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       摘要：隨著我國航空、航天和模具等行業的不斷發展和進步，其對機床加工速度和精度的要求也越來越高，而采購國外高速高精機床，價格昂貴并且還時常受到進口限制，由此可見開發具有自主知識產權的高速高精機床已迫在眉睫。介紹了一種直線電機驅動的超高速五軸立式銑床的結構、主要技術參數，詳細介紹了機床主要部件的結構和特點。

   
      傳統五軸立式機床的各軸多采用伺服電機帶動絲杠的方式進行傳動，由于技術條件的制約，難以滿足航空、航天和模具等行業中的一些重要零件對機床加工速度和加速度的要求。近年來直線電機、高速電主軸在機床上的應用大大提升了機床加工的速度、加速度和精度，提高了零件的生產效率和加工質量。文中介紹的機床是一款采用直線電機作為驅動的超高速五軸立式銑床。

      1 、機床的結構形式

     直線電機驅動的超高速五軸立式銑床主要包括床身、左立柱、右立柱、左滑座、右滑座、橫梁、滑板、滑枕、電主軸及機械式雙軸轉臺等機械部件，并由機械系統、液壓系統、潤滑系統、冷卻系統、電氣系統和內外防護等部件組成。

                            圖1 超高速五軸立式銑床結構圖

     機床總體采用門式結構，如圖1 所示，機械雙軸轉臺、左立柱和右立柱放置在床身上，左右立柱上分別放置了兩條直線導軌，橫梁通過左右滑座與立柱相配合，滑板通過滑塊與橫梁上面和前面的兩條直線導軌配合，滑枕通過滑塊與滑板前面的兩條直線導軌配合，滑枕下部安裝超高速電主軸；橫梁在左右立柱上作前后的Y 向移動， 滑板在橫梁上作左
右的X 向移動，滑枕在滑板上作上下的Z向移動；X、Y 向采用直線電機直接驅動，Z向采用絲杠傳動。

     機床的總體結構對稱，具有較好的動靜態特性和熱穩定性。機床設計采用三維設計軟件Pro/E 進行零部件的三維設計和造型，主要部件都使用有限元進行靜態分析和模態分析， 找出相應部件的薄弱點， 并對其進行優化改進， 以求達到較好的動靜態特性。

     2 、主要技術參數

            表1 超高速五軸立式銑床主要技術參數

     本機床為超高速五軸立式銑床， 根據用戶對所要加工零件的工藝和用戶的設備需求， 確定機床主要技術參數（如表1 所示）。機床的X、Y 軸驅動均采用直線電機直接驅動，具有較高的快移速度、加速度和精度。機床主軸使用的是西安交通大學自主研發、分別使用陶瓷球軸承和水潤滑軸承的兩款電主軸， 最高轉速分別可達30 000 r/min 和50 000 r/min。

     3 、主要部件的結構和特點

     3.1 床身

    機床的床身為可以承接電氣柜的結構形式， 如圖2 所示，這樣就增大了床身的重量，提高了床身的固有頻率，避免或減小床身共振的產生，增加了機床的精度保持性； 另一
方面電氣柜可以直接安裝在床身上， 當機床X、Y 軸高速移動時， 也能夠增加機床的穩定性； 機床運輸時， 機床主體可以與電氣柜整體吊裝運輸， 避免了電線電纜重復性的拆裝。

     3.2 立柱

    機床Y 軸采用直線電機驅動， 直線電機的使用也給機床設計和裝配帶來了一些難點，例如初級與次級間巨大的法向磁吸力［2］，本機床所選用直線電機的初次級法向磁吸力達到了30kN，如此巨大的磁吸力由滑塊傳遞到直線導軌并最終作用在立柱上， 這就要求立柱采用承載能力強的結構形式。如圖3 所示，機床立柱采用“Y”形結構，將立柱上方導軌面設計在立柱豎直筋板上，增強了導軌、立柱裝配后的剛性，減小導軌受力變形的幅度；同時，可以在機床加工空間大小不變的情況下， 節約機床整機的占地面積。

     3.3 滑板

    傳統的門式結構機床，滑板結構比較簡單，滑板的兩組滑塊安裝面在同一個面上， 并與橫梁前面的兩根直線導軌相配合，構成了一個懸臂梁結構，加上滑枕和主軸的質量，精度穩定性不夠好。本機床滑板采用“L”形結構，如圖4 所示，將兩組滑塊安裝面放置在兩個相互垂直的平面上， 有效地改善了橫梁上導軌和滑塊的受力狀況。另外，滑板上放置的直線電機初級與橫梁前面放置的次級之間的法向磁吸力， 也能改善橫梁上導軌和滑塊的受力狀況，提高整機的精度穩定性。

     3.4 機械式數控雙軸轉臺

     機床A、C 軸功能主要靠機械式數控雙軸轉臺來實現， 該設備是沈陽機床設計研究院獨立設計研發的一款產品，其A、C 兩軸傳動部分齒輪嚙合間隙可以通過偏心機構調整齒輪中心距來實現，A、C 兩軸凸輪輸入與凸輪輸出軸嚙合間隙可以通過偏心機構調整凸輪副中心距來實現，A、C 兩軸可以任意進行角度分度、定位、自鎖。該設備通過調整，能夠消除數控雙軸轉臺反向間隙，設備加工裝配方便，精度保持性能好。伺服電機分別安裝在A 軸、轉臺C 軸中空箱體內部，伺服電機與外界分離，結構緊湊，有效地防止了鐵屑與切削液等異物進入傳動機構 。

     3.5 床身與立柱的定位調整方式

    床身與立柱的定位調整采用單邊帶有斜度的楔塊與楔鍵的定位調整方式（如圖5 所示），楔塊與楔鍵具有斜度的一面的斜角為1∶100，裝配后能夠自鎖。通過采用這種定位調整方式， 使立柱與床身的裝配調整更加方便和快捷。

    4 、結束語

    隨著我國機床行業技術水平的不斷進步，高速、超高速機床的國產化已經不是夢想。通過對裝配完成的五軸立式銑床進行精度和性能的檢驗，均達到了設計要求，產品的性能和技術指標在國內同類型機床中也是領先的，并且接近該類產品的世界先進水平，具有廣闊的市場空間。