细节设计

一旦建立了概念设计，就要初步确定零部件的尺寸以核查设计的工作效果。接着，在制定任何更多细节前引进制造部门审核设计。如果一致认为机器不难制造，除了一个最初的成本估算外，将整个设计包交给上级管理层批准。估算制造、装配和库存成本并与预期订单的期望收入进行比较。最后，做决定开始细节设计。在概念设计阶段确定的范围基础上组成细节设计团队并提出任务。在描述中心接口HSMC的细节设计时，首先通过考虑影响机械精度的主要误差来源来概述出设计方法，然后讨论机械和电子系统。

误差来源

一个设计师绘制初始和最终机械零部件草图之前，在概念设计阶段，他或她应该考虑各种输入对所描述机器的影响。这里讨论HSMC审核机械和电子系统零部件的选择时，应该要注意的一些误差来源。注意现在评价加工中心的性能时涉及关于加工中心的ASNI/ASMEB 5.54 1992B标准。

1 几何误差

机器几何误差发生在所有坐标轴上，每个坐标轴由三个平移误差和三个转动误差组合成型。在各个坐标轴之间也存在垂直度和平行度误差。最差的几何误差是角误差。通过初始点和测量点间的距离较大成为角误差，也被称为阿贝误差。阿贝误差是最容易被忽略的误差来源。静变形误差则由机械本身重量和工作重量产生。利用精细建立的结构件，连接装置和轴承模型，可以准确预测误差并将其保持在期望阈值之下。

2 力学误差

机器中的力学误差主要由切削活动中的结构共振产生。造成刀具中有“吱吱”的声音而且破坏了零件表面材料。这种振动很难分析和预测，因为当刀具与工件接触时，改变了其刚度特性。模拟这种现象的一个保守方法是利用有限元运行切削刀具。在每台机器的一系列合理的频率周围施加更大的安全波段可以处理由刀具与工件接触引起机器刚度的改变。然后，指令控制器会影响工作速度。虽然这不能解决切削刀具刚度和振动问题，但是确定的共振也有利于设计时为允许的地板振动层制定规范，而且可以明确伺服循环时间和运行速度。

一旦机器制造出来，它的力学误差就有迹可循，而且呈现一定的特征。一般来说，把其制造的坚固些、抗阻尼以及重量轻些都有利于机器更容易达到高速工作状态。

3 热误差

机床的热膨胀极少是相同的，因此不能仅仅通过线性补偿系数测量数据。这些热变形由发动机、直线或旋转轴承以及切削过程产生的热量引起。但是环境温度的变化会以不同的方式影响机器。机器抵抗环境温度的能力依赖于环境的热量循环。机器的热量持续时间和这两者之间的热传递特性。如果环境的温度是稳定的，机器应该紧紧与环境相联系。如果把机器安装在一个通风的地方，它应该不受环境影响。

为了让机器达到热平衡，许多机器需要一段预热时间。传统上来说，操作者通过“空转”一段时间使机器预热。为了使机器预热后变形到合适的结构，一些机床制造者人工整修机床。通过使用加热组件尝试减少机床的预热时间，对于这种机床，就应该积极地利用控制温度的液体或加热和冷却机床零件的抗加热器。否则，结构不变的外形部分之间的温度梯度将造成机器弯曲。从长远来看，为减少热变形应谨慎选择零件和几何参数，以及积极地冷却主要热量产生区，这是解决热误差问题最经济的方法。

分析以前关于热量控制的尝试，在最终设计时，团队决定用油雾冷却主轴轴承，尽可能使发动机远离结构件，用切削液冲洗工作区域。另外，把结构件做成短而结实的形状以便最大可能的减少角变形。进行机器的热性能有限元分析也证实：即使假设机器在最糟工作情况也能达到机器精确度规格。

4 工件影响

传统的加工中心通常因为加工工件的重量而受到不利影响，因为重量使机器结构件变形而且改变其机械特性。在高速加工中心中，工件固定在一个位置直到加工结束。在加工开始之前，可以利用机器上的探测器准确知道工件位置，从而了解工件是怎么变形的，然后通过支撑使其得到补偿。在这一点上，HSMC可以不受工件重量的影响。

线性轴承选择

为了使机器最小能量输入实现最大运动速度，需要低摩擦的预装轴承。低摩擦也有利于最大限度减少在高速运动中产生的热量。另外需要预装轴承获得高刚度以抵抗惯性力。现有三种线性轴承可以用于此处；静压轴承、滑动接触轴承和滚动轴承。静压轴承包括液体静压轴承和气体静压轴承。它是唯一一种使机器真正无摩擦和预装的轴承。前一种利用缓冲的高压油使一个机构件悬浮在另一个上面。气体静压轴承则利用低压空气，其对冲击负载很敏感。液体静压轴承在机床中有很大用途。

对于机床的滑动接触轴承。利用一层薄薄的低摩擦材料黏附于运动轴承的表面。衬垫一般需要加润滑油在坚硬的钢或铸铁轨道上滑动。这种轴承多年来已成为机床业的主体。它作为一个具有良好抗振性、高硬度介质摩擦的轴承获得了良好的声誉。利用这种轴承可以获得巨大的表面接触区，允许机器抵挡非常高切削和冲击负载。滑动摩擦轴承加工。磨削或刮研很容易，而且它是一种非常通用的轴承材料。而且，有限的摩擦有时导致一种被称为黏滑的情况，它会限制系统的准确性和决断性。

另一种选择就是滚动轴承，有趣的是，机床厂历来使用高技术人才操作表面处理机床用于加工其他机器。从山顶洞人在地上捡起一块石头后，手指工具用来更简单地制造更好的下一代工具。相似的，机床厂开发越来越精密的磨床，其需要考虑长行程和高精确度，这时在许多情况下，使用滚动轴承代替滑动轴承，有许多种类的滚动组件线性轴承，它们有非常低的摩擦特性。但是，它们不能承载大量的单位面积负载，而且不像在许多情况下，使用滚动轴承代替滑动接触轴承。有许多种类的滚动组件线性轴承，它们有非常低的摩擦特性；另外，一旦磨损了也不能再重复修复或采用凹形楔来调整。因此很长时间内，除了低功率机器上，机床厂避免使用它们。但是，滚动组件轴承的标准化，低成本和低摩擦特性是非常吸引人的。

以前在大型机器上使用过圆柱滚动轴承，它们往往需要淬硬钢，以定制设计的结构，通常需要12个轴承墨盒，以权力支持一个轴。作为一种选择，工程团队考虑一种自成一体的单元，一般称为直线导轨，但是对高速加工中心来说却足够了。用螺栓把直线导轨固定在结构件上而且以最小的直线偏差形式把零件固定在滑动架上。通过给直线导轨增加更多的定位组件以获得负载能力和刚度。组件越多成本越大，可以在测试夹具上找到合适的位置，使得原型达到经济性的平衡。在传统的机器上使用这个滑动架装配模型，相比耐磨轴承系统，它能以较低成本生产出表面光滑的零件。

如果考虑轴承座机器安装，适合直线导轨是线性轴承，从制造观点看，它用螺栓把主要精密组件固定在精密磨制表面上。最后，利用复制技术把轴承连接上脱模剂，并在机器的毛坯铸件槽上悬挂。接着在夹具周围注入特殊的环氧，这样就可以做出床身和夹具的外形，因此可以为轴承轨道获得几乎完美的位置。所以对现行轴承规定固定精密加工和表面处理操作只需在少量夹具上进行。

执行器

高速加工中心的运动轴需要高压力、高速和高精度的线性执行器。可用的选择包括直线电动机、齿轮齿条和滚珠丝杠。直线电动机可以在不使用中间传动装置的情况下移动运动轴。然而，缺少对较高的电动机惯性和硬度响应的传动装置，会导致这种电动机对高速、高质量系统准确的运动控制不切实际，还会遭受大量切削相应的传动装置，会导致这种电动机对高速、高质量系统准确的运动控制不切实际，还会遭受大量的切削力干扰。随着发动机技术的发展，直线电动机有一天可能是这种应用的一个实际选择。

齿轮齿条传动装置，一般用于需要大范围运动的机床中。齿轮形状可以研磨得很精确，而且多个齿轮相互啮合能够用于放置剧烈反应。但是，一个精确的齿轮齿条系统没有内在的减速比，因此它需要一个大型发动机或昂贵的高精密减速器。对于同样的系统，对于长度适中的行程，一个齿轮齿条传动装置比一个滚珠丝杠要昂贵。在齿轮接触之前齿轮齿条装置也不能利用自动清洁刷来洗刷齿轮齿。

丝杠可提供经济、高效。精确的转动到直线运动的转换。一般来说，它们需要一定运动行程和速度的机床传动装置的合适选择。一个丝杠传动装置，把传动能量转换为直线运动能量。对于高压力应用，使用多线螺纹，它们通过提供一个额外的承载路线增加螺纹的承载能力，却不会影响力之间的力矩，对于滚珠丝杠，通过在丝杠和螺母的螺纹结构之间放入滚珠，提供滚动接触，把摩擦降低到最低。滚珠丝杠利用一个滚珠行星系统代替滚珠而且能够承受比滚珠丝杠更高的负载，但是它们一般只有较小的螺距。对于高速加工中心我们选择滚珠丝杠。

选择一个滚珠丝杠需要了解所用电动机和负载。如果运动轴高速运动，为保持电动机转速在一个合理的水平，需要一个有较大螺距的丝杆。如果螺距太小，而电动机和滚珠杠必须以高频率转动，导致产生“轴搅动”的动态不稳定性。另一方面，滚珠丝杠需要较高力矩的电动机以获得同具有较小的螺距和低力矩高速电动机相同的力。前者也需要电动机有较高力矩，这意味着较大电流从而导致更高的热量浪费。这些因素最终将对利用滚珠丝杠驱动的直线运动系统的实际速度产生限制。利用已有技术，工程司发现自己的线速度范围局限在25~50m/min，符合RSO的要求。为了从所有可能的组件中选择实际的滚珠丝杠/电动机组合，写一份可获得的电动机和丝杠螺距表格记录，用来挑选最大限度降低成本和热量产生的一对滚珠丝杠/电动机组合。

轴驱动电动机

对于一个车床，电动机框架的大小直接与电动机成本和制成结构有关。通常如果不确定电动机大小，设计师面对的就是其他结构尺寸。可能在任何时候，最好保守地选择安装比所需较大一些的电动机。允许选择较小的电动机进行模型性能测试，而考虑使用较大电动机以适应变化的用户需求。购买和在一台机器上设计安装大型电动机来控制大或小型电动机，比大修改机器结构以适应大型电动机更容易。设计师应该允许为带有完整编码器和转速计的电动机安装留下足够空间。

为一个机床选择合适的电动机经常通过考虑电动机的温度上升来确定。因为电动机绕组具有有限电阻，它们在使用期间会变得非常热。电动机防护外壳经常直接用螺栓固定在机床构件上，但是，这也为热量传导提供了直接途径。因此，运动轴和轴驱动电动机是机床中热量产生的主要来源之一。热量从电动机转移到机床结构上会严重降低精确性。放置电动机热量转移到结构件的最好方法是，利用隔热的高硬度陶瓷接口和辐射热的防护装置试着把电动机从结构件隔离出去。用风扇给电动机降温以及把冷空气输入到机床中也是有效的方法。为机床设计散热和防变形结构同样很明智。

主轴设计

因为主轴必须安装一个功率为15kW的电动机，尽可能地用HSMC确定主轴设计是最重要的，以便开始其他结构件的详细设计工作。对于滚珠轴承主轴，只有当直径很小时才能获得高于20000r/min的主轴转速，这样离心力就不会使滚珠上产生大的径向力去挤压轴承滚道，而且不会引起快速疲劳。但是，加工中心的标准工具需要的主轴直径远远大于滚珠轴承技术所能支撑的主轴直径，现有的滚珠轴承技术所能制成的主轴不能再大于20000r/min的速度下安全，准确的工作。

气体静压轴承作为相对于滚珠轴承的一种选择可以用来提高主轴速度。虽然较精确而且能够获得比滚珠轴承较高的速度，但如果主轴不准确地进给刀具在工件上，多数空气轴承主轴很容易受到影响而破坏。甚至完全由计算机控制安装，仍然有程序错误造成碰撞的风险。一个典型行业操作者的经验之谈表明，每天一次碰撞很平常。但在大多数空气轴承主轴中不能接受这个可能性。

液体静压轴承在许多类型的机器主轴中都有成功的运用，而且因为不必像空气轴承所需的准确公差那样与主轴装配，它受碰撞的影响很小。液体静压轴承通过拉扯相对运动中零件间粘稠的油层运行，因此主轴轴线的位置时主轴转速的函数。在高速时，虽然可以冷却这些油，但是油的黏性剪切仍会导致产生大量热能，增加传感器装置来监控主轴位置以及利用这些传感器信号作为误差补偿信号的有关费用和可靠性问题被研究过。但是这个选择太贵而且不可靠，不能在生产机器上实施。另外，高速工具更换所需的大量快速开始、停止循环液不允许液体静压润滑层的充分形成，从而需要加压流体协助阶段。液体静压轴承通常多用在主轴以恒定转速持续运行的机器上。这些因素导致液体静压主轴不适合HSMC。

也可以考虑磁性轴承，但是它对此项目来说太昂贵。磁性轴承伺服控制的电磁体放在主轴边缘的周围，使主轴位于中心。它们的根本限制是控制系统的成本和复杂性。

一旦发现了合适现成的滚珠轴承主轴，下一步是确定能量和传动装置来驱动主轴。计划中HSMC是快速转动、停止和更换刀具的。这极其重要从而影响电动机的选择标准。现今技术趋势是无刷直流电动机，它们的维护成本很低。对于HSMC的主轴，电动机必须快速带动主轴加速，加工一个零件，然后快速减速更换刀具。系统中存储的能量与速度的平方成正比，因此在此系统中，主轴电动机不考虑产生热源的大型电动机。

无刷电动机没有动态中断能力，因此需要提供电流以便使电动机停下来。另一方面，当引线的极性转换时，直流电刷电动机作为发电机而且它们减慢时，实际上产生了电流。输入HSMC主轴的几乎25%的能量将发费在刀具更换的开始和结束，可以通过使用电刷电机节约能源。根据电动机供应商以及工作台测试证实，在所需高速电动机下，电动机刷形成的电弧不会产生问题。选择那些不用大量外部能量输入而拥有自动中断能力的电动机有利于减少整体热量进入机器中。

另一种主轴设计标准是在高速下攻螺纹和丝锥抵达孔底部之前停止主轴的能力。不幸的是，为了达到这个标准需要一个不缺实际的电动机来为整个主轴瞬间停止产生力矩。幸运的是，考虑当丝锥抵达孔底部时它和主轴之间的运动，存在有一种特殊的离合器式攻螺纹机构设计。我们知道恰当的工具在某些地方通常可以节省大量设计时间和精力。

一旦选择了主轴电动机的种类，必须确定一个电动机/传动装置。因为主轴小从20~20000r/min运转，第一个想法是利用无遮蔽的电动机直接驱动主轴。电动机利用主轴轴承去支撑转子，而钉子则与主轴轴承外圈固定在同一结构上。这种选择有助于进行一个很明确的设计，但是，以这种高速运行的电动机成本是非常昂贵的。同样，密封电动机刷不受轴承油雾滑润的影响也很难，对于一个电刷电动机以低速在油槽中运转，只要维持通过电动机油液流量，电动机的合理温度控制规则是可能的。但是，本项目中如果油浸在电动机上，高速主轴将会产生大量黏性剪切。

作为第二种选择，考虑的是一个带有双速传送装置且更经济的电动机。在所需速度下没有合适的齿轮传动装置，因此开发了一个专门的同步带传动装置。建立一个原型试验台进行测试并过度使用以确定设计的可靠性。它工作状态优良而且不需要大量修改。因此可完成主轴和它的能源传动元件的设计，并准备与其他设计整合。

在选择最好的主轴设计时，也要注意热量的影响。以前，各个制造商通过冷却或预热主轴以保持稳定的温度。通常利用内部油雾俩冷却高速主轴。如果主轴外部首先得到冷却，它将是主轴收缩，使主轴轴承超载并咬住，不幸的是，利用油冷却的温度必须小控制而且要通过绝缘软管压入。正如前面讨论的，预热主轴将对其他结构造成影响，因此不能考虑将其作为一个可行的选择。

结构设计

当使用薄钢板作为主要结构材料时，主要的机构设计标准是最大限度地减轻重量以及最大刚度。可以通过遵循以下一些原则去完成这个目标。第一个是尽可能使单个部件质量原理质量为中心。这样会产生横梁效应，从而最大限度增大刚度——重量比。第二个原则是平衡结构的刚度以确保没有单个元件超过应力。第一轮的有限元分析表面一个硬板在它制成的板材上，只有小的偏差时，其几乎为零偏差。很明显应用后一种原则是明智的。根据应变输出表的测试发现，如果改变硬板材的定位和方向使其承担更多的负载，其他主要元件的偏差就大大减小了。需要牢记的是设计师不应只满足一个工程设计的运行，而应该去争最优的性能。

液压和气压支撑装置

对这种机床提出的目标之一是仅使用通过压缩空气提供能量的电动机或传动装置，这在工厂所有机器上都适合。这要求改变公司的刀具存储卡盘电动机系统的设计。从历史上来说，公司的刀具夹持卡盘利用液压电动机和硬质制动器来指引卡盘。对于HSMC，设计一个利用伺服控制电动机的电力装置去定位卡盘。虽然电力系统的制造成本是300美元，比一个液压装置高出很多，但维修师估计，它每年花费的维修成本仅为原来的1/6.

传感系统

传感和控制系统是机床中枢神经系统。没有传感器装置感知其他变量，机器将停工。不幸的是传感器也是机器中最脆弱的元件，一般来说，尽量最大限度减少传感器的数量以便提高机械的潜在运行时间。在HSMC上，需要位置传感器测量运动轴在全部形成范围内的直线位置以及测量形成的单个点。为了测量直线运动，在许多有效的，经济的可选方案：电磁感应传感器。直线编码器、磁性传感器和精密滚珠丝杠上的旋转传感器。

对这项应用，需要的分辨率限制了在滚珠丝杆上对直线量具或处理器的成本效率选择。直线量具可以理想地安装在距刀尖可能近的地方以减少阿贝折射。不幸的是，这些地方将有飞扬的切屑，溅起的切削液和滴落的润滑油。其次的最佳位置是靠近滚珠丝杠。分解器是合适的旋转传感器，因为它们容易密封且耐脏。分解器最主要的问题是在高速旋转时，不能测量出由于热膨胀引起的滚珠杠中的任何误差。另一方面，直线量具能够直接测量滑动架的运动。只要滚珠丝杠可以提供平稳的反弹自由运动，控制器可以通过从直线传感器测量得到的信息来准确地控制滑架的运动，不用限制循环。因此虽然直线传感器比分解器贵一些，较难安装一些，但是它们能够提高准确性和可靠性。而且，通过研究客户需求，确定这两者传感器都是可选的。

在机器上用传感器装置测量独立位置的应用很广泛，以帮助确定运动轴的终点位置和刀具存储卡盘中刀具的位置。对于高循环的应用，非接触开关是常见的传感器选择。为了防止运动轴超出预计的行程范围，提供了三个限位。第一个限位是一个软件运动轴行程控制，如果直线传感器读数超过了最大值，它中断主控直线传感器读数超过最大值，它中断主控直线传感器读数超过了最大值，它中断主控智制路径。第二个限位是非接触接近传感器给制路径。第二个限位是非接近传感器给电动机发出信号中断电源。

小结

这个案例研究强调是一个典型的高效率、计算机控制的卧式加工中心的设计过程。设计过程的描述让人觉得设计决策很容易，实际情况恰好相反，完成这个设计并且为生产做好准备是需要大量的工程经验、工作台测试和计算的，其在市场上取得了成功。当把金属板外罩拿掉，试着想象那些显现出来的所有部件。在理论上用这种方式分解一个及其的能力是一项技能，能够帮你找到竞争中的强势和劣势。

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