【正文】 自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。 世界上正在進(jìn)行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智能化數(shù)控裝置研究會(huì)針對鉆削的智能加工方案具有代表性。 數(shù)控系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，主要指數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)控系統(tǒng)一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場和企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)，然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂 Inter/Intra 技術(shù)。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數(shù)字制造的概念。數(shù)字制造，又 稱“ e制造”，是機(jī)械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一，也是國際先進(jìn)機(jī)床制造商當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)配置的供貨方式。隨著信息化技術(shù)的大量采用，越來越多的國內(nèi)用戶在進(jìn)口數(shù)控機(jī)床時(shí)要求具有遠(yuǎn)程通訊服務(wù)等功能。 數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)一步促進(jìn)了柔性自動(dòng)化制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)從點(diǎn) (數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床 )、線 (FMC、FMS、 FTL、 FML)向面 (工段車間獨(dú)立制造島、 FA)、體 (CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng) )的方向發(fā)展。柔性自動(dòng)化技術(shù)以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，同時(shí)注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓、完善，數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性 制造系統(tǒng)能方便地與 CAD、 CAM、 CAPP、 MTS聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。 數(shù)控系統(tǒng)向高可靠性方向發(fā)展 隨著數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的日趨廣泛，數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商追求的目標(biāo)。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在 16 小時(shí)內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率在 P(t)＝ 99%以上，則數(shù)控機(jī)床的平均無故障運(yùn)行時(shí)間 MTBF 就必須大于 3000 小時(shí)。我們只對某一臺(tái)數(shù)控機(jī)床而言，如主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為 10:1(數(shù)控的可靠比主機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí) )。此時(shí)數(shù)控 系統(tǒng)的 MTBF 就要大于 小時(shí)，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動(dòng)等的 MTBF 就必須大于 10 萬小時(shí)。如果對整條生產(chǎn)線而言，可靠性要求還要更高。 8 當(dāng)前國外數(shù)控裝置的 MTBF 值已達(dá) 6000 小時(shí)以上，驅(qū)動(dòng)裝置達(dá) 30000 小時(shí)以上，但是，可以看到距理想的目標(biāo)還有差距。 數(shù)控系統(tǒng)向復(fù)合化方向發(fā)展 在零件加工過程中有大量的無用時(shí)間消耗在工件搬運(yùn)、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時(shí)間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺(tái)機(jī)床上，因此，復(fù)合功能的機(jī)床成為近年來發(fā)展很快的機(jī)種 。 柔性制造范疇的機(jī)床復(fù)合加工概念是指將工件一次裝夾后，機(jī)床便能按照數(shù)控加工程序，自動(dòng)進(jìn)行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個(gè)復(fù)雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴(kuò)孔等多種加工工序。 普通的數(shù)控系統(tǒng)軟件針對不同類型的機(jī)床使用不同的軟件版本，比如 Siemens的 810M 系統(tǒng)和 802D 系統(tǒng)就有車床版本和銑床版本之分。復(fù)合化的要求促使數(shù)控系統(tǒng)功能的整合。目前，主流的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)商都能提供高性能的復(fù)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)向多軸聯(lián)動(dòng)化方向發(fā)展 由于在加工自由曲 面時(shí)， 3 軸聯(lián)動(dòng)控制的機(jī)床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參與切削，進(jìn)而對工件的加工質(zhì)量造成破壞性影響，而 5 軸聯(lián)動(dòng)控制對球頭銑刀的數(shù)控編程比較簡單，并且能使球頭銑刀在銑削 3 維曲面的過程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系統(tǒng)開發(fā)商不遺余力地開發(fā) 5 軸、 6 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，隨著 5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的成熟和日益普及， 5 軸聯(lián)動(dòng)控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè)開發(fā)熱點(diǎn)。 最近，國外主要的系統(tǒng)開發(fā)商在 6 軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究上已經(jīng)取得和很大進(jìn)展，在 6 軸聯(lián)動(dòng)加工 中心上可以使用非旋轉(zhuǎn)刀具加工任意形狀的三維曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一時(shí)尚難實(shí)用化。 電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制技術(shù)的發(fā)展使新一代數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)水平大大提高，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也促進(jìn)了現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā) 9 展。數(shù)控機(jī)床性能在高速度、高精度、高可靠性和復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、柔性化、綠色化方面取得了長足的進(jìn)步。現(xiàn)代制造業(yè)正在迎來一場新的技術(shù)革命 [1]。 第二章 數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu) 高速加工對機(jī)床主軸的要求 高速加工對機(jī)床主軸系統(tǒng)不僅要求轉(zhuǎn)速高，輸出的扭矩和功率要大，還要 求具有較高的主軸回轉(zhuǎn)精度和在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中保持具有良好的剛度、抗震性及熱穩(wěn)定性。目前，國際上工業(yè)發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的高速加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速高達(dá) 20210～100000r/min，國內(nèi)中小型加工中心、數(shù)控銑床的主軸最高轉(zhuǎn)速也達(dá) 4000～6000r/min 。實(shí)際應(yīng)用中主要有兩類高速主軸：一類是具有零傳動(dòng)的高速電主軸，這類主軸因采用電機(jī)和機(jī)床主軸一體化的結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過精確的動(dòng)平衡校正，因此具有良好的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，但對輸出的扭矩和功率有所限制；另一類是以變頻主軸電機(jī)與機(jī)械變速機(jī)構(gòu)相結(jié)合的主軸，這類主軸輸出的扭矩和功率要 大得多，但相對來說回轉(zhuǎn)精度和平穩(wěn)性要差一點(diǎn)，因此對于這類主軸來說，如何正確地設(shè)計(jì)機(jī)床主軸及其組件對機(jī)床加工精度的影響是至關(guān)重要的。 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主軸軸承 主軸軸承的選擇：鑒于加工中心和高速數(shù)控銑床的大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速和高精密的要求，普通的主軸雙聯(lián)軸承結(jié)構(gòu)已滿足不了要求現(xiàn)在對于高速加工中心和數(shù)控銑床，大多采用角接觸軸承組合設(shè)計(jì)。因?yàn)榻墙佑|軸承可以同時(shí)承受徑向和一個(gè)方向的軸向載荷，允許的極限轉(zhuǎn)速較高。 如圖 2 所示，采用兩個(gè)角接觸球軸承背靠背組配，使支承點(diǎn) A 、 B 兩點(diǎn)向外擴(kuò) 展，縮短了主軸頭部的懸伸，大大地減少了主軸端部的撓曲變形，提高了主軸剛度。 10 主軸軸承的預(yù)緊：用普通螺母作主軸軸承軸向限位，通常難以保證螺母端面與軸心線有較高的垂直度 ( 如圖 1a) ，鎖緊后易使軸承偏斜，甚至有可能使軸彎曲 ( 如圖 1b) ，這都將影響軸的旋轉(zhuǎn)精度 [2]。 圖 (a) 圖 (b) 圖 普通螺母鎖緊時(shí)螺紋偏斜對軸承的影響 主軸軸承的密封和潤滑：由于高速機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)速達(dá) 5000r/min 以上時(shí)脂潤滑已很難達(dá)到要求，而稀油潤滑在高速運(yùn)動(dòng)中潤滑油的多少明顯地影響到主軸運(yùn)行的平穩(wěn)性。因此在目前的設(shè)計(jì)中多數(shù)采用集中定量定時(shí)油霧或滴油潤滑方式。在高速加工中為了提高主軸軸承的壽命和確保軸承的旋轉(zhuǎn)精度，必須采取嚴(yán)格的密封措施，然而密封效果較好的接觸式密封又勢必影響到主軸轉(zhuǎn)速的提高，因此目前通 用的有主軸吹氣、迷宮密封等非接觸式密封方式，對于要求不高的可以采用間隙密封，但必須準(zhǔn)確地控制間隙的大小，一般是在 ～ 之間。 主軸拉桿自動(dòng)裝刀系統(tǒng) 在加工中心和高速數(shù)控銑床中刀具安裝勢必采用自動(dòng)裝刀機(jī)構(gòu)。由預(yù)緊彈簧控制軸向拉力，再由氣壓、液壓或機(jī)械螺桿等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)松刀和夾刀動(dòng)作的拉桿機(jī)構(gòu) ( 如圖 5) 。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有與主軸一同旋轉(zhuǎn)的隨動(dòng)單元，也有不隨主軸旋轉(zhuǎn)的分離型結(jié)構(gòu)，前者結(jié)構(gòu)比較緊湊，復(fù)雜程度高，后者結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但占用空間較大。另外，為了提高刀具重復(fù)安裝精度 ，減少刀具錐柄和主軸錐孔非正常接合，在自動(dòng)裝刀系統(tǒng)中必須設(shè)置主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)和用以清潔刀具錐柄、主軸錐面的吹氣或噴液的機(jī)構(gòu)。 11 圖 5 KX714 主軸結(jié)構(gòu) 1. 壓縮空氣管 2. 活塞 3. 雙溝鎖緊螺母 4. 碟形彈簧 5. 拉桿 6. 主軸 7. 主軸套筒 8. 主軸內(nèi)冷卻環(huán) 9. 刀具拉釘 10. 擋油法蘭 主軸水冷卻系統(tǒng) 在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中軸承溫升是造成主軸變形、加工精度下降的重要因素之一。大量的熱能會(huì)造成主軸嚴(yán)重的熱變 形，不僅影響主軸回轉(zhuǎn)精度，而且還會(huì)抑制主軸轉(zhuǎn)速的提高，速度愈高這種現(xiàn)象愈明顯。因此，如何改善機(jī)床主軸系統(tǒng)熱特性，減少系統(tǒng)的熱源強(qiáng)度，降低溫升及減少系統(tǒng)的熱位移，在高速主軸設(shè)計(jì)中就顯得尤為重要。在主軸設(shè)計(jì)中除了正確地選擇主軸組件，減少系統(tǒng)熱源強(qiáng)度外，對主軸要進(jìn)行水冷卻，以降低溫升和減少系統(tǒng)熱位移。在主軸套筒外設(shè)計(jì)連續(xù)的水冷卻環(huán)槽，讓機(jī)床冷卻液先流經(jīng)主軸套筒上的冷卻環(huán)槽，然后再噴出到刀具刀尖，用這種方式帶走軸承產(chǎn)生的絕大部分熱量，減少系統(tǒng)熱能向機(jī)床主軸傳導(dǎo)。對于有些要求較高的機(jī)床可將主軸水冷卻和切削液分為兩個(gè)不 同的系統(tǒng)，當(dāng)然這種結(jié)構(gòu)只能應(yīng)用到單元式主軸上。 12 第三章 數(shù)控機(jī)床主軸的故障分析與維修 開機(jī)后，不論輸入指令，主軸僅僅出現(xiàn)底速旋轉(zhuǎn)，實(shí)際轉(zhuǎn)速無法達(dá)到指定值。 分析與處理過程：在數(shù)控機(jī)床上，主軸轉(zhuǎn)速的控制，一般是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)不同的 S 代碼，輸出不同的主軸轉(zhuǎn)速模擬量值，通過主軸驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)主軸變速的。 在本機(jī)床上，檢查主軸驅(qū)動(dòng)器無報(bào)警，而主軸出現(xiàn)底速旋轉(zhuǎn)，可以基本確認(rèn)主軸驅(qū)動(dòng)器無故障。 根據(jù)故障現(xiàn)象，為了確定故障部位，利用萬用表測量系統(tǒng)的主軸模擬量輸出，發(fā)現(xiàn)在不同的 S**指令下，其值改變，由此確認(rèn)數(shù)控 系統(tǒng)工作正常。 分析主軸驅(qū)動(dòng)器的控制特點(diǎn)，主