新型小型鉆銑加工中心機(jī)的分析與研究

徐劍鋒

（上海東真船舶工程有限公司機(jī)械工程部， 上海 201900）

引言

近年來，我國(guó)3C 產(chǎn)品行業(yè)、汽車、船舶等行業(yè)發(fā)展迅猛，再加上《中國(guó)制造2025》的大背景，機(jī)械制造業(yè)對(duì)效率、速度、質(zhì)量、安全、智能方面要求大大提高，因此，對(duì)小型鉆銑加工機(jī)數(shù)控機(jī)床以及自動(dòng)化設(shè)備的多用途、操作簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定也提出了更高的要求。

1 新型小型鉆銑加工中心機(jī)的研究

針對(duì)機(jī)械加工中對(duì)于數(shù)控機(jī)床以及自動(dòng)化設(shè)備的需求，研究了一種新型的小型鉆銑加工中心機(jī)。該設(shè)備三軸運(yùn)行速度快、換刀時(shí)間短、加工精度高，在3C、汽車、船舶行業(yè)等機(jī)械加工中得到廣泛應(yīng)用，其用途包括各種零部件的高速銑削加工、高速鉆孔和金屬表面的高光處理等。

三軸聯(lián)動(dòng)加主軸是小型鉆銑加工心的基本配置，在工作臺(tái)上加裝第四軸可以滿足更加復(fù)雜的加工需求。機(jī)臺(tái)本身內(nèi)置的對(duì)刀儀功能可以實(shí)現(xiàn)刀具磨損的實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測(cè)，在刀具磨損較嚴(yán)重時(shí)通知操作員更換刀具，從而避免不良品的產(chǎn)出和材料的報(bào)廢。

此新型鉆銑中心機(jī)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)有：獨(dú)特的機(jī)械式打刀機(jī)構(gòu)，使松夾刀完全通過Z 軸的位置來控制，從而可以確保換刀的準(zhǔn)確性；帶絕對(duì)位置的刀庫(kù)專用伺服馬達(dá)，使刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)快速，定位準(zhǔn)確，從而能確保高效換刀，提升加工效率；24000 r/min 的高速主軸可以大大提高產(chǎn)品的精度。這幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)使得該新型鉆銑中心機(jī)與行業(yè)中的同款機(jī)臺(tái)相比優(yōu)勢(shì)突出[1-2]。

2 小型鉆銑加工中心機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

2.1 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控設(shè)備的核心部分，如圖1 所示。該新型小型鉆銑中心機(jī)配置有FOXNUM 數(shù)控系統(tǒng)，它的主要構(gòu)成有10.4 英寸顯示界面、操作鍵盤、輸入輸出模塊、NCK 控制器、電源模塊、雙軸伺服驅(qū)動(dòng)器以及高分辨率伺服馬達(dá)。NCK 控制器是機(jī)臺(tái)的指揮中心，它處理著機(jī)臺(tái)的所有信息然后發(fā)送相應(yīng)的指令給伺服驅(qū)動(dòng)器和輸入輸出模塊。伺服馬達(dá)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接受伺服驅(qū)動(dòng)器的命令并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作同時(shí)把動(dòng)作信息反饋回去，這樣就行成了一個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以保證命令的準(zhǔn)確執(zhí)行。而且，伺服馬達(dá)采用絕對(duì)編碼器即使在斷電的情況下也可以保證機(jī)械的位置能夠被準(zhǔn)確檢測(cè)到。顯示界面簡(jiǎn)潔友好，操作者可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)[3-4]。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)實(shí)物示意圖

操作鍵盤是外部命令的輸入設(shè)備，操作者可以通過鍵盤編輯需要的程式并上傳到機(jī)臺(tái)、按下循環(huán)啟動(dòng)按鈕機(jī)臺(tái)就可以按照用戶想要的動(dòng)作來運(yùn)行。輸入輸出模塊式系統(tǒng)與外部設(shè)備信息交換的窗口，通過輸入輸出模塊機(jī)臺(tái)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)外部設(shè)備是否動(dòng)作異常，比如氣源壓力是否過低、油泉液位是否過低、水箱是否開啟等，從而作出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作并把信息反饋給操作者。

2.2 高速刀庫(kù)

刀庫(kù)的主要組成部分有伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服馬達(dá)和刀盤。它的動(dòng)作過程如下，控制器控制Z 軸上升到換刀點(diǎn)，然后發(fā)送換刀信號(hào)給刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)器，刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)進(jìn)行處理之后發(fā)送命令給伺服馬達(dá)，伺服馬達(dá)帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)直到所需要的刀位停止，Z 軸下降到夾刀點(diǎn)將刀具夾緊，換刀結(jié)束。刀庫(kù)采用的是三菱最新的刀庫(kù)專用伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服馬達(dá)，伺服馬達(dá)配置高分辨率的絕對(duì)編碼器，構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng)，與一般的變頻馬達(dá)相比，可以保證換刀位置的準(zhǔn)確性。馬達(dá)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到3000 r/min，從而提高了換刀的速度。再加上獨(dú)特的機(jī)械式打刀設(shè)計(jì)，使松刀和夾刀完全由Z 軸的位置來決定，省去了增壓缸的作用，避免了電磁閥、增壓缸的信號(hào)延遲，從而使換刀更加高效，相鄰刀具的換刀時(shí)間可以達(dá)到18 s 以內(nèi)[5]。極大地縮短了加工時(shí)間，如圖2 所示。

圖2 高速刀庫(kù)實(shí)物示意圖

2.3 高速主軸

主軸部分由主軸伺服馬達(dá)和機(jī)械主軸構(gòu)成。主軸電機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的一部分，功率為3 kW、最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到24000 r/min，而且主軸的控制也是閉環(huán)控制，使得轉(zhuǎn)速的控制精準(zhǔn)穩(wěn)定。主軸電機(jī)端通過精密聯(lián)軸器將主軸與電機(jī)連接成一個(gè)整體，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)帶動(dòng)主軸高速旋轉(zhuǎn)。高速機(jī)械式主軸轉(zhuǎn)速也可以達(dá)到24000 r/min，采用精密陶瓷免潤(rùn)滑軸承，剛性高，即使在較高轉(zhuǎn)速也能保證較高的運(yùn)行精度。運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲較低、振動(dòng)小，保證了加工精度。主軸前端有氣壓密封避免內(nèi)部被鐵屑、切削液污染，影響使用壽命。

3 小型鉆銑加工中心機(jī)的特點(diǎn)分析

完善全面的PLC 程式規(guī)劃充分考慮到了客戶多樣化的要求，只需要修改機(jī)臺(tái)幾個(gè)參數(shù)就可以開啟和關(guān)閉相應(yīng)的功能。選配第四軸，在工作臺(tái)上加裝第四軸可以實(shí)現(xiàn)工件360°任意角度的準(zhǔn)確定位，在基本三軸運(yùn)動(dòng)的同時(shí)加上第四軸的旋轉(zhuǎn)，使產(chǎn)品的定位姿態(tài)更加的多樣化，在一臺(tái)機(jī)床上就可以實(shí)現(xiàn)多下位的加工。

預(yù)留對(duì)刀儀接口，對(duì)刀儀是用來檢測(cè)刀具是否折斷或磨損的精密檢測(cè)儀器，機(jī)臺(tái)已經(jīng)內(nèi)置對(duì)刀儀功能，如果客戶需要，可以方便啟用，加裝對(duì)刀儀后可以保證加工精度避免產(chǎn)品報(bào)廢。預(yù)留探頭接口，探頭是用來檢測(cè)工件尺寸和加工尺寸的精密檢測(cè)儀器，機(jī)臺(tái)已經(jīng)內(nèi)置探頭功能，客戶可以方便啟用。探頭的使用可以使得機(jī)臺(tái)能夠自動(dòng)量測(cè)工件的尺寸，減少了人工測(cè)量的誤差，大大縮短加工時(shí)間。選配油霧回收機(jī)，油霧回收機(jī)的作用是將加工過程中產(chǎn)生的大量油霧回收處理的環(huán)保裝置、安裝油霧回收機(jī)可以大大改善加工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境。選配沖屑水泵，沖屑水泵是用來清除加工廢屑，配置沖屑水泵可以保證較為干凈的機(jī)臺(tái)內(nèi)加工環(huán)境。治具是用來固定產(chǎn)品的，根據(jù)治具的復(fù)雜程度需要的控制信號(hào)數(shù)量也不同，機(jī)臺(tái)預(yù)留的5 個(gè)治具接口，可以最大限度地滿足客戶復(fù)雜多變的產(chǎn)品裝夾需求[6]。

4 小型鉆銑加工中心機(jī)的性能

基本性能參數(shù)為X 軸行程500 mm，Y 軸行程400 mm，Z 軸行程300 mm，工作臺(tái)最大載重可達(dá)250 kg，如此的工作行程和載荷可以滿足大多數(shù)小尺寸產(chǎn)品的加工需求。機(jī)臺(tái)采用THK 高精密滾珠絲桿和線軌，快速移動(dòng)速度可以達(dá)到36 m/min，切削速度達(dá)30 m/min，定位精度可達(dá)0.01 mm，重復(fù)定位精度可達(dá)0.002 mm。而且機(jī)臺(tái)配置高速高精功能，能實(shí)現(xiàn)較好的加減速控制效果，使機(jī)臺(tái)控制精度達(dá)到0.1 μm，控制更加精準(zhǔn)、快速、穩(wěn)定，能夠獲得極高的加工精度。3D 曲面加工、倒角處理、圓弧加工、直角加工效果極佳。

5 應(yīng)用情況分析

此新型小型鉆銑中心機(jī)可在3C 產(chǎn)品行業(yè)、汽車、船舶等工業(yè)行業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用，性能良好。該設(shè)備具有機(jī)臺(tái)高效、高性能等優(yōu)點(diǎn)使企業(yè)的產(chǎn)量大幅提高，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的安全經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語(yǔ)

近幾年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，尤其是在《中國(guó)制造2025》的國(guó)家政策指導(dǎo)下，制造業(yè)發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)。應(yīng)對(duì)市場(chǎng)發(fā)展需求，推動(dòng)老產(chǎn)品的改造升級(jí)，不斷提高鉆銑加工中心機(jī)的效率與穩(wěn)定性，使其更加智能化、人性化程度，使設(shè)備更加環(huán)保，提高自動(dòng)化設(shè)備的可重復(fù)利用性和擴(kuò)展性。