數控機床軸類零件的加工設計及發展途徑-資料下載頁

　　

【正文】 不少用戶現在還心有余悸。 因此，我們在開發新型數控系統時，應優先選用新型高性能CPU（如高主頻的Pentium II、Pentium III等）作為系統的運算和控制核心，并盡量用軟件來實現數控的所有功能。這樣，可大幅度減小系統硬件的規模。此外，還應在軟件設計、電源設計、接插件設計與選用、接地與屏蔽設計和施工等方面采用強抗擾高可靠性設計與制造技術，從而全面提高系統的可靠性。由于一個新型高性能CPU可以代替數十個普通CPU（如802880386等），因此，在基于高性能CPU的PC平臺上不僅可以完成數控系統的基本功能（如信息處理、刀補計算、插補計算、加減速控制等）和開關量控制功能（內裝PLC），而且還可以完成伺服控制功能。這樣，以前由DSP完成的數字化伺服控制功能（如位置控制、速度控制、矢量變換控制等）均可由PC中的CPU完成，從而實現內裝式伺服控制，這不僅有效縮小了數控部分的硬件規模，而且還大幅度縮小了伺服控制部分硬件規模。 這種具有內裝PLC和內裝伺服控制的全軟件化集成式數控系統，其硬件規模將達到最小化，整個數控系統除一個PC平臺外，剩下的只有驅動機床運動的功率接口和反饋接口。這既有效提高了系統可靠性，又消除了信息傳遞瓶頸，提高了系統性能，同時還可顯著降低系統成本，使系統（包括電機）售價將可降至現有數控系統的一半左右。顯然，這種高性能、高可靠性、低成本的新型數控系統將具有極強的競爭力，有望為開創中國數控的新局面作出貢獻。此外，集成化PC數控系統還有一大優點，就是容易實現開放式結構。這是因為，這種系統的硬件本身已經是完全開放的，構成開放式數控系統的工作完全在軟件上，只要制定好標準和協議，從信息處理、軌跡插補、加減速控制、開關量控制到伺服控制都可以實現開放，從而可大大方便用戶的使用?！⊥七M數控功能部件的專業化生產 解決數控系統問題后，如何實現數控機床的模塊化設計與制造便是我國機床制造企業快速響應市場需求，在競爭中獲勝的另一關鍵。要實現數控機床的模塊化設計制造，必須解決數控機床功能部件的專業化生產問題。目前我國在這方面離實際需求還有相當大的差距。因此，在今后的若干年內，我們必須大力促進數控機床功能部件的開發和專業化生產。其要點如下： 1新型永磁電主軸單元　 電主軸已成為國際市場上最熱門的數控機床功能部件。但目前這類產品幾乎都為感應異步型，存在以下突出問題：①轉子上存在繞組，有大電流流過，因此轉子發熱嚴重，直接影響主軸精度；②低速出力小且轉矩脈動大，難以滿足寬范圍切削要求；③效率和功率因素低，不僅電機體積和重量大而且要求逆變器容量大、耗能多；④控制系統復雜、成本高。 因此，利用我國稀土永磁材料的優勢，開發新型大功率、高效率、寬調速范圍永磁同步型交流電主軸單元，將可有效解決現有電主軸存在的問題，形成具有中國特色的新一代電主軸產品。由于永磁電主軸的機械結構和控制系統都較感應異步型電主軸簡單，因此易于進行專業化大規模生產。當然，這還要攻克主軸支承（陶瓷軸承、流體動靜壓軸承、磁懸浮軸承）技術、高精度高速動平衡技術、高速驅動、檢測與控制技術、高可靠性安全保證技術等關鍵技術。 2廉價的高性能伺服系統　目前，一套進給交流伺服系統（驅動器+電機）的價格一般都在萬元以上，主軸伺服系統的價格高達數萬元，已成為降低國產數控機床成本的一大障礙。因此，應配合新型集成化國產數控系統的發展，大力開發廉價的高性能內裝式伺服系統。由于內裝式伺服的硬件部分只有電機和功率接口，充分利用我國的永磁資源優勢，通過專業化生產可以把電機的造價降下來，而采用智能化的IPM模塊作為功率接口也很便宜，因此將內裝式進給伺服的價格控制在數千元以內，將內裝式主軸伺服的價格控制在2萬元以內，將是完全可能的。 3直線交流伺服系統　 直線交流伺服系統是下一世紀數控機床不可缺少的功能部件，目前我國還沒有成熟產品，因此應加強研究、開發和推廣應用。考慮到常規機床的防磁問題較難解決，而并聯機床的防磁相對容易，因此可為常規結構機床開發感應異步型直線電機，為并聯結構機床開發永磁同步型直線電機，從而揚長避短，構成符合實際應用要求的新型高速高精度進給系統。在此基礎上，可進一步開發將驅動與支承合二為一的磁懸浮工作臺。 4零傳動數控轉臺與擺頭　 數控轉臺與擺頭是多坐標數控機床的關鍵部件，傳統的采用高精度蝸桿蝸輪等傳動的轉臺與擺頭不僅制造難度大、成本高，而且難以達到高速加工所需的速度和精度，因而必須另辟蹊徑開發新型零傳動（無機械傳動鏈）數控轉臺和擺頭，以促進我國高速高精度多坐標數控機床的發展。 5高速高精度檢測裝置　 高速高精度是下世紀數控機床發展的主題，這不但需要高性能的控制和驅動，同時還需要高品質的檢測環節，因此應在現有技術基礎上， μm以上精度的高速(60 m/min以上)線位移傳感器和100萬脈沖/r的角位移傳感器，此類技術國外對我國是封鎖的?！〖铀贁悼貦C床的全國產化，打好市場翻身仗 數控產業化的最終成功將體現在數控機床的全國產化和市場占有率上。在上述總體戰略指導下，采取抓兩頭（低價位數控機床和高速高效數控機床）、帶中間（普通數控機床）、促重型（重型關鍵裝備）的方針，將是在國內市場上快速收復失地，在國際市場上穩步進軍，最終打贏國產數控機床市場翻身仗的一種有效戰術和策略。關于普通數控機床的發展已有許多文章作了專門論述，因此下面僅就低價位數控機床、高速高效數控機床和重型數控機床的發展問題作一討論。1大力發展低價位數控機床　 低價位機床是功能滿足用戶要求(無功能浪費)、技術指標適中、可靠性好、價格便宜的普及型數控機床。這類機床已成為國際市場上數控機床的發展趨勢之一，也是國內眾多用戶渴求的產品，其市場前景相當廣闊。然而，如果采用國外數控系統（包括伺服）按照傳統思路來發展低價位機床，是很難將價格降至廣大用戶所能接受的水平的。因此，采用本文提出的新型集成化國產數控系統來發展高性能的低價位數控機床，將是一條最有希望成功的道路。只要有一定批量，由此構成的全國產普及型數控車床的售價完全可以控制在10萬元以內，三坐標數控銑床可控制在15萬元左右，加工中心可控制在20萬元左右。此價位的國產數控機床將是具有較強競爭力的。2加速開發高速高效數控機床　 高速高效是數控機床發展的另一大潮流。發展高速高效數控機床的技術途徑可有以下幾條：①通過提高切削速度和進給速度，從而達到成倍提高生產效率，有效提高零件的表面加工質量和加工精度并解決常規加工難以解決的某些特殊材料（如鋁鈦合金、模具鋼、淬硬鋼）和特殊形狀零件（如復雜薄壁零件）的高效加工問題。②通過工藝復合，減少工件的安裝次數，有效縮短搬運和裝夾時間。例如，將五面五軸加工中心與立車復合構成萬能加工中心，可實現一次裝卡完成零件的大部分（或全部）加工。③采用高速高精度圓周銑加工孔和以螺旋軌跡插補實現不鉆底孔的直接攻絲等新加工方法，大幅度減少換刀次數，提高加工效率。④為數控機床開發智能尋位加工功能，消除對精密夾具和人工找正的依賴，有效縮短單件小批加工的準備時間。 在我國現實條件下如果沿用傳統思路是難以實現上述途徑的，因此，必須立足國情，結合實際勇于創新，大膽探索新的道路。 考慮到常規數控機床在總體結構上基本上采用工件和刀具沿各自導軌共同運動的方案，一方面由于機床傳動環節剛性不足和導軌中的摩擦阻力較大，使運動部件難以獲得高的進給速度；另一方面由于工件、夾具和工作臺的總質量比較大，使之難以獲得高的加速度。此外，傳統機床結構是一種串聯開鏈結構，組成環節多、結構復雜，并且由于存在懸臂部件和環節間的聯接間隙，不容易獲得高的總體剛度，因此難以適應高速高效加工的特殊要求。為此，開發國產高速高效數控機床時，可采用工件固定，以直線電機組成并聯短鏈直接驅動主軸和刀具運動、將高速高精度傳動與高剛度支撐合二為一的適合于高速高效加工中心的新型結構。采用該結構的高速高效數控機床不但速度高、剛度高，如果在傳動與控制上處理得當，可以達到比常規機床更高的加工精度和加工質量，而且具有機械結構簡單，零部件通用化、標準化程度高，制造成本低，易于經濟化批量生產等顯著優點。因此，沿此思路發展高速高效數控機床將是一條符合國情、易于取得成功的道路。3突破重型數控機床的設計制造技術　 重型數控機床（特別是多坐標重型數控機床）是國民經濟和國防生產中的重大關鍵設備，屬于戰略物資，真正先進的重型數控機床國外是不可能賣給我們的，因此，在我國下世紀數控產品的發展中必須依靠自己的力量進行解決。發展重型數控機床必須有過硬的基礎，我們在數控機床國產化的進程中應不斷總結經驗，加強基礎技術和關鍵技術研究，充分發揮我國產學研相結合的優勢，各部門通力合作、共同努力，爭取在下世紀初取得突破性進展。 目前，在發展重型數控機床中除需加強基礎理論研究外，還應加強其關鍵技術研究。例如，重型機床的控制就是需要加以特殊解決的關鍵問題。因重型機床加工的工件特別昂貴不允許報廢，為了確保機床工作可靠，在數控系統中可采用雙（或多）CPU冗余工作方案，以確保運算和控制的絕對正確，并在出現故障時自動診斷、自動修復或自動替補，確保加工不出問題。此外，在電源上可采取雙蓄電池供電的全隔離供電方案，即一組電池在給系統供電時，可對另一組電池進行充電，電網與控制系統是完全隔離的。這就徹底消除了重型車間中電網電壓波動厲害、干擾嚴重對數控系統造成的影響，從而有效保證系統的可靠性。又如，重型數控機床的驅動也是一大關鍵問題。當行程長度超過5m，普通滾珠絲桿就難以勝任大負荷的傳動，因此目前一般采用預加負載的雙齒輪齒條機構、靜壓蝸桿蝸母條機構、四足（或雙足）爬行進給機構等來實現長行程傳動。但這些方案存在結構復雜、速度和加速度低、動態性能差、難以達到高精度、維護保養復雜等問題。為此可發展陣列式高效直線電機直接驅動技術和空間并聯機構驅動技術，以新的途徑來解決重型數控機床的高速、高精度驅動問題。除此之外，機床結構的優化設計、長行程精密檢測、重力變形補償、切削力變形補償、熱變形補償等也是重型數控機床中必須解決的關鍵問題，必須予以充分重視。