一种可配置的多主轴数控系统研究与开发

　　在现有数控技术中，最常用的是单主轴的多轴联动数控系统。这种数控系统一般一次只能装夹加工一个工件。而在某些应用场合，需要进行工件的批量加工，单台数控机床的加工效率难以满足需要。尽管可以在单一主轴架上夹装多个主轴头，但因装配误差以及刀具长短不一，同时加工同一种工件时，为保证加工工件的一致性，在机床装配和刀具调整上将花费大量人力物力，使用很不方便；在另一些应用场合，对于同一工件，往往需要一次装夹后采用多把刀具多道工序轮动复合加工完成，每道工序只用其中一把刀具加工。目前，最常用的方式是配置刀库，刀库主要是提供储刀位置，并能依程序的控制，由换刀机构正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换[1]。通过自动换刀和工作台分度可对棱柱体类零件进行多工序（如铣、钻、镗、攻丝等） 和多面复合加工，从而解决机械制造企业交货期长、资源利用率低、在制品多和资金周转慢的问题。但无论是复杂的圆盘式刀库，还是较简易的直排刀库，这种配置刀库的方法对数控机床的制造要求较高，机床结构较复杂，同时对数控系统的功能要求配备自动换刀系统，大大增加了系统成本，刀具对刀准备时间以及换刀时间相应增加。因此，对于一些工序较少、成本低，要求快速换刀同时也能批量生产的中小型工件数控复合加工场合，需要增加数控机床的主轴并可根据需要自由配置，满足多工件或多工序加工要求，因此需有相应的数控系统给予支撑。多主轴机床主要针对中小型零件大批量生产需要，工序适当分散，增加同时加工的主轴数量，工件在机床上只有一次装夹定位，既减少了加工辅助时间，提高加工效率，又提高了工件的加工精度。

国内外研发状况

　　多主轴机床本身诞生较早，最初出现的主要是多主轴车床，当时被美国等国家列为国家的战备物资，主要用于军工生产，多主轴数控铣削机床则出现得较晚。德国的SW公司在20世纪90年代推出了世界上第1台多主轴双工作台卧式加工中心，用于高质量零件的大批量高效生产。该机床设计突破了传统的 “床身—立柱”式方案，发明了一种“立体框架式箱形床身结构”[2]。该床身的特点是由梁柱构成一个封闭式的立体框架，并与传统意义上的“床身”连为一体，形成了一个结构紧凑、高刚性的箱形结构。正是这些结构上的特点，构成了实现其工艺优越性的基础。德国DMG、INDEX和瑞士TORNOS以及日本的一些公司也相应生产了多种型号的数控多轴机床并配置各自专用的数控系统，而且多轴不仅仅局限于切削加工，而是切削加工与激光加工或超声加工相复合。德国DMG 公司几年前就在高速数控铣床的基础上增加了一个激光加工头，推出了铣削与激光复合加工的机床DMU60L。该机装有 1 个功率 为 100W 的脉动式 YAG 激光器，光 束 φ 0.1mm、加工效率 20mm3/ min。工件在这种机床上一次装夹后，先用高速铣头完成绝大部分工作量，再用激光头以层切方式进行精加工，去掉型面的铣削痕迹和加工出精细部分，包括雕刻花纹和图案。国内方面，沈阳创新数控设备有限公司于2004年开始研发国内第1台六主轴数控车床CK2120X6多主轴数控车床，但数控系统选用的是德国Rexroth公司的MTX数控系统[3]。秦川机床集团公司2008年开发出VTM260型龙门式铣车复合加工中心，机床具有七轴五联动功能，复合化程度较高。西安飞机工业有限责任公司也成功利用多主轴数控机床一次加工出多个较复杂的飞机肋类结构零件[4]。近年来，各生产厂家也推出各种小型的多主轴数控铣床，但基本只能实现小批量同时多个工件的加工，难以做到快速换主轴的多工序加工，其原因主要受制于数控系统，目前多主轴数控系统大部分还依赖于进口。对于多主轴的多工件、多工序加工数控铣削系统，要求其生产效率可以与一些高产能专用机床甚至数控加工中心相比，同时要具备一般专用机床所没有的高柔性。为此，本文将提出一种可自由配置多主轴的多工件多工序加工数控铣削系统。

多主轴数控铣床的结构形式

　　开放化是目前数控系统的发展趋势，PC-NC（个人计算机数控）是目前比较现实的数控系统开放化的途径。因此，本数控系统设计为基于PC+运动控制卡的模式。运动控制卡置于计算机PCI插槽中，控制卡与数控铣床进行电连接，通过计算机上的控制软件对多主轴数控铣床进行硬件配置与控制。控制卡测控信号包含三运动轴脉冲及方向信号、各主轴旋转的开关信号、主轴转速信号、各主轴的旋转驱动使能信号、各主轴的换刀气缸升降使能信号、各轴零位限位信号、对刀信号以及手轮输入信号等。 Y 轴驱动电机驱动工件装夹底板做Y 轴方向的运动。整个主轴系统安装在主轴横梁上，主轴横梁由一路伺服驱动电机驱动做 X 向 正负运动， Z 1、 Z 2、 Z 3 等多个主轴安装于主轴横梁上。此系统必须同时满足中小型多工件加工和多工序铣削加工的需要，因此，多工件加工和多工序加工需要采用不同的机床结构形式，两者区别主要在于轴的驱动形式。

　　（1）多工件加工机床。

　　此种配置用于批量加工的同步驱动模式，主轴横梁本身不能在Z 向上下运动，每个主轴各由1路Z 轴驱动电机通过丝杠螺母副形式进行上下驱动，如图1所示。加工时需通过模拟开关调整，使3主轴电机同时或选择部分进行驱动，对同一个工件而言，3主轴运动控制完全一致，从而可以实现1路驱动信号同时驱动3个轴运动的效果。但因初始安装位置无法保证绝对一致，以及刀具长短因型号或磨损原因而不同，3轴刀具加工点的Z 轴位置一般很难保持一致。为了使同时加工的工件外形尺寸完全一致，需要依次调整3个主轴使各轴工件坐标相同，即保证各主轴刀尖处于同一个水平面上，才能保证加工深度一致，从而也能保证加工的工件外形尺寸的完全一致。

图1 多工件加工机床结构

　　（2）多工序加工机床。

　　此种配置用于多工序的轮动驱动配置模式，整个主轴横梁可在Z 方向上下移动，只需一个Z 轴驱动模块。理论上前述批量加工的同步驱动模式也可实现轮动驱动模式，但为达到快速换刀的目的，机床特意设计成通过气缸升降只选择其中一个主轴进行加工，如图2所示。对于同一工件不同工序，机床加工代码往往是以同一套工件坐标系为编程基准，每次换刀后，必须保证刀具加工点处于同一个位置，也就是切换后的刀具在其自身工件坐标系中坐标值不变，这样才能在同一工件上完成不同工序的加工。轮动驱动换刀时只需移动后续工序刀具到前序刀具加工点，省略常规的换刀夹持操作，通过以高速更换主轴来达到快速换刀的效果，节省换刀时间，换刀结构简单。

图2 多工序加工机床结构

　　因机床只选择其中一种配置方式，多工件多工序加工机床中各主轴的运动驱动使能信号和多工序加工机床中各主轴的换刀气缸升降使能信号在数控系统的运动控制卡上可以共用。多主轴数控系统必须根据相应的机床配置方式，来完成不同主轴的Z 轴的驱动方式。在多工件同步加工模式下，只有对刀时才单独驱动各个轴，以实现刀尖找平的目的，正常加工时同时驱动各轴。在多工序轮动加工模式下，无论是对刀还是正常的加工，某时刻只有一个主轴下压到位，待一个工序加工完毕，直接切换主轴进入下一工序加工。