Высокоскоростной 5-осевой портальный обрабатывающий центр 2550 предназначен для изготовления высокоточных пресс-форм в автомобильной промышленности, а также для обработки сложных деталей, используемых в авиационной и аэрокосмической отраслях. Подобное оборудование относится к числу ключевых технологических решений для высокотехнологичных отраслей промышленности, где предъявляются повышенные требования к точности, производительности и качеству обработки.

5-осевые портальные обрабатывающие центры широко применяются при производстве авиационных компонентов, космической техники, железнодорожного транспорта, а также сложной инструментальной оснастки. Благодаря одновременному управлению по пяти координатам оборудование позволяет обрабатывать детали сложной пространственной формы за одну установку, сокращая производственный цикл и обеспечивая высокую точность геометрии.

Рассматриваемый в исследовании обрабатывающий центр был специально разработан для изготовления пресс-форм, предназначенных для производства прозрачных авиационных изделий методом литья под давлением. Конструкция станка обеспечивает выполнение как черновой, так и чистовой обработки, гарантируя высокую точность размеров и превосходное качество поверхности готовых изделий.

1. Общая концепция конструкции станка

1.1 Общая компоновка механической системы

Общая компоновка высокоскоростного 5-осевого портального обрабатывающего центра 2550 представлена на рис. 1. Станок построен по портальной схеме, обеспечивающей высокую жесткость конструкции, стабильность геометрии и точность обработки крупногабаритных деталей.

Конструкция предусматривает неподвижное расположение рабочего стола и боковых стоек портала. Поперечная балка, каретка и ползун перемещаются вдоль оси X по направляющим, установленным на боковых стойках, с приводом от линейных двигателей. По оси Y каретка и ползун также приводятся в движение линейными двигателями, перемещаясь по поперечной балке. Перемещение по оси Z осуществляется посредством шарико-винтовой передачи (ШВП), обеспечивающей вертикальное движение ползуна.

Обрабатывающий центр оснащен двухосевой поворотной фрезерной головкой A/C, обеспечивающей полноценную 5-осевую обработку. Поворот вокруг оси Z в диапазоне ±360° формирует ось C, а качание вокруг оси X в пределах ±110° — ось A.

Для повышения универсальности обработки используется сменная конструкция фрезерной головки. Внутри ползуна располагается базовый механизм оси C, а автоматическая система смены головок позволяет выбирать одну из двух головок оси A, предназначенных соответственно для черновой и чистовой обработки. Смена выполняется полностью автоматически с использованием магазина головок, что значительно сокращает время переналадки оборудования.

Перемещение по оси X осуществляется по четырем высоконагруженным линейным направляющим, разделенным на две группы и установленным на боковых стойках портала (рис. 2). Первичная часть линейного двигателя закреплена на поперечной балке, а вторичная расположена между направляющими каждой группы, что обеспечивает равномерное распределение нагрузки и высокую динамическую точность перемещения.

По оси Z применяется двухприводная система на базе шарико-винтовых передач, повышающая надежность конструкции и обеспечивающая стабильность точностных характеристик станка в процессе эксплуатации.

Все линейные оси оснащены оптическими линейными измерительными системами (линейными энкодерами), работающими по схеме полного замкнутого контура управления. Такое решение позволяет существенно повысить точность позиционирования, повторяемость обработки и компенсировать влияние температурных и механических погрешностей.

Совместная работа трех линейных осей (X, Y, Z) и двух поворотных осей (A, C) обеспечивает полноценную 5-осевую интерполяционную обработку, необходимую для изготовления деталей со сложными пространственными поверхностями.

Предложенная компоновка полностью соответствует требованиям высокоскоростной обработки крупногабаритных авиационных пресс-форм для изготовления прозрачных элементов, а также обеспечивает эффективную обработку сложных силовых конструкций и деталей современных воздушных судов.

Рисунок 1. Общая компоновка высокоскоростного 5-осевого портального обрабатывающего центра 2550

Обозначения:

1. Левая стойка портала
2. Поперечная балка
3. Каретка (ось Y)
4. Рабочий стол
5. Магазин сменных фрезерных головок
6. Двухосевая поворотная фрезерная головка (A/C)
7. Ползун (ось Z)
8. Правая стойка портала

1.2 Конструктивное проектирование и методы инженерного анализа

При проектировании высокоскоростного 5-осевого портального обрабатывающего центра применялся современный подход, основанный на методах динамического моделирования и цифрового инженерного анализа. С учетом необходимости создания семейства станков основные конструктивные узлы разрабатывались по модульному принципу, что позволяет упростить модернизацию оборудования, расширить его функциональные возможности и сократить сроки разработки новых моделей.

Трехмерное проектирование конструкции выполнялось в системе PTC Creo (Pro/ENGINEER), обеспечивающей высокую точность цифровой модели и удобство последующего инженерного анализа.

Для исследования кинематики и динамики механизмов, прежде всего двухосевой поворотной фрезерной головки A/C, использовался программный комплекс MSC ADAMS. Проведение виртуального моделирования позволило оценить характеристики движения, динамические нагрузки и оптимизировать конструкцию еще на этапе проектирования.

Прочностной расчет несущих элементов станка и их оптимизация выполнялись методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS. Анализу подвергались как вся конструкция станка, так и наиболее ответственные базовые узлы — портал, поперечная балка, ползун и другие крупногабаритные элементы.

Комплексное применение современных CAD/CAE-технологий позволило создать конструкцию с высокой жесткостью, минимальным уровнем вибраций и сниженной массой подвижных узлов. Благодаря этому удалось повысить динамические характеристики оборудования, увеличить скорость ускорений и быстрых перемещений, а также обеспечить высокую точность обработки при работе на больших скоростях.

Особое внимание при разработке конструкции было уделено организации рабочей зоны. Компоновка станка выполнена с учетом требований эргономики: обеспечен удобный доступ оператора к рабочему пространству, зона обслуживания оптимизирована для безопасной эксплуатации и сокращения времени вспомогательных операций (рис. 3).

Рисунок 2 — Схема размещения линейного двигателя оси X

Рисунок 3 — Первая собственная форма колебаний станка

В ходе разработки станка были проведены исследования методов проектирования базовых несущих узлов, технологий их механической обработки и сборки, обеспечивающих высокую точность изготовления и стабильность геометрических характеристик оборудования.

Особое внимание уделялось анализу жесткости конструкции, экспериментальному исследованию ее динамических характеристик, а также оценке влияния вибраций на точность обработки. Полученные результаты позволили оптимизировать конструкцию станка и обеспечить стабильную работу оборудования даже при высокоскоростном резании.

Неотъемлемой частью разработки стало внедрение интеллектуальных технологий управления, включая системы компенсации температурных деформаций, автоматической температурной коррекции и адаптивной обработки. Применение этих технологий позволяет поддерживать высокую точность обработки независимо от изменения условий эксплуатации и внешних факторов.

Для реализации полноценной 5-осевой обработки в системе ЧПУ используется функция RTCP (Rotation Tool Center Point) — автоматическая компенсация положения центра инструмента при повороте осей A и C. Данная технология обеспечивает сохранение фактического положения режущей кромки относительно обрабатываемой поверхности независимо от изменения пространственной ориентации инструмента, что существенно повышает точность обработки сложных деталей и упрощает программирование управляющих программ.

 

2. Основные технические характеристики и сравнительный анализ

Высокоскоростной 5-осевой портальный обрабатывающий центр 2550 с автоматической сменой фрезерных головок был сопоставлен с аналогичными моделями ведущих европейских производителей — Zimmermann FZ38 (Германия) и Forest-Liné TH Series (Франция). Сравнение выполнено по основным техническим характеристикам и эксплуатационным параметрам, что позволяет объективно оценить конкурентоспособность разработанной конструкции.

Таблица 1 — Сравнение основных технических характеристик и эксплуатационных параметров высокоскоростных 5-осевых портальных обрабатывающих центров

 

3. Проектирование и выбор ключевых узлов станка

3.1 Проектирование и выбор приводов линейных осей

3.1.1 Проектирование и выбор приводов осей X и Y

Для перемещения по осям X и Y в конструкции станка применяются линейные двигатели Siemens. Поскольку подвижные узлы обрабатывающего центра имеют значительную массу, для обеих осей выбран линейный двигатель Siemens 1FN3-900, отличающийся максимальным тяговым усилием в своей серии.

Линейный двигатель 1FN3 представляет собой синхронный двигатель с постоянными магнитами. Его основными преимуществами являются высокая удельная мощность, значительный запас перегрузочной способности и эффективная система жидкостного охлаждения. Конструкция двигателя выполнена по модульному принципу и поставляется в виде встроенной приводной системы (рис. 4).

Двигатель состоит из первичной и вторичной частей. В зависимости от требований к точности обработки система может комплектоваться охлаждением первичной части двигателя или охлаждением вторичной магнитной направляющей. Первичная часть имеет фиксированные типоразмеры, тогда как вторичная собирается из отдельных магнитных секций, позволяющих формировать привод практически любой необходимой длины. При необходимости несколько линейных двигателей могут работать синхронно, обеспечивая тяговое усилие, значительно превышающее возможности стандартной конфигурации.

По оси X перемещается поперечная балка вместе с кареткой и ползуном. Общая масса подвижной системы достигает 18 тонн, поэтому в конструкции используются тяжелонагруженные роликовые линейные направляющие MR65 и роликовые каретки MRB65 швейцарского производства.

Благодаря низкому коэффициенту трения роликовые направляющие обеспечивают высокую динамическую и статическую жесткость, что особенно важно для крупногабаритных портальных станков. Для повышения надежности применяются каретки увеличенной длины и ширины. Каждая каретка имеет статическую грузоподъемность до 295 кН и динамическую грузоподъемность до 530 кН. С учетом необходимого запаса прочности на каждой направляющей оси X установлено по четыре каретки.

По оси Y перемещается узел, состоящий из каретки и ползуна, общей массой около 8 тонн. Для этой оси также применяются роликовые направляющие MR65 и каретки MRB65, однако на каждой направляющей установлено по три каретки, что полностью соответствует расчетной нагрузке.

Для обеспечения устойчивой работы при высоких скоростях перемещения каждая направляющая оснащается демпфирующими элементами, снижающими вероятность возникновения резонансных колебаний, а также гидравлическими зажимами аварийного торможения, предназначенными для безопасной остановки подвижных узлов при нештатных ситуациях.

Рисунок 4 — Конструктивная схема линейного двигателя SIEMENS серии 1FN3

3.1.2 Проектирование и выбор привода оси Z

Для перемещения по оси Z используется двухприводная система на базе шарико-винтовой передачи (ШВП), обеспечивающая высокую надежность, точность позиционирования и стабильность работы станка при обработке крупногабаритных деталей.

Привод состоит из двух синхронно работающих серводвигателей SIEMENS серии 1FK7, расположенных симметрично по обеим сторонам ползуна. Каждый двигатель соединен с шарико-винтовой передачей SHUTON посредством высокоточного безлюфтового соединения через муфту KTR. Такая компоновка обеспечивает равномерное распределение нагрузок и предотвращает возникновение перекосов при перемещении по вертикальной оси.

Для компенсации массы подвижных узлов в конструкции дополнительно предусмотрены два гидравлических цилиндра, установленные по обеим сторонам ползуна. Они компенсируют 70–80 % веса ползуна, каретки и двухосевой поворотной фрезерной головки, благодаря чему снижается нагрузка на привод оси Z, повышается динамика перемещений и улучшается точность позиционирования.

Общая масса подвижных элементов оси Z, включающая ползун и двухосевую фрезерную головку, составляет около 6,5 т. Для обеспечения необходимой жесткости и грузоподъемности применяются тяжелонагруженные роликовые линейные направляющие MR65 и роликовые каретки MRD65 швейцарского производства. На каждой направляющей установлено по три каретки, что обеспечивает высокую устойчивость конструкции при обработке с большими нагрузками.

3.2 Проектирование и выбор привода поворотных осей

Одним из наиболее ответственных узлов высокоскоростного 5-осевого портального обрабатывающего центра является двухосевая поворотная фрезерная головка A/C, обеспечивающая обработку сложных пространственных поверхностей.

Поворот головки вокруг оси Z на ±360° формирует ось C, а наклон вокруг оси X в диапазоне ±110° образует ось A. Приводы обеих поворотных осей выполнены на базе моментных (torque) двигателей, позволяющих получать высокий крутящий момент без применения механических редукторов. Такое решение обеспечивает отсутствие люфта, высокую плавность движения и точность позиционирования при 5-осевой обработке.

Для расширения технологических возможностей станок оснащается двумя автоматически сменяемыми фрезерными головками, каждая из которых оптимизирована под определенный режим обработки.

Для тяжелой черновой обработки используется высокомоментная головка немецкого производства серии G30, оснащенная шпинделем мощностью 42 кВт с максимальной частотой вращения 7000 об/мин и максимальным крутящим моментом 400 Н·м. В качестве инструментального интерфейса применяется конус HSK-A100, рассчитанный на выполнение высоконагруженных операций.

Для высокоскоростной чистовой обработки применяется вторая головка серии G30 мощностью 34 кВт, обеспечивающая частоту вращения шпинделя до 24 000 об/мин и максимальный крутящий момент 72 Н·м. Головка оснащается инструментальным интерфейсом HSK-A63, предназначенным для высокоскоростной прецизионной обработки.

Автоматическая смена фрезерных головок осуществляется с помощью специализированного магазина головок, что позволяет быстро переключаться между режимами черновой и чистовой обработки без участия оператора и существенно сокращает время переналадки оборудования (рис. 5).

Рисунок 5 — Магазин автоматической смены фрезерных головок

3.2.1 Автоматическая система смены фрезерных головок

Автоматическая смена поворотной части оси A осуществляется с использованием комбинированной системы, включающей зажимной механизм CyTeb и быстроразъемное соединение CyFit. Такое решение обеспечивает полностью автоматизированную замену фрезерных головок без участия оператора, значительно сокращая время переналадки оборудования.

Система CyFit представляет собой высокоточное быстроразъемное соединение для подключения пневматических и гидравлических магистралей. Конструкция отличается компактными размерами, высокой надежностью и обеспечивает передачу рабочих сред с минимальными гидравлическими потерями даже при больших расходах. Благодаря низкому гидравлическому сопротивлению поддерживается стабильное рабочее давление, что положительно влияет на надежность работы автоматической системы смены головок.

Зажимной механизм CyTeb выполняет функцию высокоточного механического соединения и фиксации сменной головки. Одним из его ключевых преимуществ является способность автоматически компенсировать небольшие отклонения положения сопрягаемых деталей при стыковке. Это позволяет надежно соединять узлы даже при наличии незначительных погрешностей позиционирования, исключая необходимость применения дополнительных направляющих элементов или резьбовых соединений.

Совместное использование систем CyFit и CyTeb обеспечивает высокую точность установки, надежную фиксацию сменной головки и стабильность работы станка при выполнении как черновой, так и высокоскоростной чистовой обработки.

Конструктивная схема системы автоматической смены представлена на рис. 6.

Рисунок 6 — Схема механизма автоматической смены фрезерной головки

3.3 Проектирование и выбор системы ЧПУ

Для управления высокоскоростным 5-осевым портальным обрабатывающим центром в качестве системы числового программного управления была выбрана SINUMERIK 840D компании Siemens. Данная система ЧПУ широко применяется на современном высокоточном металлорежущем оборудовании и обеспечивает эффективное управление сложными технологическими процессами, включая высокоскоростную 5-осевую обработку.

Архитектура SINUMERIK 840D построена на трех независимых вычислительных модулях:

• MMC-CPU — процессор человеко-машинного интерфейса (HMI);
• NC-CPU — процессор числового программного управления;
• PLC-CPU — процессор программируемого логического контроллера.

Каждый процессор выполняет собственные специализированные функции, при этом все три модуля работают как единая интегрированная система, обеспечивая высокую производительность, надежность и быстродействие комплекса управления.

По сравнению с предыдущими поколениями систем ЧПУ семейства SINUMERIK (880 и 840C), система SINUMERIK 840D обладает рядом существенных преимуществ:

• полностью цифровая система управления приводами;
• поддержка управления до 31 оси, включая до 10 шпинделей;
• полноценная 5-осевая интерполяция для обработки деталей сложной пространственной геометрии;
• графический пользовательский интерфейс на базе операционной системы Windows, обеспечивающий удобство эксплуатации и сокращающий время обучения операторов;
• широкий набор встроенных технологических функций и мощные средства программирования;
• возможность удаленной диагностики и сервисного обслуживания оборудования;
• комплексная система защиты оборудования и контроля ошибок;
• высокая степень интеграции аппаратных средств;
• модульная архитектура, упрощающая модернизацию и расширение функциональных возможностей;
• встроенная высокопроизводительная промышленная PC-платформа;
• открытая программно-аппаратная архитектура, обеспечивающая гибкую интеграцию с современными производственными системами.

Благодаря сочетанию высокой вычислительной мощности, развитых функций управления движением и широких возможностей технологического программирования система SINUMERIK 840D полностью соответствует требованиям высокоскоростной 5-осевой обработки и обеспечивает высокую точность изготовления сложнопрофильных деталей авиационной, автомобильной и инструментальной промышленности.