超高速機(jī)床的研究、開發(fā)和應(yīng)用得到了世界各國的廣泛重視，近年來發(fā)展非常迅速，一些的機(jī)床生產(chǎn)廠家不斷推出自己的新型產(chǎn)品。如何結(jié)合國情研究開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于批量生產(chǎn)的新一代高速和超高速機(jī)床，將是我國機(jī)床研究開發(fā)部門和生產(chǎn)廠家在新世紀(jì)到來時(shí)所面臨的重要任務(wù)。
我們在對國產(chǎn)機(jī)床的現(xiàn)狀和問題進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，對開發(fā)具有中國特色的新一代超高速機(jī)床進(jìn)行了探索，在基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并正進(jìn)行超高速機(jī)床產(chǎn)品的開發(fā)。下面作一介紹。
1 超高速加工中心的新型結(jié)構(gòu)
現(xiàn)有高速機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)基本上采用工件和刀具共同運(yùn)動的方案。在這類工件和工作臺一體運(yùn)動的常規(guī)結(jié)構(gòu)中，由于工件、夾具和工作臺的總重量比較大，不但增加了機(jī)床導(dǎo)軌中的摩擦阻力，需耗費(fèi)較大的驅(qū)動功率，而且更為嚴(yán)重的是，要驅(qū)動大的質(zhì)量體完成高加速度運(yùn)動，將需要很大的推動力。這將顯著提高直線伺服電機(jī)的功率，既提高了機(jī)床成本又增加了發(fā)熱，對機(jī)床加工精度造成不利影響。此外，傳統(tǒng)高速機(jī)床結(jié)構(gòu)是一種串聯(lián)開鏈結(jié)構(gòu)，組成環(huán)節(jié)多（特別是在多坐標(biāo)機(jī)床中）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且由于存在懸臂部件和環(huán)節(jié)間的聯(lián)接間隙，不容易獲得高的總體剛度，難以適應(yīng)超高速加工進(jìn)一步發(fā)展的要求。
為從根本上解決上述問題，我們在開發(fā)新一代超高速加工中心時(shí)，采用了基于 stewart 平臺原理的并聯(lián)閉鏈多自由度驅(qū)動結(jié)構(gòu)，由此構(gòu)成了工件固定、刀具（主軸）運(yùn)動的適合超高速加工中心的新方案，其基本結(jié)構(gòu)見圖1。該機(jī)床的主軸單元由6根可變長度驅(qū)動桿支撐，6
圖1 超高速加工中心結(jié)構(gòu)示意圖(立式)
根驅(qū)動桿的另一端固定于基礎(chǔ)框架上。各驅(qū)動桿與主軸單元和基礎(chǔ)框架的聯(lián)結(jié)均采用可預(yù)緊的高剛度滾動結(jié)構(gòu)。這樣可使驅(qū)動桿不承受彎曲力矩且運(yùn)動靈活。調(diào)節(jié)6根驅(qū)動桿的長度，可使主軸和刀具作六自由度運(yùn)動，其中包括沿3個(gè)線性軸x、y、z 的平移運(yùn)動和沿3個(gè)轉(zhuǎn)動軸 a、b、c的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于驅(qū)動桿在切削力和溫度變化作用下的受力變形和熱變形主要影響桿的長度，因此通過對桿長進(jìn)行閉環(huán)控制并對測量裝置的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，可以有效校正桿長位移誤差，使機(jī)床獲得高的加工精度。在這一新型結(jié)構(gòu)中，雖然需用6套進(jìn)給伺服系統(tǒng)，但每一伺服系統(tǒng)的功率都比常規(guī)數(shù)控機(jī)床單個(gè)坐標(biāo)的驅(qū)動功率小，因此總的進(jìn)給驅(qū)動功率與常規(guī)機(jī)床相當(dāng)，不會明顯增加進(jìn)給驅(qū)動部分的成本。
從總體上看，采用上述結(jié)構(gòu)的超高速加工中心具有以下特點(diǎn)：
(1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，零部件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，易于經(jīng)濟(jì)化批量生產(chǎn)。此外，該機(jī)床整體重量輕，約為常規(guī)機(jī)床的1/5～1/3，因此原材料消耗少、加工量少，將進(jìn)一步降低制造成本。
(2) 工件固定而主軸相對于工件作多自由度運(yùn)動，因此將主軸部件做成電主軸單元，可以有較小的質(zhì)量，非常有利于獲得高的加速度。
(3) 進(jìn)給機(jī)構(gòu)為空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在驅(qū)動電機(jī)速度相同的條件下可以獲得比采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)的常規(guī)數(shù)控機(jī)床更高的進(jìn)給速度，有利于滿足超高速加工對進(jìn)給速度的要求。
(4) 六桿平臺結(jié)構(gòu)將傳動與支撐功能集成為一體，6根驅(qū)動桿既是機(jī)床的傳動部件又兼做主軸單元的支撐部件，這不僅大幅度減小了摩擦阻力，有利于進(jìn)一步提高進(jìn)給速度與加速度，而且將有效減少工件－機(jī)床－刀具鏈中的環(huán)節(jié)，消除了這些環(huán)節(jié)帶來的力變形和熱變形，并可減少聯(lián)接和傳動間隙，提高接觸剛度，有利于提高機(jī)床的綜合精度。
(5) 因機(jī)床的主體為并聯(lián)閉鏈結(jié)構(gòu)，消除了常規(guī)機(jī)床中的懸臂環(huán)節(jié)，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)可使各驅(qū)動桿和有關(guān)部件只承受拉壓力而不受彎曲力矩，因而使機(jī)床總體剛度進(jìn)一步提高（可比一般加工中心高5倍左右）。如果在傳動與控制上處理得當(dāng)，可以使由此構(gòu)成的新型機(jī)床達(dá)到比常規(guī)機(jī)床高得多的加工精度和加工質(zhì)量［1］。
(6) 機(jī)床上不存在沿固定導(dǎo)軌運(yùn)動的直線和旋轉(zhuǎn)工作臺以及支承工作臺所需的其它部件，因此，刀具在空間的定位精度和運(yùn)動軌跡精度*由傳動、檢測和控制來保證，從而*消除了導(dǎo)軌、工作臺、立柱、橫梁等引起的空間幾何誤差。
(7) 利用該加工中心的主軸部件可作六自由度高速運(yùn)動這一特點(diǎn)，讓主軸直接參與換刀過程，不僅可使刀庫配置位置靈活，而且可減少刀庫運(yùn)動的自由度，顯著簡化刀庫和換刀裝置的結(jié)構(gòu)。更重要的是，換刀環(huán)節(jié)的減少和機(jī)械結(jié)構(gòu)上的簡化將有效提高換刀的可靠性，這在自動化加工系統(tǒng)中是非常重要的。
2 超高速加工中心的傳動
2.1 主傳動
在新型超高速加工中心中，主軸單元是一可進(jìn)行六坐標(biāo)高速運(yùn)動的部件，因此為了縮小體積、減輕重量，以降低支撐驅(qū)動它的六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)所承受的負(fù)荷，使其獲得更大的移動速度和加速度，故采用新型交流永磁同步電主軸構(gòu)成主軸單元，見圖2。單元中的主軸部件由高速精密陶瓷軸承支撐于電
圖2 電主軸單元結(jié)構(gòu)示意圖
主軸的外殼中，外殼內(nèi)還安裝有電機(jī)的定子鐵心和三相定子繞組。為了有效散熱，在殼體內(nèi)開設(shè)了冷卻管路。主軸系統(tǒng)工作時(shí)，由冷卻泵打入冷卻液帶走主軸單元內(nèi)的熱量，以保證電主軸正常工作。主軸為空心結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部和頂端安裝有拉刀、松刀機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動換刀。主軸外套有電機(jī)的轉(zhuǎn)子，這是一種內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在主軸的端部還裝有激光角位移傳感器，以實(shí)現(xiàn)對主軸旋轉(zhuǎn)位置的閉環(huán)控制，保證自動換刀時(shí)實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停和螺紋加工時(shí)的c 、z軸準(zhǔn)確聯(lián)動。
該電主軸單元采用內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如下：①電機(jī)效率高，因而可使主軸單元的體積小、重量輕，有利于實(shí)現(xiàn)對主軸單元的位置與姿態(tài)進(jìn)行高速控制；②由新型磁鐵代替了感應(yīng)電機(jī)的鼠籠（繞組），轉(zhuǎn)子發(fā)熱小，有利于保證主軸的精度；③有較高的機(jī)械強(qiáng)度，提高了電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的可靠性與安全性；④可方便地實(shí)現(xiàn)恒功率弱磁調(diào)速，從而擴(kuò)大電主軸的調(diào)速范圍，有效滿足了寬范圍高速切削的要求。
電主軸的驅(qū)動采用基于pampwm控制原理的、由智能化igbt模塊構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)［2，3］，以實(shí)現(xiàn)寬范圍恒功率調(diào)速。在此基礎(chǔ)上，通過位置閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)角的準(zhǔn)確控制。
超高速加工時(shí)，由于加工時(shí)間縮短，換刀間隔縮短，因此主軸起停頻繁。為縮短主軸高速運(yùn)行下的制動時(shí)間，在驅(qū)動系統(tǒng)主電路中采用了快速再生制動回路，以將高速制動時(shí)的機(jī)械能量回饋給電網(wǎng)，從而不但提高了制動力矩，而且節(jié)約了電能，并保證主電路不因強(qiáng)制動能量的沖擊受損壞。
因電主軸傳動是電機(jī)與主軸合二為一的高速大功率直接傳動，其安全性與可靠性十分重要，為此，為其設(shè)計(jì)了智能化監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對主軸溫度、振動、功率、切削力等的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以有效保證主軸系統(tǒng)可靠工作。
2.2 進(jìn)給傳動
新型超高速加工中心的進(jìn)給傳動系統(tǒng)是由6根可變長度驅(qū)動桿組成的一個(gè)統(tǒng)一體，進(jìn)給運(yùn)動和力的傳遞由6根驅(qū)動桿共同實(shí)現(xiàn)。在機(jī)床運(yùn)行過程中，要驅(qū)動主軸和刀具從當(dāng)前狀態(tài) (位置與姿態(tài)）平穩(wěn)變化到下一希望狀態(tài)，6根驅(qū)動桿必須統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)動。為實(shí)現(xiàn)這種協(xié)調(diào)運(yùn)動，要求各驅(qū)動桿必須在工作空間內(nèi)的任何方向都能進(jìn)行精密的伸縮運(yùn)動，為此需解決力和運(yùn)動的變方向傳遞及大功率變負(fù)荷精密直線位移傳動兩個(gè)問題。
為解決個(gè)問題，采用萬向聯(lián)軸器將驅(qū)動桿的靜端點(diǎn)與基礎(chǔ)框架相聯(lián)結(jié)，采用球形鉸鏈將驅(qū)動桿的動端點(diǎn)與主軸單元相聯(lián)結(jié)。這樣可使驅(qū)動桿不但運(yùn)動靈活而且不承受彎曲力矩。需注意的是，所采用的萬向聯(lián)軸器和球形鉸鏈應(yīng)具有滾動結(jié)構(gòu)，這樣可在不降低靈活性的前題下通過預(yù)緊來消除間隙并提高接觸剛度。
解決第二個(gè)問題的關(guān)鍵是要保證驅(qū)動桿能作高速精密直線位移并實(shí)現(xiàn)大功率變負(fù)荷傳動。為此，我們在新型加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了交流永磁同步直線電機(jī)直接傳動方案，根據(jù)這一方案所開發(fā)的直線電機(jī)和伺服控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見圖3、圖4。
1.后防護(hù)罩 2.電機(jī)殼體 3.定子鐵心 4.定子繞組 5.動子鐵心 6.動子磁鐵 7.前防護(hù)罩 8.輸出桿
圖3 交流永磁同步直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
圖四 直線伺服電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
由圖3、圖4可見，每一伺服系統(tǒng)包含兩個(gè)并聯(lián)的三相多極直線伺服電機(jī)和相應(yīng)的驅(qū)動控制系統(tǒng)。直線電機(jī)主要由定子、動子、支撐體和檢測裝置4部分組成。在電機(jī)的定子繞組中通入對稱三相交流電流，將產(chǎn)生沿電機(jī)運(yùn)動方向的行波磁場。通過矢量控制使定子行波磁場的磁極超前動子永磁體磁極一個(gè)相位角θ，即可產(chǎn)生所要求的磁拉力來驅(qū)動動子平穩(wěn)運(yùn)動。檢測裝置采用高精度光柵，一方面為矢量控制提供動子磁極位置信息，另一面對驅(qū)動桿的實(shí)際位移進(jìn)行精確檢測，以實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動桿桿長的全閉環(huán)控制，從而保證刀具運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。
上述方案將直線電機(jī)和直線位移檢測裝置集成為一體，可以高效、快速地實(shí)現(xiàn)精密直線位移傳動，是新型超高速加工中心的一種理想的進(jìn)給傳動方案。
3 超高速加工中心的控制
3.1 超高速機(jī)床控制的核心問題
新型超高速加工中心的控制系統(tǒng)不僅要能進(jìn)行多坐標(biāo)聯(lián)動控制，而且更重要的是要保證多軸聯(lián)動的高進(jìn)給速度和軌跡控制的高精度，因此，如何通過有效的控制來保證刀具按要求的軌跡作高速高精度運(yùn)動，便成為超高速機(jī)床控制的核心問題。
為此，我們針對超高速機(jī)床結(jié)構(gòu)上的特殊性，在文獻(xiàn)［4］工作的基礎(chǔ)上研究出一種高速高精度軌跡控制方法，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)出新型超高速加工中心的高速高精度數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在提高軌跡控制精度與速度方面采取了如下關(guān)鍵措施：① 采用新型插補(bǔ)技術(shù)，大幅度提高軌跡生成精度與速度；② 以數(shù)字化信息傳遞取代脈沖信息傳遞，*消除信息傳遞中的瓶頸；③ 通過虛實(shí)映射聯(lián)動控制，有效保證希望軌跡的高精度實(shí)現(xiàn)；④采用信息化精度創(chuàng)成技術(shù)，有效抑制機(jī)械誤差和測量誤差對軌跡精度的影響，全面提高機(jī)床的加工精度。
3.2 高速高精度軌跡生成
為具體實(shí)施上述措施，在超高速機(jī)床控制系統(tǒng)中采用高分辨率式采樣插補(bǔ)算法生成刀具運(yùn)動軌跡。在此環(huán)境下，為既保證高的進(jìn)給速度，又達(dá)到高的軌跡精度，必須大幅度提高插補(bǔ)采樣頻率。為此，我們發(fā)揮通用微機(jī)數(shù)控的軟硬件優(yōu)勢將采樣頻率提高到5000 hz，即插補(bǔ)周期為0.2 ms（這一指標(biāo)比普通數(shù)控系統(tǒng)高20～40倍）。這樣，即使要求插補(bǔ)誤差不大于0.0001 mm，在當(dāng)前曲率半徑為200 mm 時(shí)，仍能獲得120 m／min的進(jìn)給速度。
在高速插補(bǔ)的環(huán)境下，因插補(bǔ)直線段長度已足夠短，并且插補(bǔ)器輸出數(shù)據(jù)的改變周期也短到位置環(huán)所能分辨的最小值，因此*不需要再對插補(bǔ)器的輸出進(jìn)行細(xì)化。事實(shí)上，這就相當(dāng)于將常規(guī)的獨(dú)立精插補(bǔ)功能融合進(jìn)了高速采樣插補(bǔ)中，即實(shí)現(xiàn)了粗精插補(bǔ)合一［5］，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化。
3.3 虛實(shí)映射聯(lián)動控制［6］
采樣插補(bǔ)產(chǎn)生的刀具希望運(yùn)動軌跡是以x、y、z、a、b坐標(biāo)軸的運(yùn)動指令形式給出的。但是，在新型超高速機(jī)床中，并不真正存在沿 x、y、z、a、b 坐標(biāo)運(yùn)動的物理運(yùn)動軸，即x、y、z、a、b 是一種虛擬運(yùn)動軸(簡稱虛軸)，不能直接對其進(jìn)行控制，而直接可控的實(shí)際運(yùn)動軸(簡稱實(shí)軸)為支撐主軸單元的6根驅(qū)動桿的長度li(i=1,2,…,6)。因此, 為了保證刀具希望軌跡的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，必須將虛軸控制轉(zhuǎn)換為實(shí)軸控制。這可通過虛實(shí)映射聯(lián)動控制方法來實(shí)現(xiàn)，其基本過程見圖5。
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先將實(shí)時(shí)軌跡插補(bǔ)產(chǎn)生的以 x、y、z、a、b 軸移動量表示的刀具運(yùn)動指令送入虛實(shí)映射求解模塊，由該模塊通過虛實(shí)映射求解算法得到實(shí)軸（即6根驅(qū)動桿）的運(yùn)動指令，然后經(jīng)實(shí)軸隨動控制使各驅(qū)動桿嚴(yán)格按指令要求進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動。最后通過機(jī)床結(jié)構(gòu)隱含實(shí)現(xiàn)實(shí)虛映射使 x、y、z、a、b軸實(shí)際位移與希望位移一致，從而保證虛軸合成運(yùn)動產(chǎn)生的刀具實(shí)際運(yùn)動軌跡與插補(bǔ)產(chǎn)生的指令軌跡一致。
通過由虛實(shí)映射聯(lián)動控制實(shí)現(xiàn)的虛到實(shí)的變換，以及由機(jī)床結(jié)構(gòu)隱含實(shí)現(xiàn)的實(shí)到虛的逆變換, 即可得到所要求的刀具運(yùn)動軌跡。