平台化开发技术在卧式五轴加工中心产品设计中的应用

侯延星

（科德数控股份有限公司沈阳分公司，沈阳 110046）

0 引言

机床产品的开发设计是一个在多项需求和约束中突出重点、寻找平衡的过程。本文提出的平台化机床产品开发理念是基于产品模块化的基础理论。构建一个大的机床产品开发平台，在平台上通过配置不同属性的功能部件组合，并有效集成各类标准件和通用化零件，实现机床产品面向不同行业、不同典型客户群需求的不同类机床产品的开发和快速迭代的过程。

1 产品平台的搭建及具体设计实现

1）建立基础通用件数据库。根据产品设计参数初步确定模型数据匹配关系，修调技术参数。建立基础通用件模型数据库，机床核心基础件[1]包括床身、立柱、滑鞍、工作台滑座、主轴箱体、电动机座等，实际设计中，同规格或行程相近产品归为一个设计开发平台。

2）建立核心功能部件模型数据库。主要包括直驱单轴转台单元模块、直驱单摆头单元模块、立卧转换头单元模块、单驱轴摇篮工作台单元模块、双驱轴摇篮工作台单元模块、双叉直驱摆头单元模块，并对功能相近的功能单元提供标准机械接口，通过模块化、标准化来减少规格。同时兼顾各种电、液、气的准标准接口，遵循上述单元模块的标准化、系列化、模块化的设计原则。

图1 基础通用件库

图2 核心功能部件库

3）平台化产品总体设计表的制定。如图3所示，通过平台化产品总体设计表的制定，阐明平台化产品不同系列、不同规格产品间开发过程中总体基础通用件及核心功能部件、标准化零件之间的借用和通用逻辑关系。并根据这个表格的配比关系进行实际分解，完成核心功能部件的模块化设计，实现标准化模块的通用性开发。

图3 平台化产品总体设计表

2 平台化产品的主体部分构成

单一平台产品的主体部分主要是五轴卧式加工中的三直线轴部分，单一平台上不同系列产品基础大件完全通用，导轨丝杠、电动机座等标准件完全通用。如图4所示，单一平台产品的主体部分构成中，左右动大滑板结构实现X轴运动，上下动主轴箱（采用双驱动，无配重）实现Y轴运动，前后动工作台实现Z 轴进给运动。

图4 单一平台产品的主体部分结构图

如图5所示，2、4、5标注的为三直线轴双丝杠驱动的位置。1、3、6标注的X、Y、Z 轴导轨的安装位置。机床的X、Y、Z等3个直线进给轴坐标均采用高精度的滚珠丝杠双驱设置、高刚度的圆柱滚子直线导轨，利于直线轴实现高动态运动。全系列配备高精度等级光栅尺全闭环控制。

图5 直线进给机构单元

如图6所示，床身底座是整机的安装基础，必须具有足够的刚度，确保其上运动的各移动部件获得高的运动精度和支撑刚度。

图6 床身底座部分构成

如图7所示，立柱部分采用墙式结构，与床身高刚度结合形成L型结构，大大增强了主机固定部分整体刚度，X轴采用滑板结构，采用高刚度三导轨挂壁支撑技术，机床设计过程中采用有限元轻量化设计。

图7 立柱墙体及滑板部分构成

立柱作为重要的支撑部件之一，采用L型封闭框架式结构，结合应用有限元分析优化，外形设计成上窄下宽的形式，以降低其重心；在其立柱腔内部合理布置结构加强筋板，获得足够的静态刚度，X向整个移动部分的重心垂直面投影都保持在立柱的中心区域内，保证X向移动部件的高效和高精度运动平稳性要求，滑板作为机床Y向移动部分的导向，采用双丝杠驱动，无配重，保证直线轴快速、高精度、高运动平稳性。

3 平台化产品核心功能部件部分

如图8所示，本文所述的机床功能部件动力单元主要采用力矩电动机直驱技术替代传统的齿轮+伺服电动机传动、蜗轮蜗杆+伺服电动机传动等机械结构。有利于提高系统的动态响应能力，无反向间隙，无传动机械磨损等优势，定位准确，承载能力中等。

图8 回转工作台部分

如图9所示，摆头主要包括单摆头A轴头、立卧转换头，带车功能单摆头。各种摆头均采用力矩电动机直驱，旋转轴位置反馈均采用绝对测量系统闭环控制。

图9 主轴头部分

科德GNC6X系列国产数控系统（04专项标志性成果之一）是自主知识产权，其特点为：1）高速信息交互GLNK光纤运动控制现场总线。2）精密的位置/角度感知，传感细分技术。通过独特的激光干涉全闭环控制技术，对来自直线/角度传感器的信息进行细分处理，实现机床的精密控制保证技术。3）精准的高频控制调度GRTK实时内核。支持多核CPU，运动控制运算、逻辑控制运算、人机交互更高效，实现高频控制。

4 产品平台化开发的实例

如图10所示，卧式五轴UT 系列产品特别适合航空发动机机匣类典型零件加工的用户需求。主机结构完全借用平台总体布局。不同配置为：单摆头结构实现A轴运动，主轴为车削主轴，直驱转台实现B轴运动，B轴带有车削功能。A/B轴均采用力矩电动机直驱技术。

图10 卧式五轴UT系列基型产品

如图11所示，卧式五轴UD系列特别适合箱体类典型零件加工为主的典型用户需求。产品主机结构完全借用平台通用总体布局。不同配置为：主轴单元配置大转矩电主轴，工作台上配置摇篮转台以实现A/B轴功能。

图11 卧式五轴UD系列基型产品

5 产品平台化的优势

1）提高工作效率。通过产品模块标准化、通用化的设计，实现模块化[2]单元和共性技术的重用过程，降低设计风险，提高产品的可靠性和设计质量，降低设计成本。

2）采用平台化、标准化模块研发系列产品，能够缩短产品采购周期、物流周期及生产制造周期，降低产品的采购成本、物流成本、制造成本和日后的产品售后服务成本。

3）采用平台化产品开发模式[3]，有利于产品的快速多次迭代。不断升级产品模块功能属性，提高产品的整体性能和可靠性。

6 结语

基于产品的平台化研发，有利于企业研发团队加强产品的标准化、规范化工作，满足企业批量化生产的需求，实现企业分工的细化，提升企业管理水平，降低生产制造组织难度，打造标准化作业基础。