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高速加工中心的发展

2021-03-05

近十年来,驱动技术和控制系统的长足进步,推动了加工中心结构的不断创新和性能的不断提高。电主轴、直线电机、转矩电机和快速数控系统的应用对提高加工中心的高速、高动态和高加工精度起了决定性的作用。而在模具加工机床的多种结构创新中,转矩电机起到了特别重要的作用。它不仅应用于回转工作台的回转和摆动驱动,而且还应用于叉形主轴头的摆动或主轴头的摆动和回转驱动,由此构成各种不同类型的五轴加工中心。而回转和摆动主轴头的应用,又为发展加工大型模具的五轴龙门式高速精密铣床提供了技术支持。今后,进一步提高主轴转速、动态性能和行程速度仍是高速加工中心的发展重点,这不仅仍要依赖于驱动技术和数控技术的进一步发展,还要有赖于机床构件轻量化的发展和并联机床的开发。可以预料,在今后5年中,高速加工中心或高速铣床的轴加速度有望达到3~4g,坐标轴的快速行程速度达到100~140m/min。在高速加工中心上,回转工作台的摆动以及叉形主轴头的摆动和回转等运动,已广泛采用转矩电机来实现。转矩电机是一种同步电机,其转子直接固定在所要驱动的部件上,所以没有机械传动元件,它像直线电机一样是直接驱动装置。转矩电机所能达到的角加速度要比传统的蜗轮蜗杆传动高6倍,在摆动叉形主轴头时加速度可达到3g。由于转矩电机可达到极高的静态和动态负载刚性,从而提高了回转轴和摆动轴的定位精度和重复精度。已有部分厂家的高速加工中心,已采用直线电机和转矩电机来分别驱动直线轴(X/Y/Z)和回转摆动轴(C和A)。如R歞er的RXP500DS/RXP800DS,德马吉的DMC75V linear和Edel的CyPort五轴龙门铣床。应该提及的是,直接驱动的直线轴与直接驱动的回转轴相组合,使机床所有的运动轴具有较高的动态性能和调节特性,从而为高速度、高精度和高表面质量加工模具自由曲面提供了条件。控制系统CNC控制系统是高速加工中心的重要组成部分,它在很大程度上决定着机床加工的速度、精度和表面质量。因此,对于加工模具自由曲面的高速机床,数控系统的性能具有特别重要的意义。加工高精度自由曲面时,由微段直线和圆弧构成的刀具轨迹造成庞大的零件程序,这些数据流需要由机床控制系统来储存和处理,因此,程序段处理时间的长短是决定CNC控制系统工作效率的重要指标。前高档CNC控制系统的程序段处理时间一般可达0.5ms(如海德汉的iTNC530数控系统),而个别数控系统的程序段处理时间已缩短到0.2~0.4ms。应用于模具高速加工的现代CNC数控系统,除了具有为确保高速进给速度所必要的很短程序处理时间外,还应具有Nurbs和样条插补功能,并能以纳米的分辨率进行工作,以便在高速加工的情况下获得高的加工精度和表面质量。高档的数控系统也都能与不同厂家的CAD/CAM系统进行连接,数据从CAD/CAM系统经以太网以很高的速度传送到控制系统上。CAD/CAM集成到控制系统上,在很大程度上能使模具复杂轮廓的加工获得良好的效果,并对缩短调整时间和编程时间做出十分重要的贡献。在上述所引述的五轴高速机床上,除R歞er公司是采用自己开发的数控系统外,其它主要是采用了西门子的840D和海德汉公司的iTNC530数控系统。
  
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