工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)高速加工的研究起步很早，水平也很高。在此項(xiàng)技術(shù)中，處于領(lǐng)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(shù)中，超硬材料工具是實(shí)現(xiàn)超高速加工的前提和先決條件，而高速數(shù)控機(jī)床和加工中心則是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵設(shè)備。本文所介紹的正是當(dāng)前較為領(lǐng)先的德國Metrom公司生產(chǎn)的P800M型高速五面加工數(shù)控銑床。
一、總體配置
P800M型高速五面加工數(shù)控銑床是由德國Metrom公司生產(chǎn)的，它結(jié)構(gòu)新穎、布局緊湊。機(jī)床首次采用5桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)和5環(huán)驅(qū)動(dòng)的主軸部件，在并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論上有所突破，從而實(shí)現(xiàn)主軸部件偏轉(zhuǎn)角大于90o，能夠真正進(jìn)行5面加工，其外觀如圖1所示。
圖1 P800M型并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床
機(jī)床采用封閉的多棱體桁架結(jié)構(gòu)，床身底座呈五角形，由厚鋼板焊接成為一個(gè)整體，因而具有良好的剛性，如圖2所示。
圖2 機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
在多菱體桁架的5個(gè)面上安裝有滾珠絲桿的支點(diǎn)——萬向鉸鏈，5根絲杠的另一端通過鉸鏈與主軸部件的5個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)同心外環(huán)連接。改變2個(gè)支點(diǎn)間的距離，即可使主軸部件處于不同工作位置。5桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的主軸部件如圖3所示。
圖3 5桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的主軸部件
P800M型高速機(jī)床的技術(shù)規(guī)格如下表1所列。
表1 機(jī)床主要規(guī)格
新穎的5桿驅(qū)動(dòng)配置使機(jī)床具有高速加工所需要的主要特性：
(1)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量較小，采用小功率的驅(qū)動(dòng)裝置就可以達(dá)到很高的加速度，所產(chǎn)生的慣性反作用力也非常小。
(2)采用封閉桁架結(jié)構(gòu)，使機(jī)床工作時(shí)產(chǎn)生的力盡可能相互抵消，從而保證高動(dòng)態(tài)性能。
(3)機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，部件的種類和數(shù)量少，模塊化程度高，工作可靠性高，維護(hù)方便，易于重組。
(4)主軸部件可偏轉(zhuǎn)90o以上，實(shí)現(xiàn)真正的五面加工，偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，沒有奇異點(diǎn)出現(xiàn)。
P800M型高速數(shù)控銑床的另一個(gè)重要特點(diǎn)是，工作空間大，占地面積小，機(jī)床的外形尺寸僅為2300mm?2000mm?2500mm，工作臺(tái)直徑達(dá)800～1200mm，有效加工空間為600mm?600mm?450mm，甚至在里面可以鉆進(jìn)2個(gè)人去調(diào)整機(jī)床。
綜上所述，P800M型機(jī)床是新一代五軸聯(lián)動(dòng)高速加工銑床，適用于復(fù)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(lián)動(dòng)數(shù)控加工。
二、數(shù)控工作臺(tái)—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(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不能夠在空間的任意位置實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（主軸部件）的90o偏轉(zhuǎn)；而且機(jī)床的剛度是主軸部件所處位置和偏轉(zhuǎn)角的函數(shù)。
機(jī)床剛度的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，當(dāng)主軸部件處于垂直時(shí)，在整個(gè)工作空間笛卡爾坐標(biāo)的X-Y平面（800m×800mm）中，刀頭點(diǎn)的剛度大約是單桿構(gòu)件剛度的20%～50%。特別是沿Y坐標(biāo)的變化較大，刀頭點(diǎn)的剛度隨著偏離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離增大而降低。
對(duì)6桿Stewart平臺(tái)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究表明，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的剛度隨偏轉(zhuǎn)角增大而降低。5桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)也不例外，在特定位置時(shí)尤為明顯。
為了提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)工作性能和保證整個(gè)工作空間的有效性，引入冗余的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，使機(jī)床成為5軸并聯(lián)加1軸串聯(lián)的6軸混聯(lián)結(jié)構(gòu)。
冗余數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)雖然解決了機(jī)床的性能問題，但卻增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。
三、直接驅(qū)動(dòng)
1.電滾珠絲桿
電滾珠絲桿是伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿的集成，具有減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)、結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)。采用電滾珠絲桿可以大大簡化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，特別是并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床采用電滾珠絲桿的優(yōu)越性更加突出。電滾珠絲桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在P800M并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床上的應(yīng)用如圖5所示。
圖5 電滾珠絲桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的集成，它具有減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)、簡化機(jī)床的結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。
在P800M型機(jī)床上如果采用直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)不僅可以起到冗余數(shù)控軸的作用，還可以使高速銑床成為高速車銑復(fù)合加工機(jī)床，完成車、鏜等加工工序。直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
四、數(shù)控系統(tǒng)
Metrom P800M高速數(shù)控銑床采用德國Andron公司（www.andron.de）的開放式數(shù)控系統(tǒng)：Andronic 2000或Andtronic 2060。
Andronic 2060數(shù)控系統(tǒng)是新一代基于微機(jī)的、在Windows平臺(tái)上的開放式數(shù)控系統(tǒng)。它采用由兩個(gè)Intel處理器，通過PCI-PCI橋進(jìn)行相互通信。一個(gè)處理器負(fù)責(zé)數(shù)控運(yùn)算（數(shù)控計(jì)算機(jī)），另一個(gè)負(fù)責(zé)用戶界面（人機(jī)界面計(jì)算機(jī)），備有InterBus-S、Profibus和CANbus三種現(xiàn)場總線，作為所有外設(shè)的I/O接口，保證了數(shù)控系統(tǒng)的開放性和靈活性。系統(tǒng)的操作面板和控制箱的外觀如圖7所示。
圖7 Andronic 2060數(shù)控系統(tǒng)
Andronic 2060數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。
圖8 Androc 2060S系統(tǒng)
對(duì)于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床，特別是具有冗余數(shù)控軸的混聯(lián)機(jī)床，如何使操作者仍然可以按照傳統(tǒng)笛卡爾坐標(biāo)的習(xí)慣，借助G和M代碼進(jìn)行數(shù)控編程，是非常必要的。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括混聯(lián)機(jī)構(gòu)與笛卡爾坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換由系統(tǒng)自動(dòng)完成，無需人工干涉。因此，在Andronic 2060數(shù)控系統(tǒng)中嵌入了并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊（PKM），進(jìn)行不同坐標(biāo)系的變換，如圖9所示。
圖9 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換嵌入模塊
五、應(yīng)用舉例
1. 5軸聯(lián)動(dòng)、5面加工
Metrom P800M型高速數(shù)控銑床可以完成5軸聯(lián)動(dòng)、5面加工，特別適合加工各種材料和形狀復(fù)雜的零件和模具，如圖10所示。
圖10 5軸聯(lián)動(dòng)、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(jìn)行銑削加工是近來出現(xiàn)的一種新工藝。采用并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床加以實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)特的優(yōu)勢：
(1)可以加工復(fù)雜細(xì)節(jié)部分；
(2)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能好，進(jìn)給速度快，生產(chǎn)效率高；
(3)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，沒有導(dǎo)軌，沙塵防護(hù)問題也比較容易解決。
P2000型高速加工機(jī)床采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，由鋼板焊接而成，工作臺(tái)直徑2000mm，具有冗余的回轉(zhuǎn)B軸和移動(dòng)U軸，如圖11所示。
圖11 P2000型機(jī)床的配置
P2000型機(jī)床的外觀和在Direct Form公司加工鑄造砂型的實(shí)況，如圖12所示。
六、結(jié)束語
Metrom公司推出的新一代高速數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越，具有廣泛的應(yīng)用前景。
高速加工不僅體現(xiàn)在主軸轉(zhuǎn)速高，還需要運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量輕，數(shù)控系統(tǒng)反映快，運(yùn)動(dòng)速度和加速度高，才能夠保證機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能良好，實(shí)現(xiàn)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(jī)床，而沒有高質(zhì)量的刀具也無法實(shí)現(xiàn)高速加工。
高速加工特別要重視輔助時(shí)間的減少，不然加工時(shí)間縮短就無法產(chǎn)生應(yīng)有的效益。
高速加工是一個(gè)系統(tǒng)工程，既包括機(jī)床、刀具、數(shù)控編程的集成，還需要技術(shù)管理水平和人員素質(zhì)的配合，才能夠產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。
