摘要：分析了电火花成型机床各种结构的运动特点，对电火花成型机床常见结构的内在问题进行深入剖析和比较，提出了高精密电火花成型机床相应结构模型和优化设计方案，并在此基础上完成了G450C龙门式高精密数控电火花成型机床的主机设计。

  
      精密数控电火花成型加工机床是精密特种加工技术的重要设备之一，对精密机械、汽车、微电子、家电产品以及航空航天的精密零件和精密工模具制造具有重要意义[1]。当前，市场上高精密数控电火花成型机床主要是以国外知名品牌为主，国内品牌的电火花成型机床与之相比无论在机床性能、精度，还是稳定性方面都存在着较大的差距。面向巨大的市场需求，结合精密零件和工模具技术发展的要求，笔者公司引进德国欧吉索先进技术，成功研制出技术领先、性能优越、价格适中的中小型龙门式高精密数控电火花成型机床G450C。

      1、数控电火花成型机床结构运动特点及其存在问题分析

      1.1数控电火花成型机床的结构形式及运动特点

      数控电火花成型机床通常是由机械运动系统、脉冲电源系统、数控系统和工作液循环过滤系统及附件等组成。机械运动系统主要由运动部件、运动机构、主轴、工作台和工作液槽等组成。根据不同的机械结构形式，主要分为立柱式（C型） 结构、滑枕式（牛头式） 结构、龙门式结构数控电火花成型机床。各种机械结构运动特点不一样，分别适用于不同性能要求的机床。

  
      立柱式（C型） 结构数控电火花成型机床的运动特点是：床身和立柱固定不动，滑板通过运动机构带动工作台相对底座床身实现横向伺服进给运动，工作台通过运动机构相对滑板实现纵向伺服进给运动，主轴头通过运动机构相对立柱实现上下伺服进给运动，如图1所示。底座和立柱连成一体呈楔形对称结构，刚性和精度较好。因采用三面开放式设计，操作者容易进入工作区域，装夹工件比较方便。由于此结构是靠工作台支承和装夹工件并实现纵横向运动，因此工件的尺寸和重量不能太大，通常应用于中、小型数控电火花成型机床。

      图1 立柱式数控电火花成型机床结构示意图

      滑枕式（牛头式） 结构数控电火花成型机床的运动特点是：工作台固定不动，滑板通过运动机构带动滑枕和主轴头相对底座床身实现横向伺服进给运动，滑枕通过运动机构带动主轴头相对滑板实现纵向伺服进给运动，主轴头通过运动机构相对滑枕实现上下伺服进给运动，如图2所示。该结构沿用三面开放式设计，操作者容易进入工作区域，装夹工件比较方便，也为设计、安装可升降式工作液槽提供方便。该结构三个运动轴相互关联，制造比较困难。滑枕式结构在大、中、小型机床中均有采用，比较适合数控化程度较高的机床。
 

      龙门式结构数控电火花成型机床的运动特点是：工作台一般固定在床身上，龙门架通过运动机构带动滑板和主轴头相对底座床身实现纵向伺服进给运动，滑板通过运动机构带动主轴头相对龙门架实现横向伺服进给运动，主轴头通过运动机构相对滑板实现上下伺服进给运动，如图3所示。这种机床刚性好，精度高，稳定性好。但由于龙门结构较为复杂，制造比较困难。龙门式结构适合大、中型电火花成型机床采用。

     图2 滑枕式数控电火花成型机床结构示意图

     图3 龙门式数控电火花成型机床结构示意图

     1.2电火花成型机床常见机床结构内在问题分析

     滑枕式结构具有承载能力强、工件安装稳定性好、滑枕移动便捷，且加工精度不受工作台负荷影响等结构优势，但滑枕式的结构使得其主轴相关部件的精度受重力的影响较大，图4给出了滑枕式机床主轴相关部件及其变形示意图。由图可知，平滑枕以及与其相连接的立轴底座、立滑枕受重力的作用而发生变形，随着它们沿十字马鞍向+Y 方向的移动，变形量还会不断增大，刚性也随着变差[2]。

      图4 滑枕式机床主轴相关部件及其变形示意图

      对于滑枕式结构，因为工作头的位置随滑枕的移动引起各部件受力的变化，长期精度不稳定，如图5所示。同时，由于平滑枕悬伸过长刚性变差导致轴的行程也受到限制，导轨平行度误差也随着悬伸量（变形量） 的增大而得到放大；该结构的设计要求床身重、工作头轻，这会导致床身受温度的变化较缓慢，而工作头受温度的变化较为敏感，这种受热不均结构会导致机床的精度受温度的变化而变化，热稳定性较差。

      
  
         图5 滑枕式机床受力变化示意图

     立柱式电火花机床依靠工作台的移动来实现X/Y轴的运动，因而这两条轴的精度与工件的重量密切相关，其动态精度和刚性都会受之影响。同时，X/Y轴的行程因工作台需在狭小有限的空间内移动而受到限制，如果要设计加工稍大一点的工件，则机床的底座和立柱会更显大型化，相对于机床尺寸来说，可加工区域明显偏小，而刚性也会随着立柱横梁悬伸加长而变差。此结构不宜设计、安装可升降式工作液槽，工作液容易随着工作台的不断平动而溅出。

     以上两种国内常见电火花成型机床结构由于机械结构本身内在的问题，导致在实际的使用中直接影响到零件或模具的加工精度和表面质量，因此必须通过机床结构正确选型和优化设计，特别是针对这两种结构存在的问题来寻求相对应的解决方案。

  
     2、高精密数控电火花成型机床结构选型及优化设计方案

     2.1结构选型基本思路

     通过对国内常用的两种电火花成型机床机构内在问题点的比较及分析研究，从中得到结论：虽然通过改良部分零件的设计和采用性能更加好的功能部件如导轨和丝杆等，可以改善国内两种常见结构机床的刚性和精度，但要避免因结构本身带来的各种问题，因此需要对机床的结构进行合理选型和优化设计，力求结构简洁、性能可靠，以达到高精密数控电火花成型机床在性能、精度和稳定性等方面的要求。

  
     相对于滑枕式结构，龙门式结构因为工作头悬挂在龙门架上，受力情况不会随主轴头的位置而变化，长期精度可以保持稳定，主轴头可以到达工作台面任意一个角落，且受力情况都是一致的，如图6所示。同时，由于工作头悬伸短且固定不变，刚性好，受外力影响较小，平行度误差也最小化；该结构的床身、工作液和龙门架可以实现整体温度控制，从而实现机床的高精度和热稳定性。

     相对于立柱式结构，龙门式结构（动龙门式） 因机床工作台固定不动，各条轴的运动与工件的重量和工作液无关，其动态精度和刚性不会受之影响。此结构便于设计、安装可升降式工作液槽，油槽可装满工作液时移动，随放电成型加工的位置自动升降，省去冲放时间。

        图6 龙门式机床受力变化示意图

     通过以上比较可以看出，龙门式结构除了能够避免滑枕式结构和立柱式结构的内在结构问题，而且本身很多优点也正好能够满足高精密电火花成型机床的各种要求，因此龙门式结构是设计高精密数控电火花成型机床的首选机械结构。

     2.2方案
 

     G450C龙门式高精密数控电火花机床是巨轮股份专门为中小型高精密零件和工模具市场开发的新机型，该机型针对常见龙门式结构电火花成型机床制造成本高，操作不太方便，占地面积大，只适合大、中型电火花成型机床等问题点，从结构适用及加工工艺性好的设计原则方面考虑对龙门式结构进行优化设计。

     与常见的龙门式电火花机床一样，结构优化后的G450C机床主体机械结构仍然由床身、龙门架、滑枕、主轴箱和工作液槽组成，整体结构没改变，只是将一些主要零部件的结构进行改进和优化。

     优化后的龙门式电火花成型机床结构跟原来的机械结构存在如下不同点。

     传统的龙门式机床采用动龙门结构，因为需要有足够大的“门”结构空间悬挂滑枕和主轴头，因此只适合大中型电火花成型机床设计使用。为了兼容床身和工作液槽，通常床身是由钢板焊接而成。为保证主轴头的悬伸刚性，滑枕和主轴箱在满足刚性和使用尺寸的情况下，采用了紧凑的设计原则。如图3所示。
 

     而优化后的龙门结构则是针对G450C机床适用零件的特点，对机械部分的几大部件进行改进和优化。主要体现在：龙门架采用三角横梁设计，既能保持龙门结构的特点，又加强了龙门架的刚性（对比门式龙门架）；床身为了配合龙门架的三角横梁设计，将原来长方体的结构改进优化成L型箱体结构，使得三角龙门架可以在L型箱体上部实现前后运动；为了确保X/Y 轴的行程和刚性，滑枕和主轴箱由原来的紧凑设计改成仿生箱体设计。如图7所示。

     图7 G450C机床模型图

     相对于传统的龙门式电火花成型机床结构，优化后的G450C机床结构具有如下优点：

    （1） 整机结构沿用经仿生优化设计的龙门式结构，结构紧凑且行程大，刚性大且可保持长期高精度，静态和动态性能俱佳；
    （2） 采用高性能铸铁结构，确保机床的机械稳定性和精度，不受工件重量或工作液重量的影响；
    （3） 机床设计符合人机工程学原理，提供了机床占地面积和加工面积的最佳比例，工作台采用3方向的全开放式设计，高度根据东方人的身高特点而设计；
    （4） ATC采用独创的内藏式和悬挂导轨伸缩设计，充分利用有限空间，电极容量大且不干涉主轴的移动，没有运动死角；
      5） 采用黄金侵害比例设计的外观造型，整机简洁、匀称、色彩搭配协调，巧妙的主轴伸缩防护设计确保了机床操作的安全性。

      3、结束语

     高精密数控电火花成型机床的制造首先应该有合理的结构设计，G450C通过对龙门电火花成型机床的结构进行仿生优化设计，既吸取了立柱式和滑枕式机床结构的优点，也保持了龙门式机床结构的优点，这样的机械结构能有效地保证机床的高精度和高性能，是高精密数控电火花成型机床结构设计的正确方向。