作台的变形均为上下左右对称，由此可知，重心驱动技术，确实可以使加工中心受力均匀。最大位移出现在刀具位置，为0.066mm，这是由于对刀具没有进行精确建模，应力集中导致。而其余床身部件累计变形小于0.03mm左右。

从图6可以看出，加工中心应力分布比较均匀，加工中心最大应力为16.36MPa，远远小于灰铸铁的极限应力250Mpa。

图6 加工中心应力图

综合图5和6，立柱、主轴箱、滑架和工作台的应变和应力都呈对称分布，且数值均较小，可以看出采用重心驱动的高速卧式镗铣加工中心具有良好的静态特性。

4.3 动态特性分析

利用有限元软件对加工中心进行模态分析，计算其固有振动特性，确定其固有频率和振型，为研究加工中心工作过程中产生的振动现象提供依据［6-7］。由于加工中心低阶固有频率才有可能切削力频率接近或重合产生共振，所以只分析滑枕前四阶模态。前四阶固有频率如表1所示，振型如图7所示。前处理与静态特性分析相同，且不施加载荷，如下所示为加工中心的4阶固有频率与振型图。

表1 整机4阶固有频率

如图7所示，加工中心的一阶模态为立柱沿Z方向前后摆动，二阶模态模态为立柱沿X方向左右摆动，三阶为立柱绕Y方向扭动，四阶模态为滑架、主轴箱尾部沿Y方向上下振动。

主轴箱、滑架的振动都比较平稳且幅值很小，立柱的振动稍大，由此可以看出加工中心动刚度较好，但立柱为其薄弱环节。由于主轴箱安装在滑架上，滑架安装在立柱上，因此立柱的振动将传递到主轴箱上，引起刀具的振动，降低加工精度，所以提高立柱的动刚度，可大幅度提高整个加工中心的动刚度。

应用重心驱动的该高速卧式镗铣加工中心实际的进给速度为:X=75m/min、Y=75m/min、Z=100m/min，加速度1.2g。虽然没有达到国外的水平，但相对国内的水平已经有了很大的提高。因此，重心驱动技术作为一种新型的数控机床进给驱动方式，可以有效地减少加工中心的振动，提高其动静态特性。

图7 整机前四阶振型图

5 结束语

(1)介绍了重心驱动的原理，并应用重心驱动原理设计了高速卧式镗铣加工中心的关键部件，利用有限元软件分析了整机的动静态特性分析，整机具有较好的动静特性。

(2)重心驱动技术作为一种新型的数控机床进给驱动方式，可以有效地减少加工中心的振动，提高其动静态特性。

［1］杨忠良.高速切削的发展及应用领域［J］.机械工程师，2010(4):12－14.

［2］胡俊.重心驱动工作台动力学建模及其特性分析［D］.湖北:华中科技大学，2005.

［3］杨勇，叶文华，刘世豪，等.结合面参数以及“重心驱动”对机床动力学性能的影响［J］.组合机床与自动化加工技术，2010(7):17－21.

［4］丛明，房波，周资亮，等.车-车拉数控机床拖板有限元分析及优化设计［J］.中国机械工程，2008(2):85－90.

［5］Ming Cong，Qiang Zhao，Tao Han.Influence of different boundary constraint in static and dynamic analysis［c］.2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering.June 26，2010-June 28，2010.Wuhan，China:IEEE Computer Society.

［6］吕建法，闫兵，李柏林，等.数控铣床滑枕有限元分析及试验研究［J］.机械设计与制造，2010(5):185－187.

［7］韩江，孟超，姚银鸽，等.大型数控落地镗铣床主轴箱的有限元分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2009(10):82－84.