新一代超高速加工中心

超高速机床的研究、开发和应用得到了世界各国的广泛重视，近年来发展非常迅速，一些著名的机床生产厂家不断推出自己的新型产品。如何结合国情研究开发结构简单、成本低、易于批量生产的新一代高速和超高速机床，将是我国机床研究开发部门和生产厂家在新世纪到来时所面临的重要任务。

　　我们在对国产机床的现状和问题进行深入分析的基础上，对开发具有中国特色的新一代超高速机床进行了探索，在基础理论和关键技术方面进行了系统的研究，并正进行超高速机床产品的开发。下面作一介绍。



1　超高速加工中心的新型结构

　　现有高速机床的总体结构基本上采用工件和刀具共同运动的方案。在这类工件和工作台一体运动的常规结构中，由于工件、夹具和工作台的总重量比较大，不但增加了机床导轨中的摩擦阻力，需耗费较大的驱动功率，而且更为严重的是，要驱动大的质量体完成高加速度运动，将需要很大的推动力。这将显著提高直线伺服电机的功率，既提高了机床成本又增加了发热，对机床加工精度造成不利影响。此外，传统高速机床结构是一种串联开链结构，组成环节多（特别是在多坐标机床中）、结构复杂，并且由于存在悬臂部件和环节间的联接间隙，不容易获得高的总体刚度，难以适应超高速加工进一步发展的要求。

　　为从根本上解决上述问题，我们在开发新一代超高速加工中心时，采用了基于 Stewart 平台原理的并联闭链多自由度驱动结构，由此构成了工件固定、刀具（主轴）运动的适合超高速加工中心的新方案，其基本结构见图1。该机床的主轴单元由6根可变长度驱动杆支撑，6

图1　超高速加工中心结构示意图(立式)

根驱动杆的另一端固定于基础框架上。各驱动杆与主轴单元和基础框架的联结均采用可预紧的高刚度滚动结构。这样可使驱动杆不承受弯曲力矩且运动灵活。调节6根驱动杆的长度，可使主轴和刀具作六自由度运动，其中包括沿3个线性轴X、Y、Z 的平移运动和沿3个转动轴 A、B、C的旋转运动。由于驱动杆在切削力和温度变化作用下的受力变形和热变形主要影响杆的长度，因此通过对杆长进行闭环控制并对测量装置的误差进行实时补偿，可以有效校正杆长位移误差，使机床获得高的加工精度。在这一新型结构中，虽然需用6套进给伺服系统，但每一伺服系统的功率都比常规数控机床单个坐标的驱动功率小，因此总的进给驱动功率与常规机床相当，不会明显增加进给驱动部分的成本。

　　从总体上看，采用上述结构的超高速加工中心具有以下特点：

　　(1) 机械结构简单，零部件通用化、标准化程度高，易于经济化批量生产。此外，该机床整体重量轻，约为常规机床的1/5～1/3，因此原材料消耗少、加工量少，将进一步降低制造成本。

　　(2) 工件固定而主轴相对于工件作多自由度运动，因此将主轴部件做成电主轴单元，可以有较小的质量，非常有利于获得高的加速度。

　　(3) 进给机构为空间并联机构，在驱动电机速度相同的条件下可以获得比采用串联结构的常规数控机床更高的进给速度，有利于满足超高速加工对进给速度的要求。

　　(4) 六杆平台结构将传动与支撑功能集成为一体，6根驱动杆既是机床的传动部件又兼做主轴单元的支撑部件，这不仅大幅度减小了摩擦阻力，有利于进一步提高进给速度与加速度，而且将有效减少工件－机床－刀具链中的环节，消除了这些环节带来的力变形和热变形，并可减少联接和传动间隙，提高接触刚度，有利于提高机床的综合精度。

　　(5) 因机床的主体为并联闭链结构，消除了常规机床中的悬臂环节，经过合理设计可使各驱动杆和有关部件只承受拉压力而不受弯曲力矩，因而使机床总体刚度进一步提高（可比一般加工中心高5倍左右）。如果在传动与控制上处理得当，可以使由此构成的新型机床达到比常规机床高得多的加工精度和加工质量［1］。

　　(6) 机床上不存在沿固定导轨运动的直线和旋转工作台以及支承工作台所需的其它部件，因此，刀具在空间的定位精度和运动轨迹精度完全由传动、检测和控制来保证，从而彻底消除了导轨、工作台、立柱、横梁等引起的空间几何误差。

　　(7) 利用该加工中心的主轴部件可作六自由度高速运动这一特点，让主轴直接参与换刀过程，不仅可使刀库配置位置灵活，而且可减少刀库运动的自由度，显著简化刀库和换刀装置的结构。更重要的是，换刀环节的减少和机械结构上的简化将有效提高换刀的可靠性，这在自动化加工系统中是非常重要的。



2　超高速加工中心的传动

2.1　主传动

　　在新型超高速加工中心中，主轴单元是一可进行六坐标高速运动的部件，因此为了缩小体积、减轻重量，以降低支撑驱动它的六杆并联机构所承受的负荷，使其获得更大的移动速度和加速度，故采用新型交流永磁同步电主轴构成主轴单元，见图2。单元中的主轴部件由高速精密陶瓷轴承支撑于电

图2　电主轴单元结构示意图

主轴的外壳中，外壳内还安装有电机的定子铁心和三相定子绕组。为了有效散热，在壳体内开设了冷却管路。主轴系统工作时，由冷却泵打入冷却液带走主轴单元内的热量，以保证电主轴正常工作。主轴为空心结构，其内部和顶端安装有拉刀、松刀机构，以实现自动换刀。主轴外套有电机的转子，这是一种内埋式永磁同步电机转子结构。在主轴的端部还装有激光角位移传感器，以实现对主轴旋转位置的闭环控制，保证自动换刀时实现主轴准停和螺纹加工时的C 、Z轴准确联动。

　　该电主轴单元采用内埋式永磁同步电机结构的优点如下：①电机效率高，因而可使主轴单元的体积小、重量轻，有利于实现对主轴单元的位置与姿态进行高速控制；②由新型永久磁铁代替了感应电机的鼠笼（绕组），转子发热小，有利于保证主轴的精度；③有较高的机械强度，提高了电机高速运行时的可靠性与安全性；④可方便地实现恒功率弱磁调速，从而扩大电主轴的调速范围，有效满足了宽范围高速切削的要求。

　　电主轴的驱动采用基于PAMPWM控制原理的、由智能化IGBT模块构成的交流调速系统［2，3］，以实现宽范围恒功率调速。在此基础上，通过位置闭环，实现主轴旋转角的准确控制。

　　超高速加工时，由于加工时间缩短，换刀间隔缩短，因此主轴起停频繁。为缩短主轴高速运行下的制动时间，在驱动系统主电路中采用了快速再生制动回路，以将高速制动时的机械能量回馈给电网，从而不但提高了制动力矩，而且节约了电能，并保证主电路不因强制动能量的冲击受损坏。

　　因电主轴传动是电机与主轴合二为一的高速大功率直接传动，其安全性与可靠性十分重要，为此，为其设计了智能化监控系统，以实现对主轴温度、振动、功率、切削力等的实时监控，以有效保证主轴系统可靠工作。

2.2　进给传动

　　新型超高速加工中心的进给传动系统是由6根可变长度驱动杆组成的一个统一体，进给运动和力的传递由6根驱动杆共同实现。在机床运行过程中，要驱动主轴和刀具从当前状态 (位置与姿态）平稳变化到下一希望状态，6根驱动杆必须统一协调运动。为实现这种协调运动，要求各驱动杆必须在工作空间内的任何方向都能进行精密的伸缩运动，为此需解决力和运动的变方向传递及大功率变负荷精密直线位移传动两个问题。

　　为解决第一个问题，采用万向联轴器将驱动杆的静端点与基础框架相联结，采用球形铰链将驱动杆的动端点与主轴单元相联结。这样可使驱动杆不但运动灵活而且不承受弯曲力矩。需注意的是，所采用的万向联轴器和球形铰链应具有滚动结构，这样可在不降低灵活性的前题下通过预紧来消除间隙并提高接触刚度。

　解决第二个问题的关键是要保证驱动杆能作高速精密直线位移并实现大功率变负荷传动。为此，我们在新型加工中心进给系统的设计中采用了交流永磁同步直线电机直接传动方案，根据这一方案所开发的直线电机和伺服控制系统的基本结构见图3、图4。　　

1.后防护罩　2.电机壳体　3.定子铁心　4.定子绕组　5.动子铁心　6.动子磁铁　7.前防护罩　8.输出杆





图3　交流永磁同步直线电机的基本结构

图四　直线伺服电机控制系统结构图

由图3、图4可见，每一伺服系统包含两个并联的三相多极直线伺服电机和相应的驱动控制系统。直线电机主要由定子、动子、支撑体和检测装置4部分组成。在电机的定子绕组中通入对称三相交流电流，将产生沿电机运动方向的行波磁场。通过矢量控制使定子行波磁场的磁极超前动子永磁体磁极一个最佳相位角θ，即可产生所要求的磁拉力来驱动动子平稳运动。检测装置采用高精度光栅，一方面为矢量控制提供动子磁极位置信息，另一面对驱动杆的实际位移进行精确检测，以实现对驱动杆杆长的全闭环控制，从而保证刀具运动轨迹的准确实现。





　　 上述方案将直线电机和直线位移检测装置集成为一体，可以高效、快速地实现精密直线位移传动，是新型超高速加工中心的一种理想的进给传动方案。

3　超高速加工中心的控制

3.1　超高速机床控制的核心问题

　　新型超高速加工中心的控制系统不仅要能进行多坐标联动控制，而且更重要的是要保证多轴联动的高进给速度和轨迹控制的高精度，因此，如何通过有效的控制来保证刀具按要求的轨迹作高速高精度运动，便成为超高速机床控制的核心问题。

　　为此，我们针对超高速机床结构上的特殊性，在文献［4］工作的基础上研究出一种高速高精度轨迹控制方法，并以此为基础开发出新型超高速加工中心的高速高精度数控系统。该系统在提高轨迹控制精度与速度方面采取了如下关键措施：① 采用新型插补技术，大幅度提高轨迹生成精度与速度；② 以数字化信息传递取代脉冲信息传递，彻底消除信息传递中的瓶颈；③ 通过虚实映射联动控制，有效保证希望轨迹的高精度实现；④采用信息化精度创成技术，有效抑制机械误差和测量误差对轨迹精度的影响，全面提高机床的加工精度。

3.2　高速高精度轨迹生成

　　为具体实施上述措施，在超高速机床控制系统中采用高分辨率绝对式采样插补算法生成刀具运动轨迹。在此环境下，为既保证高的进给速度，又达到高的轨迹精度，必须大幅度提高插补采样频率。为此，我们发挥通用微机数控的软硬件优势将采样频率提高到5000 Hz，即插补周期为0.2 ms（这一指标比普通数控系统高20～40倍）。这样，即使要求插补误差不大于0.0001 mm，在当前曲率半径为200 mm 时，仍能获得120 m／min的进给速度。

　　在高速插补的环境下，因插补直线段长度已足够短，并且插补器输出数据的改变周期也短到位置环所能分辨的最小值，因此完全不需要再对插补器的输出进行细化。事实上，这就相当于将常规的独立精插补功能融合进了高速采样插补中，即实现了粗精插补合一［5］，从而使系统结构得到简化。

3.3　虚实映射联动控制［6］

　　采样插补产生的刀具希望运动轨迹是以X、Y、Z、A、B坐标轴的运动指令形式给出的。但是，在新型超高速机床中，并不真正存在沿 X、Y、Z、A、B 坐标运动的物理运动轴，即X、Y、Z、A、B 是一种虚拟运动轴(简称虚轴)，不能直接对其进行控制，而直接可控的实际运动轴(简称实轴)为支撑主轴单元的6根驱动杆的长度Li(i=1,2,…,6)。因此, 为了保证刀具希望轨迹的准确实现，必须将虚轴控制转换为实轴控制。这可通过虚实映射联动控制方法来实现，其基本过程见图5。

　　系统运行时，首先将实时轨迹插补产生的以 X、Y、Z、A、B 轴移动量表示的刀具运动指令送入虚实映射求解模块，由该模块通过虚实映射求解算法得到实轴（即6根驱动杆）的运动指令，然后经实轴随动控制使各驱动杆严格按指令要求进行协调运动。最后通过机床结构隐含实现实虚映射使 X、Y、Z、A、B轴实际位移与希望位移一致，从而保证虚轴合成运动产生的刀具实际运动轨迹与插补产生的指令轨迹一致。

　　通过由虚实映射联动控制实现的虚到实的变换，以及由机床结构隐含实现的实到虚的逆变换, 即可得到所要求的刀具运动轨迹。