新一代超高速加工中心

超高速機(jī)床的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用得到了世界各國(guó)的廣泛重視，近年來(lái)發(fā)展非常迅速，一些著名的機(jī)床生產(chǎn)廠家不斷推出自己的新型產(chǎn)品。如何結(jié)合國(guó)情研究開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于批量生產(chǎn)的新一代高速和超高速機(jī)床，將是我國(guó)機(jī)床研究開(kāi)發(fā)部門(mén)和生產(chǎn)廠家在新世紀(jì)到來(lái)時(shí)所面臨的重要任務(wù)。

　　我們?cè)趯?duì)國(guó)產(chǎn)機(jī)床的現(xiàn)狀和問(wèn)題進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)發(fā)具有中國(guó)特色的新一代超高速機(jī)床進(jìn)行了探索，在基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并正進(jìn)行超高速機(jī)床產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。下面作一介紹。



1　超高速加工中心的新型結(jié)構(gòu)

　　現(xiàn)有高速機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)基本上采用工件和刀具共同運(yùn)動(dòng)的方案。在這類(lèi)工件和工作臺(tái)一體運(yùn)動(dòng)的常規(guī)結(jié)構(gòu)中，由于工件、夾具和工作臺(tái)的總重量比較大，不但增加了機(jī)床導(dǎo)軌中的摩擦阻力，需耗費(fèi)較大的驅(qū)動(dòng)功率，而且更為嚴(yán)重的是，要驅(qū)動(dòng)大的質(zhì)量體完成高加速度運(yùn)動(dòng)，將需要很大的推動(dòng)力。這將顯著提高直線伺服電機(jī)的功率，既提高了機(jī)床成本又增加了發(fā)熱，對(duì)機(jī)床加工精度造成不利影響。此外，傳統(tǒng)高速機(jī)床結(jié)構(gòu)是一種串聯(lián)開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，組成環(huán)節(jié)多（特別是在多坐標(biāo)機(jī)床中）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且由于存在懸臂部件和環(huán)節(jié)間的聯(lián)接間隙，不容易獲得高的總體剛度，難以適應(yīng)超高速加工進(jìn)一步發(fā)展的要求。

　　為從根本上解決上述問(wèn)題，我們?cè)陂_(kāi)發(fā)新一代超高速加工中心時(shí)，采用了基于 Stewart 平臺(tái)原理的并聯(lián)閉鏈多自由度驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由此構(gòu)成了工件固定、刀具（主軸）運(yùn)動(dòng)的適合超高速加工中心的新方案，其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該機(jī)床的主軸單元由6根可變長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)桿支撐，6

圖1　超高速加工中心結(jié)構(gòu)示意圖(立式)

根驅(qū)動(dòng)桿的另一端固定于基礎(chǔ)框架上。各驅(qū)動(dòng)桿與主軸單元和基礎(chǔ)框架的聯(lián)結(jié)均采用可預(yù)緊的高剛度滾動(dòng)結(jié)構(gòu)。這樣可使驅(qū)動(dòng)桿不承受彎曲力矩且運(yùn)動(dòng)靈活。調(diào)節(jié)6根驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度，可使主軸和刀具作六自由度運(yùn)動(dòng)，其中包括沿3個(gè)線性軸X、Y、Z 的平移運(yùn)動(dòng)和沿3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸 A、B、C的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于驅(qū)動(dòng)桿在切削力和溫度變化作用下的受力變形和熱變形主要影響桿的長(zhǎng)度，因此通過(guò)對(duì)桿長(zhǎng)進(jìn)行閉環(huán)控制并對(duì)測(cè)量裝置的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，可以有效校正桿長(zhǎng)位移誤差，使機(jī)床獲得高的加工精度。在這一新型結(jié)構(gòu)中，雖然需用6套進(jìn)給伺服系統(tǒng)，但每一伺服系統(tǒng)的功率都比常規(guī)數(shù)控機(jī)床單個(gè)坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)功率小，因此總的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)功率與常規(guī)機(jī)床相當(dāng)，不會(huì)明顯增加進(jìn)給驅(qū)動(dòng)部分的成本。

　　從總體上看，采用上述結(jié)構(gòu)的超高速加工中心具有以下特點(diǎn)：

　　(1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，易于經(jīng)濟(jì)化批量生產(chǎn)。此外，該機(jī)床整體重量輕，約為常規(guī)機(jī)床的1/5～1/3，因此原材料消耗少、加工量少，將進(jìn)一步降低制造成本。

　　(2) 工件固定而主軸相對(duì)于工件作多自由度運(yùn)動(dòng)，因此將主軸部件做成電主軸單元，可以有較小的質(zhì)量，非常有利于獲得高的加速度。

　　(3) 進(jìn)給機(jī)構(gòu)為空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度相同的條件下可以獲得比采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)的常規(guī)數(shù)控機(jī)床更高的進(jìn)給速度，有利于滿足超高速加工對(duì)進(jìn)給速度的要求。

　　(4) 六桿平臺(tái)結(jié)構(gòu)將傳動(dòng)與支撐功能集成為一體，6根驅(qū)動(dòng)桿既是機(jī)床的傳動(dòng)部件又兼做主軸單元的支撐部件，這不僅大幅度減小了摩擦阻力，有利于進(jìn)一步提高進(jìn)給速度與加速度，而且將有效減少工件－機(jī)床－刀具鏈中的環(huán)節(jié)，消除了這些環(huán)節(jié)帶來(lái)的力變形和熱變形，并可減少聯(lián)接和傳動(dòng)間隙，提高接觸剛度，有利于提高機(jī)床的綜合精度。

　　(5) 因機(jī)床的主體為并聯(lián)閉鏈結(jié)構(gòu)，消除了常規(guī)機(jī)床中的懸臂環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)可使各驅(qū)動(dòng)桿和有關(guān)部件只承受拉壓力而不受彎曲力矩，因而使機(jī)床總體剛度進(jìn)一步提高（可比一般加工中心高5倍左右）。如果在傳動(dòng)與控制上處理得當(dāng)，可以使由此構(gòu)成的新型機(jī)床達(dá)到比常規(guī)機(jī)床高得多的加工精度和加工質(zhì)量［1］。

　　(6) 機(jī)床上不存在沿固定導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)以及支承工作臺(tái)所需的其它部件，因此，刀具在空間的定位精度和運(yùn)動(dòng)軌跡精度完全由傳動(dòng)、檢測(cè)和控制來(lái)保證，從而徹底消除了導(dǎo)軌、工作臺(tái)、立柱、橫梁等引起的空間幾何誤差。

　　(7) 利用該加工中心的主軸部件可作六自由度高速運(yùn)動(dòng)這一特點(diǎn)，讓主軸直接參與換刀過(guò)程，不僅可使刀庫(kù)配置位置靈活，而且可減少刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)的自由度，顯著簡(jiǎn)化刀庫(kù)和換刀裝置的結(jié)構(gòu)。更重要的是，換刀環(huán)節(jié)的減少和機(jī)械結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)化將有效提高換刀的可靠性，這在自動(dòng)化加工系統(tǒng)中是非常重要的。



2　超高速加工中心的傳動(dòng)

2.1　主傳動(dòng)

　　在新型超高速加工中心中，主軸單元是一可進(jìn)行六坐標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)的部件，因此為了縮小體積、減輕重量，以降低支撐驅(qū)動(dòng)它的六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)所承受的負(fù)荷，使其獲得更大的移動(dòng)速度和加速度，故采用新型交流永磁同步電主軸構(gòu)成主軸單元，見(jiàn)圖2。單元中的主軸部件由高速精密陶瓷軸承支撐于電

圖2　電主軸單元結(jié)構(gòu)示意圖

主軸的外殼中，外殼內(nèi)還安裝有電機(jī)的定子鐵心和三相定子繞組。為了有效散熱，在殼體內(nèi)開(kāi)設(shè)了冷卻管路。主軸系統(tǒng)工作時(shí)，由冷卻泵打入冷卻液帶走主軸單元內(nèi)的熱量，以保證電主軸正常工作。主軸為空心結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部和頂端安裝有拉刀、松刀機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。主軸外套有電機(jī)的轉(zhuǎn)子，這是一種內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在主軸的端部還裝有激光角位移傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸旋轉(zhuǎn)位置的閉環(huán)控制，保證自動(dòng)換刀時(shí)實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停和螺紋加工時(shí)的C 、Z軸準(zhǔn)確聯(lián)動(dòng)。

　　該電主軸單元采用內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如下：①電機(jī)效率高，因而可使主軸單元的體積小、重量輕，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸單元的位置與姿態(tài)進(jìn)行高速控制；②由新型永久磁鐵代替了感應(yīng)電機(jī)的鼠籠（繞組），轉(zhuǎn)子發(fā)熱小，有利于保證主軸的精度；③有較高的機(jī)械強(qiáng)度，提高了電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的可靠性與安全性；④可方便地實(shí)現(xiàn)恒功率弱磁調(diào)速，從而擴(kuò)大電主軸的調(diào)速范圍，有效滿足了寬范圍高速切削的要求。

　　電主軸的驅(qū)動(dòng)采用基于PAMPWM控制原理的、由智能化IGBT模塊構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)［2，3］，以實(shí)現(xiàn)寬范圍恒功率調(diào)速。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)位置閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)角的準(zhǔn)確控制。

　　超高速加工時(shí)，由于加工時(shí)間縮短，換刀間隔縮短，因此主軸起停頻繁。為縮短主軸高速運(yùn)行下的制動(dòng)時(shí)間，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路中采用了快速再生制動(dòng)回路，以將高速制動(dòng)時(shí)的機(jī)械能量回饋給電網(wǎng)，從而不但提高了制動(dòng)力矩，而且節(jié)約了電能，并保證主電路不因強(qiáng)制動(dòng)能量的沖擊受損壞。

　　因電主軸傳動(dòng)是電機(jī)與主軸合二為一的高速大功率直接傳動(dòng)，其安全性與可靠性十分重要，為此，為其設(shè)計(jì)了智能化監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸溫度、振動(dòng)、功率、切削力等的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以有效保證主軸系統(tǒng)可靠工作。

2.2　進(jìn)給傳動(dòng)

　　新型超高速加工中心的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)是由6根可變長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)桿組成的一個(gè)統(tǒng)一體，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和力的傳遞由6根驅(qū)動(dòng)桿共同實(shí)現(xiàn)。在機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，要驅(qū)動(dòng)主軸和刀具從當(dāng)前狀態(tài) (位置與姿態(tài)）平穩(wěn)變化到下一希望狀態(tài)，6根驅(qū)動(dòng)桿必須統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)這種協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，要求各驅(qū)動(dòng)桿必須在工作空間內(nèi)的任何方向都能進(jìn)行精密的伸縮運(yùn)動(dòng)，為此需解決力和運(yùn)動(dòng)的變方向傳遞及大功率變負(fù)荷精密直線位移傳動(dòng)兩個(gè)問(wèn)題。

　　為解決第一個(gè)問(wèn)題，采用萬(wàn)向聯(lián)軸器將驅(qū)動(dòng)桿的靜端點(diǎn)與基礎(chǔ)框架相聯(lián)結(jié)，采用球形鉸鏈將驅(qū)動(dòng)桿的動(dòng)端點(diǎn)與主軸單元相聯(lián)結(jié)。這樣可使驅(qū)動(dòng)桿不但運(yùn)動(dòng)靈活而且不承受彎曲力矩。需注意的是，所采用的萬(wàn)向聯(lián)軸器和球形鉸鏈應(yīng)具有滾動(dòng)結(jié)構(gòu)，這樣可在不降低靈活性的前題下通過(guò)預(yù)緊來(lái)消除間隙并提高接觸剛度。

　解決第二個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是要保證驅(qū)動(dòng)桿能作高速精密直線位移并實(shí)現(xiàn)大功率變負(fù)荷傳動(dòng)。為此，我們?cè)谛滦图庸ぶ行倪M(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了交流永磁同步直線電機(jī)直接傳動(dòng)方案，根據(jù)這一方案所開(kāi)發(fā)的直線電機(jī)和伺服控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3、圖4。　　

1.后防護(hù)罩　2.電機(jī)殼體　3.定子鐵心　4.定子繞組　5.動(dòng)子鐵心　6.動(dòng)子磁鐵　7.前防護(hù)罩　8.輸出桿





圖3　交流永磁同步直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

圖四　直線伺服電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖3、圖4可見(jiàn)，每一伺服系統(tǒng)包含兩個(gè)并聯(lián)的三相多極直線伺服電機(jī)和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。直線電機(jī)主要由定子、動(dòng)子、支撐體和檢測(cè)裝置4部分組成。在電機(jī)的定子繞組中通入對(duì)稱三相交流電流，將產(chǎn)生沿電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的行波磁場(chǎng)。通過(guò)矢量控制使定子行波磁場(chǎng)的磁極超前動(dòng)子永磁體磁極一個(gè)最佳相位角θ，即可產(chǎn)生所要求的磁拉力來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)裝置采用高精度光柵，一方面為矢量控制提供動(dòng)子磁極位置信息，另一面對(duì)驅(qū)動(dòng)桿的實(shí)際位移進(jìn)行精確檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)桿桿長(zhǎng)的全閉環(huán)控制，從而保證刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。





　　 上述方案將直線電機(jī)和直線位移檢測(cè)裝置集成為一體，可以高效、快速地實(shí)現(xiàn)精密直線位移傳動(dòng)，是新型超高速加工中心的一種理想的進(jìn)給傳動(dòng)方案。

3　超高速加工中心的控制

3.1　超高速機(jī)床控制的核心問(wèn)題

　　新型超高速加工中心的控制系統(tǒng)不僅要能進(jìn)行多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制，而且更重要的是要保證多軸聯(lián)動(dòng)的高進(jìn)給速度和軌跡控制的高精度，因此，如何通過(guò)有效的控制來(lái)保證刀具按要求的軌跡作高速高精度運(yùn)動(dòng)，便成為超高速機(jī)床控制的核心問(wèn)題。

　　為此，我們針對(duì)超高速機(jī)床結(jié)構(gòu)上的特殊性，在文獻(xiàn)［4］工作的基礎(chǔ)上研究出一種高速高精度軌跡控制方法，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出新型超高速加工中心的高速高精度數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在提高軌跡控制精度與速度方面采取了如下關(guān)鍵措施：① 采用新型插補(bǔ)技術(shù)，大幅度提高軌跡生成精度與速度；② 以數(shù)字化信息傳遞取代脈沖信息傳遞，徹底消除信息傳遞中的瓶頸；③ 通過(guò)虛實(shí)映射聯(lián)動(dòng)控制，有效保證希望軌跡的高精度實(shí)現(xiàn)；④采用信息化精度創(chuàng)成技術(shù)，有效抑制機(jī)械誤差和測(cè)量誤差對(duì)軌跡精度的影響，全面提高機(jī)床的加工精度。

3.2　高速高精度軌跡生成

　　為具體實(shí)施上述措施，在超高速機(jī)床控制系統(tǒng)中采用高分辨率絕對(duì)式采樣插補(bǔ)算法生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。在此環(huán)境下，為既保證高的進(jìn)給速度，又達(dá)到高的軌跡精度，必須大幅度提高插補(bǔ)采樣頻率。為此，我們發(fā)揮通用微機(jī)數(shù)控的軟硬件優(yōu)勢(shì)將采樣頻率提高到5000 Hz，即插補(bǔ)周期為0.2 ms（這一指標(biāo)比普通數(shù)控系統(tǒng)高20～40倍）。這樣，即使要求插補(bǔ)誤差不大于0.0001 mm，在當(dāng)前曲率半徑為200 mm 時(shí)，仍能獲得120 m／min的進(jìn)給速度。

　　在高速插補(bǔ)的環(huán)境下，因插補(bǔ)直線段長(zhǎng)度已足夠短，并且插補(bǔ)器輸出數(shù)據(jù)的改變周期也短到位置環(huán)所能分辨的最小值，因此完全不需要再對(duì)插補(bǔ)器的輸出進(jìn)行細(xì)化。事實(shí)上，這就相當(dāng)于將常規(guī)的獨(dú)立精插補(bǔ)功能融合進(jìn)了高速采樣插補(bǔ)中，即實(shí)現(xiàn)了粗精插補(bǔ)合一［5］，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。

3.3　虛實(shí)映射聯(lián)動(dòng)控制［6］

　　采樣插補(bǔ)產(chǎn)生的刀具希望運(yùn)動(dòng)軌跡是以X、Y、Z、A、B坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)指令形式給出的。但是，在新型超高速機(jī)床中，并不真正存在沿 X、Y、Z、A、B 坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的物理運(yùn)動(dòng)軸，即X、Y、Z、A、B 是一種虛擬運(yùn)動(dòng)軸(簡(jiǎn)稱虛軸)，不能直接對(duì)其進(jìn)行控制，而直接可控的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軸(簡(jiǎn)稱實(shí)軸)為支撐主軸單元的6根驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度Li(i=1,2,…,6)。因此, 為了保證刀具希望軌跡的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，必須將虛軸控制轉(zhuǎn)換為實(shí)軸控制。這可通過(guò)虛實(shí)映射聯(lián)動(dòng)控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其基本過(guò)程見(jiàn)圖5。

　　系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先將實(shí)時(shí)軌跡插補(bǔ)產(chǎn)生的以 X、Y、Z、A、B 軸移動(dòng)量表示的刀具運(yùn)動(dòng)指令送入虛實(shí)映射求解模塊，由該模塊通過(guò)虛實(shí)映射求解算法得到實(shí)軸（即6根驅(qū)動(dòng)桿）的運(yùn)動(dòng)指令，然后經(jīng)實(shí)軸隨動(dòng)控制使各驅(qū)動(dòng)桿嚴(yán)格按指令要求進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。最后通過(guò)機(jī)床結(jié)構(gòu)隱含實(shí)現(xiàn)實(shí)虛映射使 X、Y、Z、A、B軸實(shí)際位移與希望位移一致，從而保證虛軸合成運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的刀具實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與插補(bǔ)產(chǎn)生的指令軌跡一致。

　　通過(guò)由虛實(shí)映射聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的虛到實(shí)的變換，以及由機(jī)床結(jié)構(gòu)隱含實(shí)現(xiàn)的實(shí)到虛的逆變換, 即可得到所要求的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。