【正文】 自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。 世界上正在進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)或上位計算機進行網(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”，是機械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一，也是國際先進機床制造商當(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)用戶在進口數(shù)控機床時要求具有遠程通訊服務(wù)等功能。 數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化進一步促進了柔性自動化制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)從點 (數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機床 )、線 (FMC、FMS、 FTL、 FML)向面 (工段車間獨立制造島、 FA)、體 (CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng) )的方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，同時注重加強單元技術(shù)的開拓、完善，數(shù)控機床及其構(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 小時內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率在 P(t)＝ 99%以上，則數(shù)控機床的平均無故障運行時間 MTBF 就必須大于 3000 小時。我們只對某一臺數(shù)控機床而言，如主機與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為 10:1(數(shù)控的可靠比主機高一個數(shù)量級 )。此時數(shù)控 系統(tǒng)的 MTBF 就要大于 小時，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動等的 MTBF 就必須大于 10 萬小時。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 6000 小時以上，驅(qū)動裝置達 30000 小時以上，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間消耗在工件搬運、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間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此，復(fù)合功能的機床成為近年來發(fā)展很快的機種 。 柔性制造范疇的機床復(fù)合加工概念是指將工件一次裝夾后，機床便能按照數(shù)控加工程序，自動進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)合機床數(shù)控系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)向多軸聯(lián)動化方向發(fā)展 由于在加工自由曲 面時， 3 軸聯(lián)動控制的機床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參與切削，進而對工件的加工質(zhì)量造成破壞性影響，而 5 軸聯(lián)動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)動數(shù)控系統(tǒng)，隨著 5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的成熟和日益普及， 5 軸聯(lián)動控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當(dāng)前的一個開發(fā)熱點。 最近，國外主要的系統(tǒng)開發(fā)商在 6 軸聯(lián)動控制系統(tǒng)的研究上已經(jīng)取得和很大進展，在 6 軸聯(lián)動加工 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尚難實用化。 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，促進了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也促進了現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā) 9 展。數(shù)控機床性能在高速度、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步?，F(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)控機床主軸結(jié)構(gòu) 高速加工對機床主軸的要求 高速加工對機床主軸系統(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)達國家生產(chǎn)的高速加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速高達 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 4000～6000r/min 。實際應(yīng)用中主要有兩類高速主軸：一類是具有零傳動的高速電主軸，這類主軸因采用電機和機床主軸一體化的結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過精確的動平衡校正，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與機械變速機構(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，因此對于這類主軸來說，如何正確地設(shè)計機床主軸及其組件對機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 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。因為角接觸軸承可以同時承受徑向和一個方向的軸向載荷，允許的極限轉(zhuǎn)速較高。 如圖 2 所示，采用兩個角接觸球軸承背靠背組配，使支承點 A 、 B 兩點向外擴 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：由于高速機床主軸轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)速達 5000r/min 以上時脂潤滑已很難達到要求，而稀油潤滑在高速運動中潤滑油的多少明顯地影響到主軸運行的平穩(wěn)性。因此在目前的設(shè)計中多數(shù)采用集中定量定時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裝刀機構(gòu)。由預(yù)緊彈簧控制軸向拉力，再由氣壓、液壓或機械螺桿等執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)松刀和夾刀動作的拉桿機構(gòu) ( 如圖 5) 。執(zhí)行機構(gòu)有與主軸一同旋轉(zhuǎn)的隨動單元，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，在自動裝刀系統(tǒng)中必須設(shè)置主軸準(zhǔn)停機構(gòu)和用以清潔刀具錐柄、主軸錐面的吹氣或噴液的機構(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)運動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。大量的熱能會造成主軸嚴重的熱變 形，不僅影響主軸回轉(zhuǎn)精度，而且還會抑制主軸轉(zhuǎn)速的提高，速度愈高這種現(xiàn)象愈明顯。因此，如何改善機床主軸系統(tǒng)熱特性，減少系統(tǒng)的熱源強度，降低溫升及減少系統(tǒng)的熱位移，在高速主軸設(shè)計中就顯得尤為重要。在主軸設(shè)計中除了正確地選擇主軸組件，減少系統(tǒng)熱源強度外，對主軸要進行水冷卻，以降低溫升和減少系統(tǒng)熱位移。在主軸套筒外設(shè)計連續(xù)的水冷卻環(huán)槽，讓機床冷卻液先流經(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)熱能向機床主軸傳導(dǎo)。對于有些要求較高的機床可將主軸水冷卻和切削液分為兩個不 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)控機床主軸的故障分析與維修 開機后，不論輸入指令，主軸僅僅出現(xiàn)底速旋轉(zhuǎn)，實際轉(zhuǎn)速無法達到指定值。 分析與處理過程：在數(shù)控機床上，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)動器實現(xiàn)主軸變速的。 在本機床上，檢查主軸驅(qū)動器無報警，而主軸出現(xiàn)底速旋轉(zhuǎn)，可以基本確認主軸驅(qū)動器無故障。 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，由此確認數(shù)控 系統(tǒng)工作正常。 分析主軸驅(qū)動器的控制特點，主