高速度及高精度加工技术突破

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在20世纪80年代中期以后，一系列高速度、高精度的机床相继问世。最初10年中，人们主要关注于进给轴和主轴电机的大型化和高速化，以及由此产生的热处理技术和数控装置高速化等课题，并在这些方面取得了一些重大成果。但是在随后的5年，对高速度和高精度技术的探求却走上了一条歧路。速度的提高仅仅缩短了一点加工时间，而如果要追求加工精度和加工面的质量，则必须在速度上加以妥协。
重心驱动是一项基于机械运动动力学理论发展而成的技术。每一个机床工程师都明白推动重心是最理想的方法，但是却并不十分了解其重要性及原因。
森精机的重心驱动技术，可以说在加工时间、加工精度、加工质量、刀具寿命等各方面，都能实现最本质的改善。它不仅可用于加工中心、对于所有进行刀具和工件相对运动的机床设备来说都是共通原理。
采用了重心驱动技术的森精机设备，可按照指令正确运作，避免无谓的消耗。

[重心驱动原理]


在构件的一端施力，会破坏平衡、产生振动。	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。

主轴上下运动停止时残留的振动

（图3）

那么重心驱动具体有什么优点呢？一言以概之，就是它能够减少振动。（图3）所示为重心驱动设备和其他设备之间产生振动的对照图。 ■表示未采用重心驱动的NV4000 DCG移动时伴随的振动幅度。■为采用重心驱动时的情况。效果显而易见。

快进100%Z轴方向停止

（图4）

振动随时间的变化如图表（图4）所示。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。
另外，如果在振动时使用刀具切割工件，也会轻微磨损刀尖。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。
熟知这一情况的技术人员会在启动时调整数控装置，钝化其对动作的反应。但即使会有一些误差也不能进行精细调整，如此一来就导致了精度的丧失。而若要保持精度，又会降低速度。归根结底，机械振动实在是精度和加工时间的天敌。

主轴上下运动停止后残留的振动

（图5）

在讨论机床动力特性之际，采用线性电动机较为有效的说法屡被提及，他们认为滚珠丝杠可以起到扭簧的作用。与重心驱动原理相比，果真如此吗？（图5）所示为在（图3）中追加线性电动机后的效果。
■非重心驱动加线性电动机■重心驱动加线性电动机。线性电动机与重心驱动的效果相比略有不同。

（图6）

重心驱动对加工面质量的改善也极为有效。让我们尝试分析一下。
在模具加工中，曲面加工必不可少。我们可将曲面看作是小折线的连结。每个折线角度每改变一点，移动方向就会随之变化。如果不降低速度而进行方向转换，即使轻微的方向变化也需要很大的加速度。
加速开始之处，全部出现以驱动点和重心距离为比例的回转振动。这种现象在型腔侧面下方加工点到达底面时，急速改变移动方向的情况下较为显著。照片所示为使用原有机型制造的工件，在其加工点移动方向改变后产生的切痕中，有很多不规则的混乱。
重心驱动技术更加逼近了加工面质量恶化原因的本质。
移动方向急速变化的另一实例是圆形切削的反转问题，也就是0度、90度、180度、270度位置的过渡切削问题。如果镗孔加工直径补正要使用简单的立铣刀进行轮廓加工来调换，正圆程度就变得极为重要。这同时也涉及到了移动方向改变产生振动的问题。重心驱动也可用于改善圆形切削的圆度问题。（图6）

重心驱动的效果

（图7）

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。
（图7）所示，上为非重心驱动，下为重心驱动。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上的时间差异。

重心驱动对于每个轴或任何时候都是必要的吗？重心驱动的目的在于要减小轴移动开始时产生的振动。振动是由于推动位置与重心偏离所致。如果偏离较小，重心驱动就没有必要了吗？以下通过对增益的说明进行解释。
“增益”是控制机械操作准确度的参数。增益越大，设备越能按照控制指令正确操作。但有些设备不能完全遵从指令，从而可能导致较大的错误操作。
由于是否能够进行高增益设定可以评判一台设备的优劣，所以机械设计者们都在探索提高增益的手段。增益的高低，即便在一台设备中也会因动作轴的不同而有所差异，即有可支持高设定的轴，也有无法支持该设定的轴。森精机认为这是由重心和驱动点之间距离的大小决定的。
对于距离较小、原本就可进行高增益设定的轴，只能说在其上追加滚珠丝杠，采用严密的轴心驱动，必要性较少而已。

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