高速加工機床的設計與應用

mayate · 发表于 2006-2-13 01:31:50

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高速加工機床的設計與應用（下）1

高速加工刀具

高速加工和普通加工最大的不同是切削速度和進給速度高，加減速度大，採用的刀具一般直徑都較小和主軸轉速多在1萬轉/分以上，所以要求刀具的材料具有更高的強度，硬度和耐磨性；更高的韌性和抗沖擊能力以及更好的熱硬性和化學穩定性。然而現實中，能同時滿足這些要求的刀具材料目前還沒有，一般都是採用以具有較高強度和韌性的硬質合金材料為基體，塗覆一層或多層具有高熱硬性和高耐磨性的材料，如CBN、WC、TiC、TiN、TiCN、Al2O3等塗層來製成高速加工用的刀具。但是也有將超硬材料，如立方氮化硼（CBN）、天然金剛石（ND）、人造金剛石（PCD）等燒結在硬質合金或陶瓷材料基體上，形成綜合性能非常好的高速加工刀具的。

硬質合金刀具由於其材料中含有碳化鎢（WC），碳化鈦（TiC）等高硬度，高熔點的碳化物，耐磨性和耐高溫性均較好，故常被用於對各種金屬材料件進行高速，高功率的銑削加工。

塗層硬質合金刀具由於它把基體材料的韌性與所選用的表面塗層材料的特殊性能結合在一起，獲得了更具所要求的刀具綜合特性以適應不同材料的加工情況，故應用很廣，在鋼和鑄鐵的高速加工中都能適用。

超硬材料刀具中的CBN和PCBN刀具主要適用於對淬硬鋼、冷硬鑄鐵、噴塗材料和耐熱合金（如鎳、鉻鑄鐵等）的加工，包括粗、精加工和斷續銑削；ND和PCD刀具則主要用於有色金屬，鋁合金，預燒結的硬質合金和陶瓷、石墨、玻璃纖維等非鐵材料的加工。

除了正確選用刀具材料外，應用中還應考慮刀具的幾何角度，排、斷屑功能，刀具型式及其在機床主軸上的裝夾和動平衡等問題，因為這些都是直接或間接地影響到高速加工的質量和效率的重要因素。

從有利於斷屑和減少刀具後表面對工件已加工表面的摩擦出發，高速加工刀具的前角要比普通加工刀具的前角小10°左右，後角則應大5°~8°。為了防止刀尖處的熱磨損，主、副切刃的連接處應以圓弧過渡，以提高切刃的剛度，減少切刃的磨損概率。

刀具與機床主軸的連接必需安全可靠，並具有足夠的整體剛性，回轉和重複定位精度及傳遞大扭矩的能力。這些要求一般都由主軸與刀柄以及刀柄與刀具之間的連接來保證。傳統的7:24的錐柄和單面夾緊刀具的系統已不適用於高速加工中使用，目前普遍採用的是1:10的中空短錐刀柄（HSK）系統。

HSK刀柄的特點和優點是：

錐面和端面同時接觸定位，刀柄薄壁錐體會隨高速時主軸錐孔的“脹大”而“脹大”，兩者中間不會出現間隙，保證了軸向精度和剛度；

刀具拉桿爪在刀柄內打開，夾緊力將隨著機床主軸轉速的升高而加大，提高了裝夾的安全與可靠性；

中空短錐刀柄減少了刀柄的重量和慣量，有利於主軸的速度和加速度性能的提高等。

但是，這些改進提高了刀柄的製造精度要求，從而也就提高了成本。

HSK系列刀柄與機床主軸的連接有兩種結構型式：帶鍵槽和不帶鍵槽的，分別以HSK-A型和HSK-E型表示。

HSK-A型帶鍵槽，刀具可自定向（用於刀具准仃），故可傳遞較大的扭鉅，經符合相關標準要求的動平衡後，可在主軸轉速為20000r/min~30000r/min的機床上使用。HSK-E型無鍵槽，是固有對稱型，扭矩主要是靠刀柄和主軸間的錐面摩擦來傳遞，刀具不能自定向，故多用在功率不很大，但主軸轉速更高的機床上。

適用於高速加工的HSK刀柄與刀具連接的接口有：彈簧夾套型，液壓型、冷縮型和強力夾緊型等，如所周知，這些型式的接口各有自己的優缺點和適用條件，這裡不再贅述。

高速加工工藝的制訂和編程策略

實踐證明，只有好的機床和刀具而沒有合理的工藝和編程策略與之配合，高速加工技術也難以充分發揮其作用和取得應有的效果，所以加工工藝的制訂和編程策略在實施高速加工中具有非常重要的意義和作用。

綜合已有的一些實踐經驗和理論分析結果，高速加工工藝的制訂和編程時，應注意以下問題：

1. 加工餘量的清除，一般宜用系列刀具分別進行粗加工，半精加工和精加工的分段處理，不應企圖用單一小刀具一次完成加工；

2. 採用工序集中的原則和合理的工件裝夾位置和方式，力求一次裝夾定位完成工件的全部加工；

3. 高速銑削加工中盡量採用順銑削，因為順銑時刀具切入工件的切屑厚度是由最大而後逐漸變薄，切刃受力狀態好，產生的熱量比逆銑時少，有利於延長刀具的使用壽命。

4. 要保持金屬去除率恆定，在此條件下，宜用高切速，小切深（背切深度ae不宜大於0.2mm）進行加工，以保證切削載荷的恆定，獲得較好的切削熱轉移和加工質量。

5. 要盡可能不中斷切削過程和刀具路徑；減少刀具切入切出工件的次數；盡量避免刀具的急劇轉向；在進退刀和從一個切削層進入另一切削層時，應採用螺旋線，圓弧或斜線進出工件，以獲得相對平穩的切削過程。

6. 加工凹凸角時應採用圓弧速度補償選項，調節刀具在拐角處的進給速度，但切刃的切削速度仍保持恆定，以獲得光滑的表面。

7. 在生成加工程序前應對刀具路徑進行優化，合並或取消那些零碎的、短的刀位軌跡，合理安排切削區域的加工順序，減少進退刀次數和空刀移動的距離等，在保證加工精度要求的前提下，盡量減少程序段數。

8. 由於制訂高速加工工藝和確定編程策略時，有許多問題和細節要考慮，為此，一些國際有名的軟件開發商，如英國的Delcam公司，以色列的Cimatron公司等，業已推出不少適用於高速加工用的，具有不同工藝特點和編程策略的通用和專用的CAM編程軟件，如Delcam公司的PowerMILL數控編程軟件，它是獨立運行的CAM軟件，具有高效區域加工策略、賽車線加工、擺線加工，自動擺線加工，殘留粗加工、高速精加工、變餘量加工和側刃（SWARF）加工等的高速加工工藝策略，還支持5軸高速加工方法，包括曲面投影加工、驅動曲面加工、銑槽加工、多軸鉆孔等，編制高速加工程序時應根據實際需要選擇功能適用的CAM軟件來進行，並在實施真正的加工前，對生成的高速加工程序進行仿真檢驗，以發現問題進行進一步修改或修正。

[ 本帖最后由 wangxili 于 2006-9-16 15:46 编辑 ]

mayate · 发表于 2006-2-13 01:33:49

消除切削顫振的策略

顫振是切削加工中的共性問題，傳統加工中的做法是通過降低表面切削速度和加大進給量來消除，但實驗和實踐均已證明，這種做法只是對常規速度加工時是正確有效的，對高速加工而言，並不是一種高生產率的做法。因為從切削顫振產生的機理和科學實驗的結果表明，一個具體加工工序的切削穩定性可由其切削穩定圖（以實際加工參數——主軸轉速和切寬——作為變量給出的有顫振和無顫振區的邊界線）來表示（圖8），而且從穩定圖可以清楚地看出，更多和更大的切削穩定區是出現在較高的主軸轉速上。因此在高速加工中消除切削顫振的策略應是提高主軸轉速（即切削速度）。現在的問題是：如何能及時地產生或獲得切削穩定性的信息。目前有兩種在車間應用中有效獲取該信息的方法：一是用測振傳感器在刀尖上預測機床的動態特性，並用切削試驗或計算機仿真來驗明其穩定性的可靠性；二是在機床主軸部件（如電主軸中）上安裝測振傳感器進行切削過程的在線監測。當切削過程出現產生顫振的徵兆時便及時改變切削參數，如主軸轉速，以抑制顫振的發生。現在Step-Tec生產的帶有Vibroset模塊的高速電主軸就具有在線監測振動的功能。

排屑和安全防護

高速加工中由於切速高，金屬去除率大，從而產生出大量的熱切屑。例如，用一把大的面銑刀進行加工時，每分鐘去除3250cm3的金屬是很常見的事，如按切屑/未加工前的材料體積比為10:1計算，這就意味著5分鐘將能產生出直徑為0.5m的熱切屑球！這些熱切屑必須及時冷卻並排出機床加工區和機床之外，否則將給加工帶來極大的麻煩和嚴重的後果，如熱變形過量，加工精度下降乃至出現加工故障！

一般高速加工機床所採取的排屑和冷卻措施有：1. 從機床結構上採用臥式主軸和斜床身，並採取使所有的導軌面盡可能位於切削區之上的佈局，以利切屑自由滑落至機床下部；2. 採用高壓、大流量的冷卻液從刀具或主軸端上噴出，強力衝刷切屑，使之冷卻並一同流入切屑收集溝槽或容器中，隨時由置於溝槽中的螺旋排屑器排出機床體外，但這種方法煙霧大，不利環保，一定條件下可考慮採用乾切、強風冷和抽真空排屑等。然而不管採用何種排屑方法，為了防止切屑堵塞和故障出現，排屑裝置都應考慮有報警或自行排障功能。

安全防護包括兩個方面：一是對機床工作部件，如運動導軌、滾珠絲杠、直線電機等的防塵、防屑、防污和防磁保護；另一則是防止高速加工過程中物體（如鐵屑、冷卻液和刀具碎片等）從加工區中飛出對人身安全造成危害的保護。對高速加工而言，這兩方面的保護都很重要，尤其是後者——對人身安全的保護。因為此時，如有熱切屑或硬質合金刀具碎片由於裝夾或焊接不牢而從高速主軸上飛出，其飛出速度將達到180~360km/h，若打在人體上足以造成人體傷害！

高速加工機床所採取的防護措施，原理結構上基本與一般數控機床，加工中心相同或相似：對導軌和滾珠絲杠的防護採用可隨移動部件移動而收展的鋼製蓋板或柔性捲簾；對單一滾珠絲杠也可用螺旋彈簧式護套防護；對人身安全的保護則用帶有透明視窗的鋼製或鋁合金製成的罩殼將機床加工區封閉起來的做法等。所不同的只是高速加工機床用的導軌，滾珠絲杠防護蓋板和護套的運動性能要求更加靈活和快速；直線電機用的防磁蓋板需用不鏽鋼製成，對加工區的防護罩殼要求設計得更加堅固、可靠就是了，有時甚至要求罩殼的開閉需與機床工作互鎖等。

善於綜合分析與評估，總結經驗並創新

通過前面的介紹，我們已經清楚地看到：高速加工機床的設計與應用，如同其他一般機床的設計和應用一樣，為了實現某一技術目標，如高速、高精或高效，都同時存在著多個可選擇的技術設計方案和工藝策略方法，包括結構選材、結構形態和佈局，實現技術目標的措施、原理和方案、加工工藝方法、步驟和編程策略等；而且每個方案和方法，都有其自身的優點和不足之處，也就是說，所有的技術方案和工藝方法，沒有一個是絕對最佳的，只有相對較好的。設計和使用者的任務就在於如何根據具體要求的需要來擇優選定所應採用的技術方案和工藝方法，擇選的條件主要應包括以下方面的內容：

方案或方法應能滿足給定條件下的目標要求，如單件或批量加工時的精度，效率或質量一致性；

方案或方法實施起來比較方便可靠，如已有經過實踐證明有效的、現成成熟的技術或產品，可以“即插即用”或無需作出大的改動便能用；

方案或方法的實施成本（包括研製、開發和應用中的成本費用）較低，且不需要附加（如環保）的資金投入或只需很少的附加投入，無公害；

方案或方法便於升級，改造或擴展和集成等。

所以，要想設計好和應用好高速加工機床，設計者和應用者除了需要了解和掌握前面所介紹的一些相關基本知識和前人的實踐經驗之外，更重要的是：

1. 首先要認真研究目前已有的一些具有代表性的高速加工機床所採用的技術方案和結構設計的特點，弄清其設計意圖和方案選用的依據，實際應用的效果和不同用戶所確認的該機床的優缺點，從而可以吸取別人的經驗；

2. 要善於對各種可供選用，特別是其中擬自行研發或選用的技術方案和工藝方法，進行綜合的分析比較，評估其研發和選用的經濟合理性、技術先進性和適用性；

3. 要善於不斷從實踐中總結自己的經驗，並在新的實踐中加以發展和創新。比如在總結設計和應用經驗時，要思考在什麼條件和技術目標要求下，自己是如何進行分析、比較和選定了什麼樣的技術方案或工藝方法的？結果取得了怎樣的實際應用效果？應用效果是否與自己的設計意圖相吻合？如不吻合，問題出在哪裡？應如何去加以改進和創新？改進或創新後的效果又如何？等等。因為只有這樣，我們才有可能逐漸形成自己的Know-How，設計好、應用好高速加工機床，也只有這樣，我們才有可能從後進變先進，創造出更多自有知識產權的好產品、好工藝、好軟件，永遠擺脫目前老是跟在人家後面走的落後局面。

然而這些問題的最終解決，單純靠機床設計師和實際操作者的自然積累經驗是不行的，時間太慢了，必須有大學和科研單位投入專門的力量，進行有針對性的專題科學試驗研究才行，特別是有關高速加工工藝方面的理論和具體工藝參數的選擇，如不同材料和材質的工件，如何優選刀具材料，刀具幾何形狀和切削參數等來進行加工，方可獲最佳的加工效果——精度、效率、刀具壽命和高速主軸的壽命等。可是遺憾的是：目前我國在這方面的投入可能是太少了！例如，據世界著名的高速加工機床生產廠家——Mikron公司的銷售總監單錫林先生最近披露：雖然至今已有超過30家中國企業購買了30多台Mikron公司生產的主軸轉速超過40000r/min的高速加工機床在生產線上使用，但還沒有一台這樣的機床是我國高校或科研單位購買並用於進行高速加工試驗研究的！當然這只是一個公司反映出來的一個側面，並不排除我國的某些高校或科研單位已購有了其他公司生產的類似的高速加工機床作為試驗研發平台。但是，我們可以設想，如果高校或科研單位沒有高速加工試驗研發用的平台，那麼高速加工技術的研發和數據採集又從何談起呢！因此，我們在此提出專項科研投入的問題，還是值得有關部門給予重視和注意的。

mayate · 发表于 2006-2-13 01:36:38

高速加工機床的設計與應用(上)
本文分兩部分綜合介紹了有關高速加工機床的設計與應用的一些基本知識，指出了：善於對各種可選的設計技術方案和加工工藝方法進行綜合分析與評估，並善於學習、總結經驗，指導新的實踐，才是設計好和應用的高速加工機床的關鍵。
速加工機床是基於現代刀具材料的發展，為滿足航空、航天、汽車和模具等行業的發展需要而在數控銑床、加工中心的基礎上發展起來的高效、高性能加工機床，因此，它的基本特徵不僅是切削速度高（是常規切削速度的5-10倍），進給/快移速度快（達40m/min至180m/min），加減速度大（現多為1g~2g），而且還包含有刀具和或工件交換的時間短（在數秒至1秒以內）以及常常具有多軸聯動功能等特點。

由於高速加工機床具有諸多優點，如：

生產效率高，材料去除率是常規切削加工機床的3~6倍，從而可大大縮短零件的加工時間和製造周期；

切削力比常規速度時少30%~50%和約30%以上的切削熱將被切屑所帶走，所以工件溫升和變形少，有利於進行薄壁件切削和提高加工精度；

由於切削速度高，切削過程中產生的強迫振動頻率一般遠離了機床工藝系統的固有頻率，故切削過程更平穩，有利於提高加工表面質量和刀具壽命，免掉許多費時費工的人工順序作業；

許多機電產品所用的零部件，無論是單件或批量需求的，都可在相應的高速加工機床（如多軸聯動的高速加工中心和車銑中心）上進行多工序複合加工甚至一次裝夾實現全部加工。

所以，高速加工機床自上世紀八十年代中期出現以來，便受到人們普遍的重視。隨著有關技術，如高速電主軸、直線電機、功能強、性能好的數控伺服系統等的快速發展和日益完善，高速加工機床的生產與應用，現已變得很普遍；不僅大的國際有名的機床製造廠商能生產，一般的國內外機床廠也在開始製造，而且成了世界機床業中爭先開發的主導產品，不僅模具，航天、航空等行業在進行單件或小批生產中應用，在汽車乃至一航機械製造業中進行批量生產時也在廣泛使用，從而成了這些行業中的主流加工裝備。

然而，為了更好地成功開發和充分地合理地應用高速加工機床，本人以為，高速加工機床的設計、製造者和應用者仍應對下列諸方面的問題有更多、更深刻的理解和研究，並善於學習、總結和創新。
高速加工對機床結構的基本要求和設計原則

由於高速加工中的切削速度，進給速度和加減速度都大，因此機床的發熱量，運動部件的慣量也大，容易導致機床結構的過量溫升、熱變形和產生衝擊振動，最終會影響到加工精度、質量乃至機床和刀具的工作壽命和可靠性。所以，高速加工對機床結構的基本要求，首先是要三高，即靜剛度高、動剛度高和熱剛度高，也就是說，“三剛”特性要好；其次是運動部件要輕量化，即要盡量減少傳動系統的慣量。為此，機床結構設計應採取的原則措施是：

為了提高結構的靜剛度，首先是選擇彈性模量大的材料，如鋼、鑄鐵等作為結構件的基本材料；其次是根據受力的性質（拉，壓或扭）和條件（力的大小，方向和作用點）選擇合理的結構截面形狀、尺寸、筋壁布置和機床的總體布局；三是結構件間的接合面要平整，面積大小要適當，接觸點在接合面上的分布要均勻，連接要牢固等；四是盡量採用箱形和整體型結構。

為了提高結構的動剛度，首先是在保證靜剛度的前提下，選擇阻尼系數大的材料，如人造花崗岩，鑄鐵等作為基礎結構件的材料；二是通過模型試驗或模態分析合理設計和調整結構的質量分布和結構接合面的剛度值，以改變結構系統本身的固有振動頻率，使其遠離切削過程中所產生的強迫振動頻率，避免產生共振的可能性；三是有意採用能增加附加阻尼的結構設計，如帶夾芯的雙層壁鑄件和非連續焊接的焊件等；四是直線運動部件的支承導軌面間距離要盡可能寬闊，驅動力的作用線要居中並盡可能靠近運動部件的重心，傳動鏈中應無反向間隙，以保證運動平穩，無衝擊。

為了提高結構的熱剛度，原則上首先應採用熱容量大、熱脹系數小的材料和熱脹系數相近的材料作為結構材料；其次是根據機床上的熱源和溫度場的分布情況，盡量採用熱對稱和方便散熱或強迫冷卻的結構，包括採用熱補償措施的結構等，以減少熱變形帶來的對機床幾何精度和工作性能的影響。

為了減少運動部件的重量和傳動系統的慣量，一是選用比重小的材料，如鋁合金和複合材料等，作為運動部件的結構材料；二是在保證剛度和承載能力的前提下，盡量去除多餘的材料；三是採用直接傳動，簡化傳動系統，縮短傳動鏈，以提高機床的運動品質。

現實中能同時滿足上述條件要求的材料和結構是沒有的，只能按實際要求進行綜合評估後選取

mayate · 发表于 2006-2-13 01:39:46

高速電主軸單元

高速加工的典型應用是以小直徑的硬質合金銑刀來對各種材料的模具、模型和鋁合金件進行銑削，機床主軸轉速是根據現代刀具材料所能達到的經濟合理切削速度範圍（圖3）和按此速度及不同的銑刀直徑所計算得的刀具/主軸轉速（圖4）來確定。可見除切削鈦或鎳合金時，由於刀具所能達到的合理切削速度較低（300m/min以下），刀具主軸最高轉速可在10000r/min以下外，其他材料的切削所要求的刀具/主軸最高轉速都在10000r/min以上，甚至要求達到50000r/min至80000r/min。如此高的主軸轉速，採用一般機床用的主傳動結構（電機加皮帶輪和齒輪傳動）方式是不可能實現的，一般都需採用由變頻調速電機和機床主軸集成在一起的所謂“電主軸”直接驅動來實現。

電主軸是通過交流變頻調速和矢量控制來實現主軸的寬調速的。它的優點不僅是簡化了主傳動結構，減少主傳動系統的轉動慣量，而且降低了功耗，提高了實現更高主軸速度和加減速度的能力，從而也可實現定角度的快速准仃（C軸控制）功能，這對高速加工機床是十分重要的。

當然，高速主軸本身的設計製造會涉及許多特殊問題，如主軸（電機轉子）支承的結構型式和潤滑方式，電機的發熱和冷卻措施，主軸和刀具的連接以及動平衡問題等，好在這些問題已有許多科研單位進行了研究和解決，高速電主軸單元在國內外均有了專門的生產廠家進行了專業化、系列化的生產，機床設計製造者只需根據加工對象要求，確定所需的主軸轉速和扭矩範圍來合理地選用就是了。

高速進給系統

高速進給系統是高速加工機床極其重要的組成部份，對它的設計要求，首先應當是能提供高速切削時所要求的高的進給/快移速度和加減速度；其次是應具有所要求的調速寬度和軌跡跟蹤精度；同時還應有很好承受動、靜載荷的能力和剛度，從而保證高速加工應有的效率和質量。

決定高速進給系統上述性能要求的因素主要有三個方面：即進給運動的傳動方式、各軸進給運動間的相互結構聯系和數控伺服控制系統。

一、進給運動的傳動方式

高速進給運動的傳動方式，目前廣為應用的主要有兩種：一種是回轉伺服電機通過滾珠絲杠的間接傳動，另一種是採用直線電機直接驅動。

通過滾珠絲杠間接傳動方式的優點是技術成熟，結構相對簡單，加速度特性受運動部件載荷變化的影響較小，且目前已有許多國內外廠家進行標準化，系列化和模塊化的專業化生產。但是普通傳動用的滾珠絲杠，由於存在慣量大，導程小，又受到臨界轉速的限制等，其所能提供的進給/快移速度只有10~20m/min，加速度為0.3g，滿足不了高速加工的要求，因此，高速加工用的進給滾珠絲杠普遍採取如下的改進措施。

加大絲杠的導程和增加螺紋的頭數，前者為提高絲杠每轉的進給量（即進給速度），後者則為彌補絲杠導程增大後所帶來的軸向剛度和承載能力的下降。

將實心絲杠改為空心的，這既是為減少絲杠的重量和慣量，也是為便於對絲杠採取通水內冷，以利於提高絲杠轉速，提高進給/快移速度和加速的能力，減少熱影響；

改進回珠器和滾道的設計製造質量，使滾珠的循環更流暢，摩擦損耗更少；

採用滾珠絲杠固定，螺母與聯結在移動部件上的伺服電機集成在一起完成旋轉和移動，從而避開了絲杠受臨界轉速的限制等。

經過採取這些改進措施後，滾珠絲杠傳動的進給方式可提供的進給/快移速度達60m/min~90m/min，加速度可達1~2g。但是由於受到原理結構的限制，要想進一步提高滾珠絲杠傳動的運動速度和加速度很難了，而且受絲杠的可製造長度限制，滾珠絲杠傳動所能提供的運動行程也是有限的。

與上述的通過滾珠絲杠間接傳動的方式相比，採用直線電機直接驅動的主要特點和優點是將伺服電機的定子和動子分別直接與機床床身及移動部結合在一起，沒有了中間環節，傳動鏈的長度縮短為零，即實現了所謂的“零傳動”，從而大大提高了機械剛度，減少了傳動系統的慣量，獲得更高的速度和加速度能力，並易於控制系統的阻尼力和動態特性，直線電機最高的進給/快速度可達120m/min乃至240m/min，加速度可達2~10g；行程長度可不受限制；適應性強，靈敏度高，隨動性好，不存在反向間隙，可利用直線光柵尺作為測量反饋元件，實現全閉環控制，以獲得更高的定位精度和跟蹤精度等。

但是，直線電機直接驅動也存在一些缺點：如效率低，功耗大，結構尺寸和自重也相對較大；工作過程溫升高，要求強冷卻；因受磁場力影響易於吸引鐵屑和金屬物，故需考慮防磁措施等，特別是要注意的是它的加速度值直接反比於運動部件的載荷量（工作台/滑座自重加上工件及其他外載荷），即對運動載荷較敏感，故宜用於運動件載荷恆定或變化量不大的場合，在載荷變化重大的情況下，必需能在數控編程時予以考慮，否則不能保證加工所要求的效率和質量。另外，直線電機直接驅動不具自鎖能力，設計和使用中應注意考慮外加制動措施，特別是在垂直軸進給系統中使用時，尤要注意。

二、各軸進給運動的相互結構聯繫

如同一般加工機床一樣，高速加工機床一般都有2個以上，多至5個進給運動軸，這些運動軸間的相互結構聯繫，目前存在著串聯，並聯和混聯三種型式。

串聯結構是傳統機床普遍採用的型式，其特點是各運動軸的布局採用笛卡爾直角坐標系，機床床身、立柱、溜板、工作台/轉台和主軸箱等部件分別通過相應的導軌支承面串聯在一起的，各軸運動均可單獨地獨立進行，由於是串聯，各運動部件的重量往往都較大，且不一致，需特殊調整方可保持各軸加速度特性的一致性；進給系統的結構件不僅受拉、壓力，而且受彎、扭力矩的作用，變形複雜，後運動部件受到先運動部件的牽動和加速，加工誤差由各軸運動誤差線性疊加而成，且受導軌精度的影響等，這些都是串聯結構的缺點。然而由於串聯結構較傳統，有長期設計、製造和應用的經驗，技術較成熟，故迄今仍為大多數高速加工機床所採用。但串聯結構中還有著不同的各運動軸的相互組合配置方式，其所獲得的應用效果是不一樣的，設計時應以高速加工的特點及其對機床結構設計的要求出發來確定。

圖5 Stewart平台式並聯結構機床
並聯結構的典型代表是Stewart平台式的所謂虛擬軸機床（圖5）。它的特點是運動部件是一個由伺服電機分別控制的6根可自由伸縮的桿子所支承的動平台，該平台可同時作6個自由度的運動，但沒有像串聯結構那樣的物理上固定的X、Y、Z軸和相應的運動支承導軌，而且任何一軸運動都必須由6根可伸縮桿的協同運動來完成。一般刀具/主軸頭就安裝在該動平台上，工件則固定在機床的機架上，此外就不再有溜板、導軌等支承件了。與傳統串聯結構的機床相比，並聯結構型式的機床主要有如下優點：

運動部件重量輕，慣量小，更有利於實現進給運動高的速度和加速度；

刀具主軸頭可同時實現5軸聯動，結構簡單，且主要的6根伸縮桿具有相同的結構和驅動方式，便於模塊化，標準化和系列化生產；

伸縮桿的兩端分別由球鉸和虎克鉸鏈與相關件連結，使桿子只受拉、壓力，不受彎扭力作用，剛度高，並易於通過預加載荷來提高整個進給系統的綜合剛度。

理論精度高，因為它不像串聯結構那樣，各軸運動誤差有可能被累積和放大，故並聯結構的進給運動的綜合誤差一般不會大於6根伸縮桿運動誤差的平均值。

並聯結構的缺點是：

在同一台機床上，其進給的行程隨著各伸縮桿的伸出長度和動平台的位姿角變化而變化，故由行程所決定的可加工空間是非規則形，不方便應用；

因受球鉸和虎克鉸轉角的限制，帶主軸頭的動平台所能傾斜的角度較小（一般只有±40°）從而影響了機床的可加工範圍；

運動編程較複雜，而且在任一軸向上的簡單直線運動，也要有6根桿的協調伸縮運動才能完成等。

由於有這些問題的存在，並聯結構的應用，目前尚不十分廣泛，還有待於進一步研究和發展。

圖6 混聯結構機床示意圖
混聯結構是在一台機床上同時採用有串聯和並聯結構型式的進給運動的結構聯結，通常的做法是：3個移動坐標仍採用並聯結構來完成，主軸加工時所需的另外2個轉動坐標則由串聯到固定工作台上的回轉和可傾斜的工作台或由串聯到並聯結構的動平台上的旋轉和擺動主軸頭來實現。但是此時的並聯結構的6根伸縮桿改成了3副定長桿，除桿的一端仍通過球鉸與動平台相聯外，桿的另一端則通過球鉸成組地與滑座聯結，滑座由伺服電機控制的滾珠絲杠（或直線電機）驅動在機床導軌上移動（圖6），從而改變動平台（主軸頭）在三維空間中的位置，即X、Y、Z軸的運動行程。這樣既克服了純並聯結構存在的加工空間不規則和動平台可傾角度過小的缺點，而且也減少了三套伺服驅動電機和滾珠絲杠，簡化了結構，降低了成本。這應是並聯機床結構改進的一個方向。

三、數控、伺服控制系統

數控、伺服控制系統是保證實現高速加工的核心技術裝置，對它的要求是：既能實現所需的高進給速度和加減速度的控制，又要保證所需的軌跡跟蹤精度和加工質量。因此，數控伺服系統首先應具有很高的運算速度（即更短的單個程序段的處理時間）和數據存貯及傳輸的能力，以處理大量的插補和控制數據；二是強大的前瞻功能，以保持最佳的進給速度和加速度，最佳的路徑變換，識別拐角，及時調整，保證規定的動態精度曲線，使加工速度不超過機床的運行特性範圍；三是有效的速度、加速度穩定功能和自適應加工輪廓變化的能力，因為加工平滑輪廓和非平滑輪廓時，施加在機床驅動系統上的力量不一樣的，因此系統必需具有自調節能力，以保證機床永不過載，又能保持最佳的加工效率和質量，四是系統要力求具有開放性，包括人機界面開放（即具有標準的軟硬件平台，如PC硬件，Windows操作系統，人機界面開發工具等）、控制邏輯開放（即具有可編程的機床邏輯控制，網絡功能等）和數控內核開放（如供幾何坐標系統與數控軸直連的接口等），以使機床生產廠和用戶可以集成自己的人機界面，設計高效、高可靠性的控制邏輯和專有的坐標變換及補償控制軟件等；五是系統應有足夠的（如0.1μm）分辨率和多軸聯動控制的功能，以保證高精、高速、高效加工的實現。目前德國西門子公司生產的Sinumerik 840D和日本FANUC公司生產的FS16i/18i/21i MODEL B等系統，都是具有一定開放性的系統，能基本滿足上述功能要求。（未完待續）

sclcly780823 · 发表于 2006-2-14 16:39:09

只是介绍，但还是谢谢

sclcly780823 · 发表于 2006-2-14 17:07:59

谢谢搂住，继续

UGSPARK1 · 发表于 2006-7-13 11:39:00

888888888888888888888888ok

湖刀刁 · 发表于 2006-7-25 12:57:03

高速加工速度为多少呢以切削重量为计

114468854 · 发表于 2006-7-26 20:02:46

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