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工業發達國家對高速加工的研究起步很早，水平也很高。在此項技術中，處于領先地位的國家主要有德國、日本、美國、意大利等。在高速加工技術中，超硬材料工具是實現超高速加工的前提和先決條件，而高速數控機床和加工中心則是實現高速加工的關鍵設備。本文所介紹的正是當前較為領先的德國Metrom公司生產的P800M型高速五面加工數控銑床。

一、總體配置

P800M型高速五面加工數控銑床是由德國Metrom公司生產的，它結構新穎、布局緊湊。機床首次采用5桿并聯機構和5環驅動的主軸部件，在并聯運動機構設計理論上有所突破，從而實現主軸部件偏轉角大于90o，能夠真正進行5面加工，其外觀如圖1所示。

圖1  P800M型并聯運動機床

機床采用封閉的多棱體桁架結構，床身底座呈五角形，由厚鋼板焊接成為一個整體，因而具有良好的剛性，如圖2所示。

圖2  機床的內部結構

在多菱體桁架的5個面上安裝有滾珠絲桿的支點——萬向鉸鏈，5根絲杠的另一端通過鉸鏈與主軸部件的5個可轉動同心外環連接。改變2個支點間的距離，即可使主軸部件處于不同工作位置。5桿并聯機構驅動的主軸部件如圖3所示。

圖3  5桿并聯機構驅動的主軸部件

P800M型高速機床的技術規格如下表1所列。

表1 機床主要規格

新穎的5桿驅動配置使機床具有高速加工所需要的主要特性：

(1)機床運動部件的質量較小，采用小功率的驅動裝置就可以達到很高的加速度，所產生的慣性反作用力也非常小。

(2)采用封閉桁架結構，使機床工作時產生的力盡可能相互抵消，從而保證高動態性能。

(3)機床結構簡單，部件的種類和數量少，模塊化程度高，工作可靠性高，維護方便，易于重組。

(4)主軸部件可偏轉90o以上，實現真正的五面加工，偏轉運動穩定，沒有奇異點出現。

P800M型高速數控銑床的另一個重要特點是，工作空間大，占地面積小，機床的外形尺寸僅為2300mm?2000mm?2500mm，工作臺直徑達800～1200mm，有效加工空間為600mm?600mm?450mm，甚至在里面可以鉆進2個人去調整機床。

綜上所述，P800M型機床是新一代五軸聯動高速加工銑床，適用于復雜零件加工、金屬模具制造、木模制作和砂型直接銑削。工件可以一次裝夾后，完成5面和5軸聯動數控加工。

二、數控工作臺—冗余軸的功能

由于桿件之間以及桿件與框架之間的干涉，5桿并聯運動機構不能夠在空間的任意位置實現運動平臺（主軸部件）的90o偏轉；而且機床的剛度是主軸部件所處位置和偏轉角的函數。

機床剛度的實測數據表明，當主軸部件處于垂直時，在整個工作空間笛卡爾坐標的X-Y平面（800m×800mm）中，刀頭點的剛度大約是單桿構件剛度的20%～50%。特別是沿Y坐標的變化較大，刀頭點的剛度隨著偏離坐標原點的距離增大而降低。

對6桿Stewart平臺并聯運動機構的研究表明，運動平臺的剛度隨偏轉角增大而降低。5桿并聯運動機構也不例外，在特定位置時尤為明顯。

為了提高機床的動態工作性能和保證整個工作空間的有效性，引入冗余的數控回轉工作臺，使機床成為5軸并聯加1軸串聯的6軸混聯結構。

冗余數控回轉工作臺雖然解決了機床的性能問題，但卻增加了控制系統的復雜性。

三、直接驅動

1.電滾珠絲桿

電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成，具有減少傳動環節、結構緊湊等一系列優點。采用電滾珠絲桿可以大大簡化數控機床的結構，特別是并聯運動機床采用電滾珠絲桿的優越性更加突出。電滾珠絲桿的內部結構及其在P800M并聯運動機床上的應用如圖5所示。

圖5  電滾珠絲桿的內部結構

2.直接驅動的回轉工作臺

直接驅動的回轉工作臺是伺服驅動電動機與回轉工作臺的集成，它具有減少傳動環節、簡化機床的結構等優點。

在P800M型機床上如果采用直接驅動的回轉工作臺不僅可以起到冗余數控軸的作用，還可以使高速銑床成為高速車銑復合加工機床，完成車、鏜等加工工序。直接驅動的回轉工作臺的結構如圖6所示。

圖6  直接驅動的回轉工作臺

四、數控系統

Metrom P800M高速數控銑床采用德國Andron公司（www.andron.de）的開放式數控系統：Andronic 2000或Andtronic 2060。

Andronic 2060數控系統是新一代基于微機的、在Windows平臺上的開放式數控系統。它采用由兩個Intel處理器，通過PCI-PCI橋進行相互通信。一個處理器負責數控運算（數控計算機），另一個負責用戶界面（人機界面計算機），備有InterBus-S、Profibus和CANbus三種現場總線，作為所有外設的I/O接口，保證了數控系統的開放性和靈活性。系統的操作面板和控制箱的外觀如圖7所示。

圖7  Andronic 2060數控系統

Andronic 2060數控系統有兩種配置，Andronic 2060S為緊湊型控制器，Andronic 2060L為高速型控制器。Andronic 2060S數控系統的內部硬件結構如圖8所示。

圖8  Androc 2060S系統

對于并聯運動機床，特別是具有冗余數控軸的混聯機床，如何使操作者仍然可以按照傳統笛卡爾坐標的習慣，借助G和M代碼進行數控編程，是非常必要的。并聯運動機構，包括混聯機構與笛卡爾坐標之間的轉換由系統自動完成，無需人工干涉。因此，在Andronic 2060數控系統中嵌入了并聯運動機構模塊（PKM），進行不同坐標系的變換，如圖9所示。

圖9  并聯運動坐標轉換嵌入模塊

五、應用舉例

1. 5軸聯動、5面加工

Metrom P800M型高速數控銑床可以完成5軸聯動、5面加工，特別適合加工各種材料和形狀復雜的零件和模具，如圖10所示。

圖10  5軸聯動、5面加工

2. 鑄造砂型直接銑削

鑄造砂型無需木模而直接進行銑削加工是近來出現的一種新工藝。采用并聯運動機床加以實現具有獨特的優勢：

(1)可以加工復雜細節部分；

(2)機床動態性能好，進給速度快，生產效率高；

(3)并聯運動機床結構簡單，沒有導軌，沙塵防護問題也比較容易解決。

P2000型高速加工機床采用龍門式框架結構，由鋼板焊接而成，工作臺直徑2000mm，具有冗余的回轉B軸和移動U軸，如圖11所示。

圖11  P2000型機床的配置

P2000型機床的外觀和在Direct Form公司加工鑄造砂型的實況，如圖12所示。

六、結束語

Metrom公司推出的新一代高速數控銑床結構簡單，性能優越，具有廣泛的應用前景。

高速加工不僅體現在主軸轉速高，還需要運動部件的質量輕，數控系統反映快，運動速度和加速度高，才能夠保證機床的動態性能良好，實現高速加工。

高速加工還需要重視刀具、刀柄的合理選擇和配合，僅僅有高速加工機床，而沒有高質量的刀具也無法實現高速加工。

高速加工特別要重視輔助時間的減少，不然加工時間縮短就無法產生應有的效益。

高速加工是一個系統工程，既包括機床、刀具、數控編程的集成，還需要技術管理水平和人員素質的配合，才能夠產生經濟效益。