VD7000 倒立式车床的设计与研究

石鑫

（ 海德曼（ 上海）自动化技术有限公司，上海201400）

倒立式车床目前国内外市场应用非常成熟，自从德国EMAG 公司在1992 年首先开发出倒立式车床并推向市场以来，由于其固有的结构优势，这一类机床变大放异彩，替代了很多卧式车床加工应用场合，国外陆续出现了很多专门生产倒立车车 床 的 厂 家，例 如EMAG、FAMAR、SCHERER、WEISSER 和HESSAPP 等，在汽车行业生产线上应用很普遍，国内近几年也有一些厂家开发此类机床，例如沈阳机床、吉林金沙数控等，和国外同类机床相比存在精度不高，故障率高，只能用在产品粗加工或者精度要求不高的场合。

1 设计目的

随着国内自动化需求越来越多，客户现在对车床需求发生了很大变化，一是需要一种能够快速传递物流，物流节拍很短，压缩非切削加工时间，二是整个自动化单元成本不高的一种机床，因此倒立式车床目前正越来越受到客户的欢迎，但是国外的这类机床普遍存在价格高，服务不及时，后期使用成本高，一些国内机床厂家看到这一商机也研发出了这类机床并推向市场，我们公司为了应对这种需求变化开发了倒立式车床VD7000。

2 VD7000 倒立式车床的设计原则

数控机床的发展方向为高速、高精度、高可靠性、复合化、智能化网络化和柔性化模块化。按照这一发展方向我们制定了倒立式车床的设计原则：

①高速：A2-11 主轴最高转速3000rpm，采用电主轴结构。②高精度：主轴锥面径跳和端面跳动0.003mm。③高可靠性：主轴轴承、滚珠丝杠及支撑轴承设计寿命为20000h。④复合化：机床复合铣削功能，需要铣削时，配置铣削功能的主轴和刀塔。⑤智能化网络化：机床具备互联网功能，能够配合MES 实现机床监控、排产、刀具、程序、质量模块管理。⑥柔性化模块化：根据客户的工件和要求柔性组合物流形式，各个单元模块化设计。

3 VD7000 倒立式车床的工作原理

如图1 为VD7000 倒立式车床上下料工作原理，料道有A盘和B 盘两个料盘，A 盘为上料盘，B 盘为下料盘，工作时，料道上下料处检测开关判断A 盘和B 盘有无料，分为四种情况进行操作，启动时：

①当A 盘和B 盘都有料时系统报警，人为干预。②当A 盘有料，B 盘无料时，料道B 盘运转至定位开关2 处停，等待主轴下料，下料完，料道B 盘运转至定位开关3 处停，等待主轴上料，主轴上料完进行加工，A 盘和B 盘运转至料道装卸区。③当A 盘无料，B 盘有料时，料道桁架对A 盘上料，对B 盘下料，完成后检测A 盘有料，B 盘无料时重复执行②描述动作。④当A 盘无料，B 盘无料时，料道桁架对A 盘上料，完成后检测A 盘有料，B 盘无料时重复执行②描述的动作。

图1 主轴上下料工作原理图

4 整体结构设计

图2 为倒立车的整体结构示意图。考虑到安全和加工效果，机床整体分为两个区：加工区和上下料区，加工区和上下料区独立分开。料道放置机床的左侧，方便人工上下料和机械手上下料，排屑器中间放置后出排屑，为了维护保养方便，液压站、空气单元和润滑单元集中放置在机床左后侧，考虑到人机舒适性，操作系统布置在机床右侧，采用可旋转支撑臂结构，主轴单元左右上下移动实现上下料动作和加工操作，刀塔单元固定布置在机床右侧。整体结构设计时我们参考了各个厂家倒立车床的结构特点，结合我们自己的设计能力、制造工艺进行综合考虑制定。

5 重要部件设计

5.1 机床结构

图3 为倒立车光机结构示意图，为了避免试制阶段出现大的改动，缩短机床开发周期，提高机床的开发成功率，我们在设计阶段引入了新的设计方法，即实体建模后先进行运动分析，确认行程及空间尺寸，然后有限元分析和动态仿真，不仅分析机床静态特性还分析机床动态特性，优化机床结构设计。机床结构：床身采用整体式床身，滑鞍左右移动形成X 轴，主轴箱在滑鞍上下移动形成Z 轴，刀塔箱固定于底座上。由于采用整体式床身，机床刚性非常好，机床主轴既是进给轴，又是物流轴和手爪，物流和机床合二为一，大大提高了节拍效率，减少了物流成本，节约了物流空间。

图2 倒立车整体结构图

设计时遇到一个难题即主轴箱重量平衡，主轴箱整体重量为1550kg，Z 轴上下移动时惯量很大，设计时考虑三种方案，即主轴箱不平衡、液压缸平衡和氮气缸平衡，我们通过多个维度对比分析，最终我们采用了方案三，即氮气平衡缸方案，对比分析如表1 所示，表中5 为最高分，1 为最低分。

图3 倒立车机械部分结构图

5.2 主轴单元

主轴采用同步电主轴技术，主轴接口为A2-11 接口主轴，采用26kW 同步电机，最大扭矩可以达到1000Nm，由于采用同步电主轴技术，最高转速可以达到3000rpm，主轴轴承结构采用前四后一结构，前面配置一对圆柱滚子轴承和一对推力角接触球轴承，后面配置一个单列圆柱滚子轴承，为了进一步优化主轴结构，主轴平衡采用氮气缸进行平衡，结构紧凑。主轴冷却采用水冷机强制冷却，保证主轴电机发热减少到最小，主轴变形得到很好的控制，同时还对前部轴承进行冷却，保证轴承温度适宜，提高了主轴精度和轴承的寿命。为了提高主轴动态精度，主轴单元采用双面动平衡结构，前面和后面两个部分分别进行动平衡。主轴单元有两种配置，带C 轴和不带C 轴，带C 轴可以实现X、Z 和C 轴三轴联动加工，加工一些较复杂的形状，配合抱闸可以实现铣削功能，进一步拓展应用。图4 为主轴单元的结构图。

表1 主轴箱三种平衡方案评价

图4 主轴单元结构图

图5 刀塔单元结构图

5.3 刀塔单元

刀塔单元采用最新的BMT75 结构伺服刀塔，定位端齿盘采用三片式圆弧齿结构，能够保证有较高的定位精度及刚性。刀塔单元采用模块化设计，有动力刀塔和普通刀塔两种配置，两种配置通用80%零件，可以根据客户需求配置动力刀塔配置，为了节省空间，刀盘旋转电机采用减速机结构，减速比可以达到1：60，刀对刀换刀时间可以达到0.25s，铣轴电机采用同步伺服电机，同步带传动，最高转速可以达到4000rpm，铣轴最大扭矩可以达到120Nm，铣轴采用新型结构，没有伞齿轮机构结构简单，成本低，可靠性高。图5 为刀塔单元刀盘的结构图。

5.4 进给轴单元

X 轴和Z 轴采用伺服电机直驱结构，高精度滚珠丝杠传递动力，X 轴最大快移速度可以达到40m/min，Z 轴快移速度可以达到30m/min。X 轴和Z 轴采用55 规格的高精度滚柱导轨，使得机床刚性进一步得到保证。

5.5 物流系统

机床内置物流系统，可匹配机内检测装置及实时在线刀具补偿功能，可完全实现零件自动化的高精度生产。可以单台机床实现一套物流系统，也可以和几台机床组线形成一整套物流系统，方便灵活。

5.6 其他单元

机床采用绿色环保设计理念。机床的润滑采用污染小且便于回收的油脂作为主要的润滑介质；并可根据用户的需求，选用变频液压站实现节能环保的目的。

5.7 选项单元

由于倒立车基本都是自动化单元，因此自动化相关选项设计必不可少，典型的自动化选项有：

①卡盘开闭检测及确认：油缸后端装有两个接近开关，一个检测卡盘松开，一个检测卡盘夹紧工件，主要确认夹紧工件是否异常及给料道提供相应的信号。②工件定位检测及确认：卡盘定位面三个小孔通三路气，当正确夹紧工件时，工件定位面贴合夹紧定位面，压差在设定范围内，当工件没有贴合夹紧定位面时，压差超出设定范围，系统异常报警，检测工件是否正确夹持。③姊妹刀功能：自动化加工时刀具磨损不可避免，更换刀片时需要停机，影响加工产量，可以设置姊妹刀功能，即配置两把相同的刀具设为姊妹刀，设定加工数量，一把刀具到达加工数量后视为磨损不能使用，自动更换为姊妹刀进行加工，减少停机次数。④刀具磨损补偿和破损报警：刀具磨损和破损直接影响零件的加工质量，会引起零件批量报废，通过设置刀具加工工件数量自动补偿刀具磨损，通过检测加工电流值和正常值大小比较判断刀具是否破损，破损后报警提示。⑤卡盘高低压转换：特殊零件粗加工时需要卡盘高压夹紧，精加工时需要低压夹紧防止夹紧变形，可以通过液压回路自动进行转换，机床不停机实现通过M代码实现高低压转换。

6 整体结构调试

6.1 调试方案

倒立车两台样机试造出来后，进行了机床调试和评价。调试和评价分为两个大部分：

①机床精度检验：检测试验标准采用数控车床和车削中心检 验 条 件 ISO13041.3-2009、ISO13041.4-2004 和 ISO13041.6-2009。按照这三个标准我们对倒立车各项精度进行了检测，都能够达到标准要求的各项精度，满足机床出厂条件。图6 为VD7000 样机光机和整机试制照片。②机床试切验证：按照我们自己的标准进行了切削能力测试，测试包括批量加工验证及极限性能验证，满足我们制定的各项标准，图7 为批量加工测试结果。

图6 试制VD7000 样机图

图7 批量加工测试结果图

6.2 技术深化

由于第一次设计和制造倒立车，缺乏相关设计和制造经验，发现了很多问题点，需要后期改造和优化：

①立式车床配置中实油缸，刚开始按照卧式车床设计了中空油缸，试制时出现漏油现象，查找油缸样本确认中空油缸无法配置立车车床，试制后进行了整改。②防护积屑，防护我们单独设计了管路和泵进行冲屑，但是试制时发现铁屑没有被冲掉，铸件上堆积较多铁屑，主要我们选择的泵流量较小压力不够，后期更换大流量泵效果明显得到改善。③热补偿功能的开发，试制过程进行批量加工时发现，如果不进行空运转直接批量加工，加工尺寸半小时内存在波动，停机1 小时再加工尺寸也存在波动，考虑到自动化加工，后期需要开发机床热补偿功能解决开机及停机尺寸波动问题。④防碰撞功能的开发，机床在试切削过程中由于操作不当发生了撞击，造成了主轴精度的损坏，更换维修成本比较高，考虑到如果客户出现此问题损失就非常大，后期有必要开发防碰撞功能，进一步降低客户的后期使用成本。⑤防干涉功能的开发，机型越来越复杂，给机床操作带了比较大难度，不属于机床或者疏忽可能会在手动操作机床时发生碰撞，如果根据机床干涉区、刀具和夹具设置干涉点提醒操作者会避免此类事故，也是后期需要开发完善的功能。

7 结论

通过VD7000 倒立车的成功研发、设计和样机试制，达到了设计方案提出的各项目标，初步建立了倒立车床的设计方法和生产制造体系，为我们后期开发倒立车系列化产品积累了宝贵经验，进一步完善了我们车床产品线，拓展了一种新的加工方式，满足一些盘类零件的高效加工。后期需要进一步产品优化升级，客户处批量长期验证其可靠性。