摘要：随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及新型材料的研究和应用，对数控机床加工的高效益、高质量和低成本要求越加明显。数控机床作为智能制造领域的重要装备，集多项高端技术于一体，如何最大程度的实现先进软硬件的匹配，发挥最大效能，提高加工速度和精度，从而提高产品质量，降低生产成本，缩短生产周期，是众多企业提升竞争力的制胜之路。
关键词：数控机床；高速高精；智能化
重工业尤其是其中的装备工业的发展水平决定着一个国家的综合国力和国民经济发展水平。数控技术是当今先进制造技术和装备的核心技术。在现代工业、制造业尤其是高精尖领域，数控技术已得到广泛应用。各工业发达国家也将数控技术视为国家的战略物资，甚至对工业欠发达国家实施信息屏蔽和技术封锁。我国经过了改革开放后几十年的奋力追赶，在数控领域已取得较大成就，并在开放式数控系统、嵌入式数控系统等方面实现技术突破。但是，目前我国数控技术水平从国际上看仍处于落后水平，与发达国家相比还有较大差距。尤其是在转角和小半径处，对表面质量、尺寸和形状精度都要求极高。必须采用特殊的控制方法，才能实现高精度、高速加工，提高光洁度，减少电火花和抛光环节。这些不仅可以通过先进的硬件和高端的软件技术来实现，还需要对系统和伺服的控制参数进行优化，从而实现软硬件的高效匹配运行。
1.高速、高精、复合切削机床基本概念及世界先进机床技术指标
1.1高速加工机床
近十多年来，电主轴、直线电动机、转矩电动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。越来越多的学者[z}认为单纯以主轴转速定义高速加工是不全面的，高速加工机床应该是一个系统而综合的概念，其定义应该包含如下内容:
1.1.1高速主轴
高速主轴是高速加工中心最关键的部件之一。目前主轴转速在20000~40000r/min的加工中心越来越普及。高速加工中心的转速、功率、动态平衡、刚性、锥度孔型及热变形特性等，对高速加工中心的刚性和热稳定性都有相当程度的影响。这样就要求高速加工中心主轴和电动机合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动，减少传动部件，具有更高的可靠性。瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主轴转速己达54000r/min；德国Kugler公司的五轴高精度铣床，其最高主轴转速达160000r/min(采用空气轴承)；德国Fraunhofer生产技术研究所正在开发转速为300000r/min的空气轴承支撑的主轴。
1.1.2高速进给系统
进给系统的高速性是评价高速机床性能的重要指标之一。目前高速加工中心的切削进给速度一般为50-120m/min，有的高速加工中心进给速度高达240m/min。对高速进给系统的要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。常用的高速进给系统有三种主要的驱动方式:高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构。
1.1.3转矩电动机
转矩电动机是一种同步电动机，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，它像直线电动机一样直接驱动装置。转矩电动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。由于转矩电动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。目前，己有部分厂家的高速加工中心采用转矩电动机来驱动回转摆动轴C和A。如罗德斯公司的RXP500DS/RXP800DS，德马吉的DMC75Vlinen:和Edel的CyPort五轴龙门铣床。
1.1.4高速CNC控制系统
高速数控机床要求数控控制系统具有快速的数据处理能力和较高的功能特性，以保证其在高速切削中仍具有良好的加工性能。高速数控系统的数据处理能力有两个重要指标:一是单个程序的处理时间，为了适应高速，单个程序的处理时间应较短；目前，高档数控系统程序段的加工时间一般可达0.5ms(如海德汉iTNC530数控系统)，而单个数控系统的加工时间已缩短至0.2-0.4ms。第二，插值精度。为了保证高速插补的精度，需要具有前瞻性和大量先进的程序段处理功能。
1.1.5高速换刀装置
为了配合机床的高效率，自动换刀装置(ATC)的高速化也成为高速加工中心的重要技术内容[s}。衡量换刀速度方法主要有三种:①刀到刀换刀时间(tool一to一tool)，指换刀装置把要换的刀具从主轴开始拔下到将下一工步需要的刀具完全插人主轴所需要经历的时间；②切削到切削换刀时间(cut一to一cut)，指刀具主轴从参考位置移向换刀位置，换完刀后再回到参考位置所需要经历的时间；③切屑到切屑换刀时间(chip一to一chip)，指刀具主轴从参考位置移向换刀位置，换完刀后再回到参考位置的过程中主轴启动并达到最高转速所需要经历的时间。
1.2精密超精密加工机床
超精密加工技术是以高精度为目标的技术，是一个动态的概念，在不同的历史时期和不同的技术水平下，超精密加工有着不同的定义。一般认为，加工精度亚微米，粗糙度优于百分之几微米的为超精密加工。美国Precitech公司和Moore公司是世界著名的商品化超精密机床制造商，Precitech公司的Nanoform系列和Moore公司的Nanotech系列超精密机床代表了当今商品化超精密机床的技术平和发展趋势。
预期至2020年微米级(0.001mm)加工精度技术将替代目前量大面广的道级(0.O1mm)加工精度，成为加工领域的主流技术。超精密加工机床加工精度也将由亚微米(0.0μm)级、深亚微米(0.01μm)级提升至纳米级，同时迅速扩大其在制造业中的应用范围。表1给出了当前不同精度等级数控机床所达到加工精度的先进水平。
表1各种加工领域达到的先进水准
2.关键共性技术的主流研究方法
高速、高精关键技术研究具有一定的共性，本文仅列举部分共性关键技术的主流研究方法。
2.1整机结构静动刚度分析及优化设计
采用连续参数建模法，建立考虑结合面状态的整机结构静态分析模型；采用连续参数子结构有限元模型，并结合降阶技术和结合面动态参数试验识别技术，应用模态综合理论，建立考虑结合面影响的整机动态分析模型；研究整机结构静动特性及其对加工精度的影响规律；利用商用软件的二次开发功能，探讨整机结构动态模拟和灵敏度分析实施技术；基于整机结构静动特性与加工精度的关联关系和灵敏度分析，优化整机结构设计。
2.2高速主轴结构、润滑与轴承结构及优化设计
研究了润滑油用量、粘度和转速对轴承温度的影响，确定了高速轴承的最佳润滑参数。建立了高速滚动轴承弹流润滑接触模型，采用多重网格法对高速滚动轴承的流变弹流润滑进行了数值分析。通过对轴承通道曲率系数的优化设计，得到了优化后的轴承参数，确定了合理的轴承间隙、装配预紧力和轴承的匹配性能。根据主轴系统的热源分布和散热路径，建立了系统的温度场控制方程，采用传递矩阵法或有限元法建立了主轴系统的动力学模型。为了获得系统的高动刚度，在无颤振的理想切削条件下，在系统最高温度满足要求的情况下，对主轴系统的结构参数进行了优化。采用模糊或遗传优化方法对主轴系统进行优化。
2.3切削机理、热变形及补偿
依据机床加工应用范围，选择加工工件和刀具，进行切削实验和理论分析，确定切削力、切削功率和切削热；结合切削力学和机床动力学及机床加工误差分析，确定机床结构静刚度、动刚度并对机床进行热特性分析，优化机床结构设计；利用计算机分析工具和远红外热像仪等先进测试技术，对刀具、工件区域温度进行测量，建立相应的温度测量数据库，构建温度场的数学模型，分析工件在多种受热状态下的热变形；应用数学、传热学和力学方法推导工件在多种情况下的热变形量计算模型；通过对加工中心在线采集数据(如热位移或温度)以及有限元分析结果，建立依赖于关键部件运行参数与温度的热变形预测理论和精确数学描述；基于热变形预测模型，建立加工中心综合热误差模型及其补偿算法，实现切削热变形实时补偿。
2.4机床可靠性
依据数控机床总体方案，采用功能元法，建立功能结构树，实现对数控机床产品的全寿命周期可靠性工程信息建模；依据同类产品和关键零部件产品的可靠性数据，按照可靠性指标MTBF，对总体方案各功能部件进行可靠性指标分配，并提出优化方案；在产品制造阶段，提出零部件采购筛选、关键零部件可靠性试验方案，直到产品可靠性制造。
结论
机床行业对国防工业和制造业的竞争力有着重要的影响。中国政府将机床行业提升到了战略地位。通过引入一系列的支持性政策，中国机床行业在未来的几年里，预计将继续快速增长，与此同时，在技术能力上实现质的突破，形成具有国际竞争力的高端机床品牌，和几个世界级的机床企业。总体来看，我国机床市场中长期发展势头强劲，我国机床行业在未来几年将进入发展的战略机遇期。未来的突破将集中在:发展大型、高精度、高速数控设备和数控系统及功能部件，改变大型、高精度数控机床最依赖进口的现状。
参考文献
[1]李小清.高速高精运动控制补偿及参数校准技术[D].华中科技大学，2011(01).
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[3]汤志斌.数控高速高精运动控制方法的研究[J].制造技术与机床，2003(03).
论文作者:郭志凯
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：主轴论文; 机床论文; 加工论文; 精度论文; 精密论文; 技术论文; 加工中心论文; 《电力设备》2019年第6期论文;