摘要：随着我国航空、航天和模具等行业的不断发展和进步，其对机床加工速度和精度的要求也越来越高，而采购国外高速高精机床，价格昂贵并且还时常受到进口限制，由此可见开发具有自主知识产权的高速高精机床已迫在眉睫。介绍了一种直线电机驱动的超高速五轴立式铣床的结构、主要技术参数，详细介绍了机床主要部件的结构和特点。

   
      传统五轴立式机床的各轴多采用伺服电机带动丝杠的方式进行传动，由于技术条件的制约，难以满足航空、航天和模具等行业中的一些重要零件对机床加工速度和加速度的要求。近年来直线电机、高速电主轴在机床上的应用大大提升了机床加工的速度、加速度和精度，提高了零件的生产效率和加工质量。文中介绍的机床是一款采用直线电机作为驱动的超高速五轴立式铣床。

      1 、机床的结构形式

     直线电机驱动的超高速五轴立式铣床主要包括床身、左立柱、右立柱、左滑座、右滑座、横梁、滑板、滑枕、电主轴及机械式双轴转台等机械部件，并由机械系统、液压系统、润滑系统、冷却系统、电气系统和内外防护等部件组成。

                            图1 超高速五轴立式铣床结构图

     机床总体采用门式结构，如图1 所示，机械双轴转台、左立柱和右立柱放置在床身上，左右立柱上分别放置了两条直线导轨，横梁通过左右滑座与立柱相配合，滑板通过滑块与横梁上面和前面的两条直线导轨配合，滑枕通过滑块与滑板前面的两条直线导轨配合，滑枕下部安装超高速电主轴；横梁在左右立柱上作前后的Y 向移动， 滑板在横梁上作左
右的X 向移动，滑枕在滑板上作上下的Z向移动；X、Y 向采用直线电机直接驱动，Z向采用丝杠传动。

     机床的总体结构对称，具有较好的动静态特性和热稳定性。机床设计采用三维设计软件Pro/E 进行零部件的三维设计和造型，主要部件都使用有限元进行静态分析和模态分析， 找出相应部件的薄弱点， 并对其进行优化改进， 以求达到较好的动静态特性。

     2 、主要技术参数

            表1 超高速五轴立式铣床主要技术参数

     本机床为超高速五轴立式铣床， 根据用户对所要加工零件的工艺和用户的设备需求， 确定机床主要技术参数（如表1 所示）。机床的X、Y 轴驱动均采用直线电机直接驱动，具有较高的快移速度、加速度和精度。机床主轴使用的是西安交通大学自主研发、分别使用陶瓷球轴承和水润滑轴承的两款电主轴， 最高转速分别可达30 000 r/min 和50 000 r/min。

     3 、主要部件的结构和特点

     3.1 床身

    机床的床身为可以承接电气柜的结构形式， 如图2 所示，这样就增大了床身的重量，提高了床身的固有频率，避免或减小床身共振的产生，增加了机床的精度保持性； 另一
方面电气柜可以直接安装在床身上， 当机床X、Y 轴高速移动时， 也能够增加机床的稳定性； 机床运输时， 机床主体可以与电气柜整体吊装运输， 避免了电线电缆重复性的拆装。

     3.2 立柱

    机床Y 轴采用直线电机驱动， 直线电机的使用也给机床设计和装配带来了一些难点，例如初级与次级间巨大的法向磁吸力［2］，本机床所选用直线电机的初次级法向磁吸力达到了30kN，如此巨大的磁吸力由滑块传递到直线导轨并最终作用在立柱上， 这就要求立柱采用承载能力强的结构形式。如图3 所示，机床立柱采用“Y”形结构，将立柱上方导轨面设计在立柱竖直筋板上，增强了导轨、立柱装配后的刚性，减小导轨受力变形的幅度；同时，可以在机床加工空间大小不变的情况下， 节约机床整机的占地面积。

     3.3 滑板

    传统的门式结构机床，滑板结构比较简单，滑板的两组滑块安装面在同一个面上， 并与横梁前面的两根直线导轨相配合，构成了一个悬臂梁结构，加上滑枕和主轴的质量，精度稳定性不够好。本机床滑板采用“L”形结构，如图4 所示，将两组滑块安装面放置在两个相互垂直的平面上， 有效地改善了横梁上导轨和滑块的受力状况。另外，滑板上放置的直线电机初级与横梁前面放置的次级之间的法向磁吸力， 也能改善横梁上导轨和滑块的受力状况，提高整机的精度稳定性。

     3.4 机械式数控双轴转台

     机床A、C 轴功能主要靠机械式数控双轴转台来实现， 该设备是沈阳机床设计研究院独立设计研发的一款产品，其A、C 两轴传动部分齿轮啮合间隙可以通过偏心机构调整齿轮中心距来实现，A、C 两轴凸轮输入与凸轮输出轴啮合间隙可以通过偏心机构调整凸轮副中心距来实现，A、C 两轴可以任意进行角度分度、定位、自锁。该设备通过调整，能够消除数控双轴转台反向间隙，设备加工装配方便，精度保持性能好。伺服电机分别安装在A 轴、转台C 轴中空箱体内部，伺服电机与外界分离，结构紧凑，有效地防止了铁屑与切削液等异物进入传动机构 。

     3.5 床身与立柱的定位调整方式

    床身与立柱的定位调整采用单边带有斜度的楔块与楔键的定位调整方式（如图5 所示），楔块与楔键具有斜度的一面的斜角为1∶100，装配后能够自锁。通过采用这种定位调整方式， 使立柱与床身的装配调整更加方便和快捷。

    4 、结束语

    随着我国机床行业技术水平的不断进步，高速、超高速机床的国产化已经不是梦想。通过对装配完成的五轴立式铣床进行精度和性能的检验，均达到了设计要求，产品的性能和技术指标在国内同类型机床中也是领先的，并且接近该类产品的世界先进水平，具有广阔的市场空间。