功能部件集成化助推复合机床创新发展

　　从1952年美国研制成功第一台数字控制机床以来，不仅使制造装备出现了重大创新，而且也促使工艺集中成为高效制造的一个主流趋势。上世纪末出现的以完整加工(EndtoEnd)为工艺集中特征的复合机床已成为数控机床发展史上的又一次重大飞跃。

　　完整加工是指尽可能在一台数控机床上完成零件的所有加工工序，它可以消除或减少工序间输送与等待时间，并可以避免多次装卸，用以提高生产效率和保证加工精度，对于复杂形状零件和大型零件其优越性更为明显。

　　这种具有完整加工功能的复合机床与以往传统多功能机床相比，其先进性不仅在于具有数控的柔性自动化、多轴联动加工复杂型面和反馈控制的高加工精度，更由于它并不是把各种功能部件在结构上作简单地推砌，而是通过创新充分发挥各功能部件的功能集成性和结构紧凑性。例如铣车复合机床应用直驱技术的铣头既可进行铣削，又能作为车刀座，它灵活的A轴和B轴运动能很方便地实现空间的车、铣、钻等加工。因此研发新一代功能集成、运动灵便、结构独立、外形紧凑的机电一体化的功能部件，对推进高性价比的多轴控制复合机床的发展起着至关重要的作用。

　　功能部件的发展及特征

　　盛伯浩先生：数控机床的功能部件与普通传统机床的功能部件是不同的，最大的区别在于机电一体化。机电一体化中，各部分的不断加强，对机床的发展有了一个更好的促进，使之发展更快。传统的机床的功能部件不具有统一性，各厂生产的部件、模块、品种都不相同，在使用上有一定的阻碍，现在的功能部件已经进一步规范化。首先各功能部件间的联系不再单纯地通过机构或机械来紧密地耦合，而是通过数控系统及程序指令来完成；其次它们都具有不同程度的反馈控制的能力以保证动作的精确性。这些特点充分反映出它的机电一体化的时代特征，成为具有高性能的新型功能部件。

　　例如，电主轴是把电机转子和定子内装于主轴和主轴套筒上，用编码器进行速度检测并与伺服控制装置构成电主轴单元，根据不同应用场合还有在主轴上能对刀具或工件自动夹持等功能；又如应用直接驱动原理的直线电机也成为集动力、控制和执行机构于一体的功能部件。

　　功能部件的发展和其专业化生产为机床主轴制造厂提供功能完善、品质优良、运行可靠、结构标准化且性价比合适的选件，不仅有利于缩短新产品开发和制造周期，而且由于功能部件已占据数控机床成本相当大的比例，运行的可靠性和工作的谐和性是先进功能部件优化应用的基础，运行的可靠性和工作的谐和性是先进功能部件优化应用的基础，它的产业化也有助增强数控机床的价格竞争优势。

　　数控机床的功能部件对机床的功能扩展和性能的提升起着极为重要的作用，因此，它不同于一般配套件和附件的选用，不仅须与数控机床的整体结构谐和协调，融入整机系统具有最佳的匹配性能，而且还能很好地彰显出该数控机床的个性化特征。

　　例如，应用电机与主轴一体化的电主轴可以减少转动惯量和增加传动刚度，成为数控机床高速化的一项主要措施。但目前不少电主轴商品虽用于铝合金和模具型面加工非常合适，但在加工钢件和铸铁件时由于主轴最大扭矩不足，反使金属切除率下降，从而出现虽有高速的能力，却有不能获得高效的不足。因此需从整个机床系统的角度来综合考虑相适应的电主轴的转速范围、功率、扭矩等参数，以及研发高速小惯量的内置变速装置等多样化结构以适应不同加工领域的需要。

　　又如当主轴转速和进给速度的提高会引起一些负面影响，它会使机床结构和测量系统的热变形以及装置控制的跟踪误差随速度增加而增大，因此能用于高速化的数控系统不能仅是提高数据处理能力，而是应具备热误差补偿单元以及能实现速度前瞻控制、位置环前馈控制和加减速平稳控制等先进控制技术的功能。

　　由此可见，功能部件的研发是一项系统工程，通过它的功能、性能和可靠性指标来保障数控机床发挥优异的品质。

　　兼顾速度与精度

　　萧瑞华博士：作为机床的最主要的基础功能部件，导轨导向系统与滚珠丝杠传动系统极大的影响着机床速度的提升。

　　目前力士乐的导轨导向系统具有很高的速度和加速度，滚珠导轨导向系统速度可达5m/s；加速度可达500m/s2；滚柱导轨导向系统速度可达3m/s，加速度可达150m/s2。

　　而力士乐的滚珠丝杠传动系统采用滚珠内循环模式，改良了运动特性，实现高速运动。在运行方向上具有较高的刚度，同时具有较高的精度和较低的噪声，同直线电机相比具有更高的进给力，但是速度和加速度较低，维护要求也相对较高。而直线电机在响应速度，定位精度上相比滚珠丝杠传动具有更大的优势。但是，采用直线电机的整个机器结构没有缓冲，所以控制系统复杂，还需要采取防护措施解决磁铁吸引切屑以及散热等问题。价格也比滚珠丝杠高。

　　对于要求高运行速度的应用，力士乐提供有高速系列精密滚珠丝杠产品。配合精密滚压的丝杠，具有滚珠循环功能的特殊端盖的法兰式单螺母是决定整体系统性能的主要元件。此端盖复合了在一个单体内实现高效切线循环必须的全部功能，保证了很高的系统稳定性。具有四列滚道的螺母可容纳更多数量的滚珠，从而增大了负载能力。最大导程为40mm，直线运动速度可达240m/min。

　　力士乐开发的配驱动螺母FAR的滚珠丝杠传动系统，虽然滚珠丝杠传动系统的丝杠固有频率不变，但由于丝杠的两端固定不动，而省去了回转运动，因此就不会出现由于回转运动而引起的自激频率。力士乐对被驱动螺母采用了高精密加工，也不会由此而产生自激频率。所以，这种方案能够允许高转速(高直线速度)，而不会产生共振现象。与常规的滚珠丝杠传动系统相比，能够达到常规系统速度的10倍。

　　刘震先生：在提高机床精度方面，运动控制解决方案的创新主要有以下几点：

　　(1)提高处理器的性能，可以实现纳米甚至高于纳米级的定位控制

　　(2)提高运动控制总线的传输速率，使得通信效率不成为高性能运动控制的瓶颈。力士乐SercosIII运动控制总线，传输速率达到100MB，是目前世界上速度最高的运动控制总线。

　　(3)提高伺服驱动器的性能，是提升插补的最有效的手段。

　　(4)伺服电机作为运动的执行者，它的性能和质量同样是保证高精度的关键所在。

　　应对复杂加工与大工件加工

　　刘震先生：多任务复合加工机床，是未来机床的发展方向，当前也受到很大的关注，它对运动控制的要求最主要体现在数控系统对多通道支持和多轴的支持，简而言之就是一套高端数控系统可以实现几套甚至十几套中低端数控系统才能实现的性能。力士乐IndraMotionMTX机床数控系统的典型特征就是可实现最多达到12个通道，64个伺服轴，32个主轴的运动控制。2005年瑞士Micron公司推出的转台式自动加工线NG50就是典型的多任务符合加工机床，使用IndraMotionMTX系统实现了12个通道，12个主轴，40个伺服轴的控制，在高端机床市场引起强烈反响。

　　随着全球能源热，还有国内航空航天、铁路、工程机械等行业对大型机床的强劲需求，大工件加工效率的提升倍受瞩目。而大工件加工效率对机床控制系统的主要要求首先体现在驱动功率的满足。力士乐IndraDrive系列驱动器的功率范围达到120kW，完全满足大工件的加工需求。其次，加工效率还体现在机床的易操作性，易维护性，要求在机床进行故障排查和检修的过程中实现最小的停机时间。力士乐IndraMotionforHandling是机床行业物料搬运的交钥匙的解决方案，完全实现机床零件各加工工序之间的自动化的输送减少人力投入，提高加工效率。

　　提高功能部件市场竞争能力

　　盛伯浩先生：数控机床的功能部件是一个具有机电一体化特征的子系统。它在控制信息方面与上位的数控系统构成逻辑上的分布式数控体系；在物理结构上则成为执行机床系统中一个或多个功能的独立单元。因此，它的运动参数、承载能力、物理特性、精度保持性和工作寿命等都需与机床系统协调匹配。不断提高品质加强服务是提高功能部件市场竞争能力的重要措施。这里对如何发展品质优良且具有市场竞争力的功能部件提出以下几点意见。

　　(1)充分提升功能部件的技术含量，以其高附加值来取得良好的经济效益。一种先进的功能部件不是仅仅依靠批量化生产降低成本来取得市场优势，而是需要从产品的设计和制造上树立精益求精的主导思想，加强创新力度，才能形成强势的拳头产品。

　　(2)建立机电一体化功能部件的集成设计技术。适用于数控机床的先进功能部件本身就是一个机电一体化的集成子系统，它是动力能源、广义机械执行装置和动态反馈控制三者的总成，不仅包含三者间的内部匹配和连接，而且还具有与外部的接口。例如伺服驱动装置，只有在综合协调伺服电机的动力特性、外部负载的力学特性与伺服控制平台的参数设置，才能使该装置实现优化。

　　(3)有利于促进数控机床向个性化和可重构化发展。这也是功能部件与一般配套件的一个主要区别。功能部件作为数控机床中的一个分系统，要做到设法以己之长来推进数控机床的整体性能优势。这就需要加强售前服务，既要为用户推荐适用的产品，又能根据需要作必要的改进。为了实现这一目标，对功能部件结构上要深化模块化设计，在制造上要运用定制化规模生产方式，以达到功能提升和成本降低的目标。

　　机电一体化功能部件向功能多样化、接口智能化、结构紧凑化方向发展将有利于促进个性化复合加工机床的推广以及适用于生产线的新一代可重构机床的出现。

　　(4)加强“产学研用”结合和多学科专业的合作。在我国数控机床功能部件制造企业中有不少是在机床元件和附件制造厂基础上发展起来的，为了能实现跨越式发展，除了很好分析国外先进产品的技术外，加强“产学研用”的结合，引入多学科的专业知识将是促进创新的一个有效措施。例如发展在30000r/min转速下用直径50mm铣刀超高速切削铝合金的电主轴所需的功率就超过80kW，而目前大多数高速电主轴商品仅在30kW左右，问题在于大功率电机需要较大的转子直径，受电机转子材料的允许线速度的制约，转子直径又不能增大，这就需要对电机结构、转子材料以及动平衡技术进行创新才能有所突破。

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