数控机床加工的几个关键技术解读

　　【编者按】本文介绍了数控机床的电主轴技术、直接驱动技术、重心驱动技术、高精度机床测量技术，并论述了其研究现状和发展前景。

　　数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。数控机床是运用高新技术改造和提升传统产业的重要载体。以信息化带动工业化，实现社会生产力的跨越式发展，将在一定程度上取决于以数控化为核心的装备工业，特别是数控机床的技术进步。（参阅五轴数控机床加工的原理与特点 ）

　　数控机床当前的几个关键技术包括：电主轴技术、直接驱动技术、重心驱动技术、高精度机床测量技术。

　　1 电主轴技术

　　电主轴是高频主轴（High Frequency Spindle）的简称，有时也称直接传动主轴（Direct DriveSpindle），是内装式电机主轴单元。它把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”，具有结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速度、回转精度高、噪声低、振动小等优点，因而在现代数控机床中获得了愈来愈广泛的应用。

　　1.1 电主轴的结构

　　电主轴由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、驱动模块和冷却装置等组成。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支承。电机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制, 而主轴单元内的温升由冷却装置限制。在主轴的后端装有测速、测角位移传感器，前端的内锥孔和端面用于安装刀具。

 1.2 电主轴的轴承

　　轴承是决定主轴寿命和承载能力的关键部件，其性能对电主轴的使用功能极为重要。目前电主轴采用的轴承主要有陶瓷球轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。

　　陶瓷球轴承是应用广泛且经济的轴承，它的陶瓷滚珠质量轻、硬度高，可大幅度减小轴承离心力和内部载荷，减少磨损，从而提高轴承寿命。德国GMN公司和瑞士STEP-TEC公司用于加工中心和铣床的电主轴全部采用了陶瓷球轴承。

　　流体静压轴承为非直接接触式轴承，具有磨损小、寿命长、回转精度高、振动小等优点，用于电主轴上，可延长刀具寿命、提高加工质量和加工效率。美国Ingersoll公司在其生产的电主轴单元中主要采用其拥有专利技术的流体静压轴承。

　　磁悬浮轴承依靠多对在圆周上互为180o的磁极产生径向吸力（或斥力）而将主轴悬浮在空气中，使轴颈与轴承不接触，径向间隙为1mm左右。当承受载荷后，主轴空间位置会产生微小变化，控制装置根据位置传感器检测出的主轴位置变化值改变相应磁极的吸力（或斥力）值，使主轴迅速恢复到原来的位置，从而保证主轴始终绕其惯性轴作高速回转，因此其高速性能好、精度高，但由于价格昂贵，至今没有得到广泛应用。

　　1.3 电主轴的冷却

　　由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且其转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，从而影响电主轴的正常工作。因此，必须采取一定措施控制电主轴的温度，使其恒定在一定值内。目前一般采取强制循环油冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却，即将经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外和主轴轴承外循环，带走主轴高速旋转产生的热量。另外，为了减少主轴轴承的发热，还必须对主轴轴承进行合理的润滑。

　　1.4 电主轴的驱动

　　当前，电主轴的电动机均采用交流异步感应电动机，由于是用在高速加工机床上，启动时要从静止迅速升速至每分钟数万转乃至数十万转，启动转矩大，因而启动电流要超出普通电机额定电流5～7倍。其驱动方式有变频器驱动和矢量控制驱动器驱动两种。变频器的驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率与转矩成正比。最新变频器采用先进的晶体管技术可实现主轴的无级变速。矢量控制驱动器的驱动控制为：低速端为恒转矩驱动，中、高速端为恒功率驱动。

　　1.5 电主轴的基本参数

　　电主轴的基本参数包括：套筒直径、最高转速、输出功率、转矩和刀具接口等，其中套筒直径为电主轴的主要参数。

　　在国外，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品，由一些技术水平很高的专业工厂生产，如瑞士的FISCHER公司、德国的GMN公司、美国的PRECISE公司、意大利的GAMFIOR公司、日本的NSK公司等。

　　2 直接驱动技术

　　直接驱动就是将直接驱动旋转电机（DDR）或直接驱动直线电机（DDL）直接耦合或连接到从动负载上，从而实现与负载的刚性耦合。全新直接驱动技术使得电机可直接连接被驱动负载，而无须像常规伺服电机那样需要通过机械传动部件（如滚珠螺杆/导螺杆、齿条与齿轮、传动带/皮带轮、以及减速器），从而可为客户的机械传动系统带来零维护和清洁的机械组件、更高的精度、更高的可靠性、以及平稳安静的操作等诸多优势。

　　2.1 直接驱动旋转电机

　　直接驱动旋转电机，有时也称作转矩电机，可将负载直接连接到电机上，能在相对较低的速度时产生较高转矩。DDR能够为客户带来的好处有：（1）DDR可以减少零部件数量，缩短组装时间;（2）DDR可将精度提高50倍，具备更高的伺服性能和更大的带宽，不需要惯量“匹配”；（3）DDR既没有需要张紧和调节的皮带，也没有会发生泄漏并需要润滑的齿轮，所以几乎不需要维护；（4）DDR的精度和重复性不会像机械分度器那样随时间而下降；（5）DDR不存在会断裂的机械传输部件；（6）运行噪音可降低高达20db。

　　丹纳赫传动（Danaher Motion）作为DDR 产品技术的领导者，提供了众多DDR 解决方案，以便与客户的机器进行最佳匹配。

　　2.2 直线电机驱动

v直线电机的工作原理：直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。

　　近几年直线电动机在机床进给伺服系统中的应用在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起“直线电动机热”。

　　在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的优点：高速响应、高精度、动刚度高、速度快、加减速过程短、行程长度不受限制、运动安静、噪音低以及效率高。

　　直接驱动技术是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到机床厂家的重视，技术发展迅速。近年来，国际上几十家公司展出了直线电动机驱动的高速机床，一些制造厂商已将机床运动加速度提高到2～3g，快速移动速度提高到150～240m/min。MAZAK公司将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度8马赫，主轴最高转速80000r/min,快速移动速500m/min, 加速度6g。这标志着，以直线伺服为代表的第二代高速机床，已克服了直线电机的发热、防护和成本高的缺点，逐步走向实用。

　　3 重心驱动技术

　　众所周知，如果在构件的一端施力，会破坏平衡、产生振动。如果在重心施力，可笔直推进而不产生振动，但由于机床重心处有物体，所以不能直接将力加于其上。如果在重心两端平均施力，就可以笔直移动，重心驱动就是这样一个简单的道理。

　　3.1 重心驱动的优点

　　3.1.1 减少振动

     重心驱动设备很快就消除了振动，反之其他设备的振动则持续了较长时间。使用位于振动设备顶端的刀具加工工件，会造成加工面质量的明显恶化。

如果在振动时使用刀具切割工件，会轻微磨损刀尖。因此振动对刀具寿命来说实为大敌。更严重的是，如果发生振动，数控装置会将其作为正常指令之外的动作进行检测，而为了修正错误又要驱动进给电动机。如此反复，进一步加剧了振动。

　　3.1.2 缩短加工时间

　　重心驱动在缩短加工时间方面效果明显。采用重心驱动的机械，由于在加速一开始产生的振动较小，可随之立即从初始力向最大力加速。而不采用重心驱动的机械，为防止在加速开始时产生振动，只能慢慢地加力。如图5所示，上方曲线为非重心驱动，下方曲线为重心驱动。黄色曲线表示开始加速至最高速的时间差，可以看出两者在达到最高速的时间差异。

　　 3.2 重心驱动技术的应用

　　日本森精机制造所开发出nv4000dcg、nh4000dcg立、卧式加工中心。机床的特点是采用了重心驱动新结构。它把移动部件设置在2根滚珠丝杠之间构成了“双电动机驱动方式”，以抑制各轴进行驱动时产生振动和弯曲。即使移动部件进行高速移动时，重心也不会发生变化，实现了稳定驱动。

　　4 高精度机床测量技术

　　4.1 单场扫描技术

　　新型的单场扫描技术中，扫描掩膜带一个大尺寸光栅，其栅距与光栅标尺的栅距略有不同，由此在扫描掩膜光栅长度上会产生明暗交替现象：某些地方栅线与栅线重叠，光线可以通过；某些地方栅线与空隙重叠，光线无法通过；在这两者之间，空隙部分被遮挡，这起到了光学过滤的作用，使得产生均匀的高正弦性信号成为可能。特制的栅状感光元件取代了独立感光元件，生成四个相位差为90°的扫描信号。图6为单场成像式光电扫描法原理。

　　单场扫描光学扫描系统对角度和长度测量设备性能的提高起到了决定性的作用。它的大面积扫描区和特殊光学过滤可在测量设备全行程中产生稳定质量的扫描信号。

　　对直线电机而言，配备了单场扫描光栅尺后，速度控制可以更为平滑。覆盖光栅标尺全宽的大尺寸扫描面以及交替重复出现的条状扫描区使得采用单场扫描原理的测量设备对污染的干扰特别不敏感：即便在有大面积污染干扰时，测量设备仍任能提供高质量的测量信号，位置误差远低于测量设备标定精度等级所对应的误差值。

　　4.2 绝对式测量技术

　　绝对式测量是相对于增量式测量而言的。增量式测量设备通过对光栅探头扫描过的栅线进行计数来获得相对运动的距离数据。为了获得绝对位置，增量式测量设备在开机后须执行过参考点动作，而绝对式测量设备以不同宽度、不同间距的栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到测量设备中，测量设备开机后即可以提供绝对位置信息。通常，绝对式测量设备在绝对轨之外还同时配备有增量轨，用以进一步提高测量设备的精度与分辨率。

　　近几年以来，绝对式光栅因其不可取代的种种优点，得到了越来越广泛的应用。这些优点主要体现在以下方面:缩减机床非生产时间、提高机床可靠性、提高机床安全性。

　　数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。因此，我们需要掌握数控机床的关键技术，形成重点技术领域的突破，力争在国际竞争中掌握更多的主动权。

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