1.對高速切削加工中心的要求

　　對高速銑床部件的要求谅海，一方面應從最終用戶的角度進行定義孟景，另一方面三稿，應從加工工藝角度定義。對于第二點夏哭，尤其應該加以注意检柬。高速切削加工中心所需要關注的核心點是設備的動態(tài)特性(結構、驅動部件)竖配、電主軸何址、控制系統(tǒng)和自動化裝置等。

　　2.動態(tài)特性

　　高速切削加工中心的動態(tài)特性常常被簡化成加工速度和加速度能力进胯，事實上這種看法是不夠全面的用爪。機床獲取大路徑切換值的動態(tài)特性至關重要。路徑切換值越大胁镐，所需的加工時間也就越短偎血，刀具的使用壽命也越長。而獲得高動態(tài)性能的基礎是機床的各個部件應該具有最佳阻尼特性盯漂，整個系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性颇玷。這些特性可以通過結構優(yōu)化設計和選擇合適的機床材料來獲得。

　　比如近些年來發(fā)展的聚合物混凝土(人造大理石)床身，其減振效果比使用鑄鐵材料的床身大大提高了帖渠，阻尼特性是鑄鐵的10倍谒亦。今天，幾乎所有的高動態(tài)性能機床的制造商都用混凝土作為各種非移動結構部件的材料旬效，比如用于機床床身和橫梁炬费。大動態(tài)特性的機床部件移動所產生的沖擊力被混凝土床身完全吸收了。

　　相比之下讯匈，當制造像主軸箱這樣的移動部件時艾蜓，鑄鐵材料的耐壓和耐拉強度就更有優(yōu)勢一些。鑄鐵材料可以用于制造具有優(yōu)異強度和穩(wěn)定性的較輕的部件策坏。與傳統(tǒng)銑削機床相比較零反，高速銑床上的移動部件的質量降低了三到五倍。

　　笛卡爾機床運動學的另一個原理就是镶悟，盡可能的將切削力分配在工件和刀具上梦铭。一方面要考慮工件的重量蔚抖，另一方面還要考慮主軸的重量辙哪，目標就是盡量達到質量平衡關系。圖1顯示了一臺用于加工中等重量工件的機床孔尸，機床設計時就特別考慮到了這一特殊要求沽澜。在此情況下，分布在工具側的質量和分布在工件側的質量大小相等竟闪。在這種特殊情況下离福，就可保證Y-軸的動態(tài)特性在相當大程度上與X軸的動態(tài)特性一致。

　　今天炼蛤，人們對5軸高性能妖爷、高速加工的興趣與日俱增。就高速加工產生的背景來看理朋，機床的結構設計和旋轉擺動工作臺的驅動方式關系密切絮识。常規(guī)的蝸輪蝸桿驅動的圓形旋轉工作臺，其動態(tài)特性無法滿足五軸聯(lián)動高速切削的要求嗽上。而采用直接驅動技術的旋轉工作臺可以提供與線性軸相匹配的進給轉速和加速度次舌，甚至提供優(yōu)于線性軸性能的參數(shù)。采用直接驅動旋轉工作臺的另一個好處就是驅動裝置中沒有了易損件兽愤。因此彼念，具有顯著加工效率的五軸聯(lián)動高速加工就實現(xiàn)了。

　　高速加工的一個基本動態(tài)特性是能夠以最快的速度達到程序中設定的進給速度浅萧。為此需要的加速度和切換值由大功率數(shù)字驅動裝置提供逐沙。實現(xiàn)高的進給速度和進給加速度既可以通過大螺距滾珠絲杠和交流伺服電機配合實現(xiàn)，也可以由線性電機直接提供。最終選擇哪一種驅動方式蔓酣，只有通過實踐來證明枕详。事實上兩種不同的驅動方式都各有其利弊。采用何種技術方式敦璧、進給速度弹扩、加速度和切換值仍然要服從于改善零件加工精度的要求，目前市場上并沒有用直線電機技術替代已經很成熟的滾珠絲杠技術的緊迫要求钻琴。

　　3.電主軸

　　現(xiàn)代高速加工的電主軸的特點是轉速大眶逐、使用現(xiàn)代的軸承材料、整體冷卻回路和HSK錐柄堕圾。電主軸上裝有集成電路傳感器洗吉，可以記錄任何振動現(xiàn)象，而且可以計算電主軸的熱特性谁昵，利用智能運算法則進行補償蔼魁。

　　大功率電主軸采用矢量控制技術，也就是由閉合控制回路控制夭寺，可以精確地定位角位置凛驮。與傳統(tǒng)的開環(huán)控制回路驅動的電主軸相比，這種方法提供了一些非常有用的優(yōu)勢条辟。首先黔夭，可以充分利用整個轉速范圍，從50-200r/min一直到最大轉速羽嫡，而且在低轉速時獲得大的切削扭矩本姥。這樣就可以用20,000rpm以上的高速主軸完成某些條件下的螺紋切削，并可使用大直徑刀具進行銑削加工杭棵。

　　混合陶瓷軸承是由淬硬鋼制成的軸承內外圈和復合陶瓷制成的滾珠組成的婚惫，與傳統(tǒng)的鋼珠軸承相比，軸承的剛性和耐磨性提高了魂爪，提高了回轉精度并增強了溫度的穩(wěn)定性先舷。假若沒有這種軸承，現(xiàn)代電主軸的使用壽命將不可想象甫窟。通過軸承外圈直接噴入的油氣混合物保證了最優(yōu)化的潤滑和極長的使用壽命密浑。相比之下，間接噴入油氣混合物的方法則相當不可靠粗井，因為在混合流體通過軸承罩時秤暮，會產生空氣湍流現(xiàn)象。

　　主軸鼻端和刀柄的HSK接口現(xiàn)在已經確立了其在高速加工中的作用趁吭。由于此種結構大大提高了刀柄的連接剛性歧织，因此它顯著地提高了加工精度亏的。通過測試SK40和HSK-A63承受徑向力的能力，發(fā)現(xiàn)HSK接口的徑向擾動是SK40的一半地混。其軸向伸長比SK接口降低了約一半胆中。

　　所有高速主軸共有的一個問題是高速轉動時的發(fā)熱問題。設計上采取的措施是將主軸軸承盡量靠近主軸鼻端(圖2)安裝庆牵，主軸發(fā)熱造成的伸長被傳遞到了后部橡收，也就是非重要的方向上。如果熱量傳遞到機床的其它部件上時遏填，比如主軸溜板或刀柄上配评，就會對工件的加工精度產生影響。解決這個問題既要靠機床操作人員氛赞，又要依賴機床制造商再拴，因為操作人員可以通過有效的系統(tǒng)程序來控制這種影響；而機床制造商可以通過相應的傳感器和控制系統(tǒng)提供的運算法則來計算位移數(shù)值赔癌。很明顯诞外，后一種方案是用戶友好的，因此更具優(yōu)越性灾票。然而在此應該指出峡谊，在高速加工過程中，優(yōu)異的加工精度是操作人員和系統(tǒng)交互作用的結果铝条，因為對熱量對刀具長度的影響進行溫度補償時靖苇，系統(tǒng)的工作方法是不可或缺的。在此班缰，機床制造商增加一些必要的輔助手段也是非常重要的，比如增加自動激光刀具測量裝置等悼枢。

　　振動對主軸軸承的有效使用壽命埠忘、刀具的使用壽命和工件的加工質量都有負面的影響，所以應盡一切努力避免這種事情的發(fā)生馒索。為此目的莹妒，米克朗的電主軸上都裝了振動傳感器，用于記錄加工過程實時的振動情況绰上。這些測量裝置測量到的有關加工過程的數(shù)據可以通過數(shù)控系統(tǒng)顯示追祈，操作人員就可利用這些數(shù)據對加工過程進行系統(tǒng)的優(yōu)化，比如框抽，調整主軸轉速和進給速度俐番、測試各種銑床的加工效果、確定重要的加工方法和進行適當?shù)男薷牡鹊取?/p>

　　4.控制系統(tǒng)

　　最近幾年以來绵扇，控制系統(tǒng)技術有了很大進步撇熬。特別是在五軸聯(lián)動高速加工時庐丁，最有意義的方面是大大降低了程序塊處理時間。這一具有現(xiàn)代工藝水平的控制技術包括用以平衡高速加工中經常發(fā)生的熱偏移的補償運算法則烧已、高性能的程序段前瞻能力榨凭、控制系統(tǒng)中機床硬件的優(yōu)化模型、集成的機床故障自診斷功能和以優(yōu)化的機床動態(tài)特性為基礎的加工精度智能控制系統(tǒng)烘牌。

　　很顯然郑迅，程序段的處理時間越短越好。由于沒有明確的指導原則統(tǒng)一定義這個時間撮点，所以不同控制系統(tǒng)制造商的程序段處理時間不能簡單地相互比較梳附。一般而言，每一行數(shù)控程序中移動的軸的數(shù)量起主要作用述雾。每個數(shù)控程序輔助指令的集合街州，比如輔助功能、轉速或進給速度等玻孟，都或多或少地影響了程序段的處理時間唆缴。其中一個主要的影響就是在進行5軸聯(lián)動加工時，由于進行了坐標軸變換或旋轉軸偏差計算而引起的黍翎。機床能夠一直做連續(xù)運轉面徽，而不受沖擊和不流暢運動的影響，這一點非常重要匣掸。而引起這一切的原因是數(shù)據計算不完全趟紊，即所謂的“數(shù)據饑餓”。

　　高速加工機床上的熱漂移影響是不可避免的碰酝，并可在最終用戶期望的范圍以內霎匈，采取適當?shù)拇胧┻M行補償。在此送爸，可以使用基于傳感器或軟件的系統(tǒng)铛嘱。基于軟件的系統(tǒng)有著一定的優(yōu)勢窗蠕，更加適合于補償綜合誤差波烘；而基于傳感器的系統(tǒng)通常只能記錄一個部件的漂移，比如骏疆，主軸鼻端相對于Z軸溜板的漂移亥矿。圖3顯示用不同系統(tǒng)對溫度變化引起的漂移的補償結果，并與沒有進行補償情況下的負載曲線進行比較潜佑，負載曲線中包括不同轉速的影響锨飞、刀具的影響和托盤交換以及故障停機時間的影響。

　　有一種流行但錯誤的看法舌肝，認為有最大程序預處理能力的前瞻功能是一種優(yōu)勢渗骆。但事實上针蜀，實際的程序段預處理能力是由前瞻功能和高速銑削加工中心的動態(tài)特性共同決定的。前瞻功能必須能夠調節(jié)機床的動態(tài)特性硝逐，以便保證：

　　-機床永不過載運行捷仓；

　　-始終保持工件的加工質量。

　　機床的動態(tài)性能越大足蹋，則控制系統(tǒng)中的機床特性模型也就越準確图云，需要前瞻功能進行預處理的程序段也就越少。通常使用預處理大量程序段所產生的最嚴重的缺點是邻邮，無法選擇干預處理進程竣况，人工調節(jié)進給速度和主軸轉速；因為被預先處理過的程序儲存在緩沖器中筒严，不能進行存取和進行人工調節(jié)操作丹泉。

　　有效的速度、加速度穩(wěn)定功能和輪廓轉換鸭蛙，是高速加工控制系統(tǒng)的另外一個重要特點摹恨。用同一臺機床加工，平滑的輪廓加工施加在機床和電子設備上的傾斜壓力就小娶视，因而可以提高最大加速度值和移動速度晒哄。反之，不平滑的輪廓就達不到這些肪获。

　　故障診斷和遠程監(jiān)控功能可以直接組合到控制系統(tǒng)中寝凌，也可以用外部設備簡單地實現(xiàn)這一功能。這些功能都是獲得機床最大利用率的先決條件孝赫，特別是在與自動化設備連接時更是如此央颈。

　　最近的發(fā)展趨勢是，利用集成傳感器(自適應控制)探測到的數(shù)據易颊，通過專門的技術拱削，主動地干預加工過程。

　　例如除搞，可以根據加工要素的優(yōu)先等級或根據工件的重量或刀具路徑的復雜度來優(yōu)化加工過程。數(shù)據由操作人員輸入徽探，并由內部的控制系統(tǒng)使用以調節(jié)系統(tǒng)治东，使其適應特殊的加工應用。這樣就可縮短加工時間封豆、提高表面光潔度和零件的加工精度缔禾。

　　5.自動化加工

　　在西方工業(yè)國家中，自動化系統(tǒng)常被用于補償那些投資和工資水平較高的項目恢憋。一個便于與外部或集成的自動化系統(tǒng)連接的接口顯得越來越重要像样。同時绷觉，對自動化系統(tǒng)的要求就產生了對有效的切屑處理、適當?shù)膿Q刀能力莫辨、托盤系統(tǒng)以及最重要的對生產環(huán)境區(qū)管理的要求傲茄。

　　自動換刀裝置是所有加工中心的標準設備，刀庫的容量經常略顯不足沮榜。所以至少應提供具有擴大刀庫容量的換刀裝置以供選擇盘榨。

　　如果水平面上沒有能收集切屑的位置，則為了實現(xiàn)最優(yōu)化的切屑處理要求蟆融，就需要一個加工空間以容納落下的切屑草巡，以便對切屑進行自動化處理。根據要加工的材料類型和應用的具體情況型酥，在高速加工時山憨，一般應使用壓縮空氣或冷卻液體潤滑脂以及少量的潤滑油進行冷卻和潤滑。機床上應安裝必要的冷卻液和潤滑液處理所需的一切裝置弥喉，以便對其干凈有效地處理郁竟。

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