一種可配置的多主軸數控系統研究與開(kāi)發(fā)

國內外研發(fā)狀況

　　多主軸機床本身誕生較早，最初出現的主要是多主軸車(chē)床，當時(shí)被美國等國家列為國家的戰備物資，主要用于軍工生產(chǎn)，多主軸數控銑削機床則出現得較晚。德國的SW公司在20世紀90年代推出了世界上第1臺多主軸雙工作臺臥式加工中心，用于高質(zhì)量零件的大批量高效生產(chǎn)。該機床設計突破了傳統的 “床身—立柱”式方案，發(fā)明了一種“立體框架式箱形床身結構”[2]。該床身的特點(diǎn)是由梁柱構成一個(gè)封閉式的立體框架，并與傳統意義上的“床身”連為一體，形成了一個(gè)結構緊湊、高剛性的箱形結構。正是這些結構上的特點(diǎn)，構成了實(shí)現其工藝優(yōu)越性的基礎。德國DMG、INDEX和瑞士TORNOS以及日本的一些公司也相應生產(chǎn)了多種型號的數控多軸機床并配置各自專(zhuān)用的數控系統，而且多軸不僅僅局限于切削加工，而是切削加工與激光加工或超聲加工相復合。德國DMG 公司幾年前就在高速數控銑床的基礎上增加了一個(gè)激光加工頭，推出了銑削與激光復合加工的機床DMU60L。該機裝有 1 個(gè)功率 為 100W 的脈動(dòng)式 YAG 激光器，光 束 φ 0.1mm、加工效率 20mm3/ min。工件在這種機床上一次裝夾后，先用高速銑頭完成絕大部分工作量，再用激光頭以層切方式進(jìn)行精加工，去掉型面的銑削痕跡和加工出精細部分，包括雕刻花紋和圖案。國內方面，沈陽(yáng)創(chuàng )新數控設備有限公司于2004年開(kāi)始研發(fā)國內第1臺六主軸數控車(chē)床CK2120X6多主軸數控車(chē)床，但數控系統選用的是德國Rexroth公司的MTX數控系統[3]。秦川機床集團公司2008年開(kāi)發(fā)出VTM260型龍門(mén)式銑車(chē)復合加工中心，機床具有七軸五聯(lián)動(dòng)功能，復合化程度較高。西安飛機工業(yè)有限責任公司也成功利用多主軸數控機床一次加工出多個(gè)較復雜的飛機肋類(lèi)結構零件[4]。近年來(lái)，各生產(chǎn)廠(chǎng)家也推出各種小型的多主軸數控銑床，但基本只能實(shí)現小批量同時(shí)多個(gè)工件的加工，難以做到快速換主軸的多工序加工，其原因主要受制于數控系統，目前多主軸數控系統大部分還依賴(lài)于進(jìn)口。對于多主軸的多工件、多工序加工數控銑削系統，要求其生產(chǎn)效率可以與一些高產(chǎn)能專(zhuān)用機床甚至數控加工中心相比，同時(shí)要具備一般專(zhuān)用機床所沒(méi)有的高柔性。為此，本文將提出一種可自由配置多主軸的多工件多工序加工數控銑削系統。

多主軸數控銑床的結構形式

　　開(kāi)放化是目前數控系統的發(fā)展趨勢，PC-NC（個(gè)人計算機數控）是目前比較現實(shí)的數控系統開(kāi)放化的途徑。因此，本數控系統設計為基于PC+運動(dòng)控制卡的模式。運動(dòng)控制卡置于計算機PCI插槽中，控制卡與數控銑床進(jìn)行電連接，通過(guò)計算機上的控制軟件對多主軸數控銑床進(jìn)行硬件配置與控制?？刂瓶y控信號包含三運動(dòng)軸脈沖及方向信號、各主軸旋轉的開(kāi)關(guān)信號、主軸轉速信號、各主軸的旋轉驅動(dòng)使能信號、各主軸的換刀氣缸升降使能信號、各軸零位限位信號、對刀信號以及手輪輸入信號等。 Y 軸驅動(dòng)電機驅動(dòng)工件裝夾底板做Y 軸方向的運動(dòng)。整個(gè)主軸系統安裝在主軸橫梁上，主軸橫梁由一路伺服驅動(dòng)電機驅動(dòng)做 X 向 正負運動(dòng)， Z 1、 Z 2、 Z 3 等多個(gè)主軸安裝于主軸橫梁上。此系統必須同時(shí)滿(mǎn)足中小型多工件加工和多工序銑削加工的需要，因此，多工件加工和多工序加工需要采用不同的機床結構形式，兩者區別主要在于軸的驅動(dòng)形式。

　?。?）多工件加工機床。

　　此種配置用于批量加工的同步驅動(dòng)模式，主軸橫梁本身不能在Z 向上下運動(dòng)，每個(gè)主軸各由1路Z 軸驅動(dòng)電機通過(guò)絲杠螺母副形式進(jìn)行上下驅動(dòng)，如圖1所示。加工時(shí)需通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)調整，使3主軸電機同時(shí)或選擇部分進(jìn)行驅動(dòng)，對同一個(gè)工件而言，3主軸運動(dòng)控制完全一致，從而可以實(shí)現1路驅動(dòng)信號同時(shí)驅動(dòng)3個(gè)軸運動(dòng)的效果。但因初始安裝位置無(wú)法保證絕對一致，以及刀具長(cháng)短因型號或磨損原因而不同，3軸刀具加工點(diǎn)的Z 軸位置一般很難保持一致。為了使同時(shí)加工的工件外形尺寸完全一致，需要依次調整3個(gè)主軸使各軸工件坐標相同，即保證各主軸刀尖處于同一個(gè)水平面上，才能保證加工深度一致，從而也能保證加工的工件外形尺寸的完全一致。

圖1 多工件加工機床結構

　?。?）多工序加工機床。

　　此種配置用于多工序的輪動(dòng)驅動(dòng)配置模式，整個(gè)主軸橫梁可在Z 方向上下移動(dòng)，只需一個(gè)Z 軸驅動(dòng)模塊。理論上前述批量加工的同步驅動(dòng)模式也可實(shí)現輪動(dòng)驅動(dòng)模式，但為達到快速換刀的目的，機床特意設計成通過(guò)氣缸升降只選擇其中一個(gè)主軸進(jìn)行加工，如圖2所示。對于同一工件不同工序，機床加工代碼往往是以同一套工件坐標系為編程基準，每次換刀后，必須保證刀具加工點(diǎn)處于同一個(gè)位置，也就是切換后的刀具在其自身工件坐標系中坐標值不變，這樣才能在同一工件上完成不同工序的加工。輪動(dòng)驅動(dòng)換刀時(shí)只需移動(dòng)后續工序刀具到前序刀具加工點(diǎn)，省略常規的換刀夾持操作，通過(guò)以高速更換主軸來(lái)達到快速換刀的效果，節省換刀時(shí)間，換刀結構簡(jiǎn)單。

圖2 多工序加工機床結構

　　因機床只選擇其中一種配置方式，多工件多工序加工機床中各主軸的運動(dòng)驅動(dòng)使能信號和多工序加工機床中各主軸的換刀氣缸升降使能信號在數控系統的運動(dòng)控制卡上可以共用。多主軸數控系統必須根據相應的機床配置方式，來(lái)完成不同主軸的Z 軸的驅動(dòng)方式。在多工件同步加工模式下，只有對刀時(shí)才單獨驅動(dòng)各個(gè)軸，以實(shí)現刀尖找平的目的，正常加工時(shí)同時(shí)驅動(dòng)各軸。在多工序輪動(dòng)加工模式下，無(wú)論是對刀還是正常的加工，某時(shí)刻只有一個(gè)主軸下壓到位，待一個(gè)工序加工完畢，直接切換主軸進(jìn)入下一工序加工。

可配置的多主軸數控系統關(guān)鍵技術(shù)

　　對于可配置的多主軸數控銑削數控系統，除了具備基本的直線(xiàn)和圓弧等插補、速度平滑、圖形顯示、PLC邏輯控制等功能外，為完成2種模式的加工，該系統的主軸形式必須可自由配置，用戶(hù)可根據所選機床模式進(jìn)行相應的數控操作。對于多工件同步加工模式，關(guān)鍵點(diǎn)是調整各軸刀尖切削點(diǎn)使其高度一致；對于多工序輪動(dòng)加工模式，關(guān)鍵點(diǎn)則是如何實(shí)現多主軸的自動(dòng)對刀以及多氣缸快速更換主軸操作。對于大型的龍門(mén)式銑床，還有軸雙驅動(dòng)同步控制要求。

1 多工件同步加工模式下刀尖齊平校準

　　因初始安裝位置高度的不一致以及刀具長(cháng)短各不相同，多軸刀具加工點(diǎn)的Z 軸位置一般很難保持在同一高度。為使同時(shí)加工的工件外形尺寸完全一致，需要依次調整各個(gè)主軸使各軸工件坐標相同，即保證各主軸刀尖在同一個(gè)水平面上，才能保證加工深度的一致，也就能保證加工的工件外形尺寸的完全一致。下面以3主軸數控雕銑機床為例來(lái)說(shuō)明刀尖齊平校準操作的方法，設3主軸分別為Z1、Z2、Z3。

　?。?）分別對3個(gè)主軸進(jìn)行機械回零操作，機械坐標自動(dòng)置零。

　?。?）在工件裝夾臺面選擇一個(gè)水平基準面，先以Z1為基準軸，在Z1刀具正下方放置一個(gè)固定對刀儀。系統通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)只選擇Z1軸進(jìn)行驅動(dòng)，低速下降，當刀尖碰到對刀儀時(shí)觸發(fā)對刀到位信號，立即記錄此時(shí)的Z1對應的對刀機械坐標值1，然后Z1軸回退至安全高度；

　?。?）將Z2刀具移至對刀儀正上方，然后系統通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)只選擇Z2軸進(jìn)行驅動(dòng)，低速下降，當刀尖碰到對刀儀時(shí)觸發(fā)對刀到位信號，立即記錄此時(shí)的Z2對應的對刀機械坐標值j2，Z2軸回退至安全高度。再以上述方法再確定Z2對應的對刀機械坐標值j3。

　?。?）根據3主軸對應的對刀機械坐標值，即可得到各軸在Z 軸方向的偏差，此偏差將作為批量加工時(shí)保證同一加工平面的調整依據。

　?。?）加工前通過(guò)開(kāi)關(guān)信號選擇分別驅動(dòng)3主軸，使3主軸回到機械原點(diǎn)。

　?。?）取出3主軸中Z1對應的對刀機械坐標值j1、Z2對應的對刀機械坐標值j2和Z3對應的對刀機械坐標值j3，判斷出3個(gè)值中最大的值，因對刀點(diǎn)都在Z 零點(diǎn)以下，因此j1、j2、j3均小于0，3個(gè)值中最大的值實(shí)際就是絕對值為最小的值，以此值對應的軸為基準，然后以前述測量的各刀具的高度偏差值進(jìn)行刀具長(cháng)度補償，最終使各軸刀尖處于同一水平面。

　　經(jīng)過(guò)加工工件前各軸水平高度調整，在加工前就已使各主軸刀具刀尖處于同一高度，可以根據需要同時(shí)選擇驅動(dòng)全部軸或者其中某些軸，使多個(gè)主軸同步加工。因工件原點(diǎn)是以Z1的對刀結果為基準的，所以無(wú)論是加工前調整各軸高度還是加工期間，加工軌跡Z 方向均只統計Z1運動(dòng)坐標。

2 多工序輪動(dòng)加工模式下多主軸自動(dòng)對刀

　　在進(jìn)行多工序輪動(dòng)加工前，必須事先進(jìn)行各主軸的對刀，對刀的實(shí)質(zhì)是為獲取各主軸刀具的補償值，以便在加工中換主軸時(shí)能夠保持工件坐標的一致性。多主軸自動(dòng)對刀步驟如下。

　?。?）系統以Z1為基準主軸，手工或采用尋邊器自動(dòng)測量其它主軸在X、Y 方向上相對基準主軸Z1的偏置距離，并記錄到數控系統中，作為換刀時(shí)X 和Y 向的偏移距離依據。

　?。?）對整個(gè)主軸橫梁進(jìn)行機械回零驅動(dòng)操作，機械坐標自動(dòng)置零；

　?。?）在工件裝夾臺面上選擇一個(gè)水平基準面，以Z1為基準軸，使能Z1氣缸使Z1刀具下壓到位，在Z1刀具正下方放置一個(gè)固定對刀儀；

　?。?）系統只選擇Z 軸進(jìn)行驅動(dòng)，低速下降，當刀尖碰到對刀儀時(shí)觸發(fā)對刀到位信號，系統立即記錄并保存此時(shí)的Z1對應X 、Y 機械坐標值和Z向對刀機械坐標值j1，j1作為Z1軸的工件原點(diǎn)Z 值，然后Z1軸回退至一固定點(diǎn)；

　?。?）切換Z2刀具：根據事先設置的Z2相對Z1在X 、Y 向上的偏置距離，移動(dòng)整個(gè)主軸，目的是使Z2刀尖對準原來(lái)Z1刀尖所在的X 、Y 位置，此時(shí)Z2刀尖也正對下方的固定對刀儀。系統只選擇Z2軸進(jìn)行驅動(dòng)，低速下降，當刀尖碰到對刀儀時(shí)觸發(fā)對刀到位信號，系統立即記錄并保存此時(shí)的Z2對應的對刀機械坐標值j2，此機械坐標值作為Z2軸的工件原點(diǎn)Z 值，Z2的工件原點(diǎn)X、Y 值是根據Z1軸的工件原點(diǎn)X、Y 值以及Z2相對Z1在X、Y 向上的偏置距離自動(dòng)計算獲取，然后驅動(dòng)Z2軸回退至固定點(diǎn)。

　?。?）以同樣方式切換到Z3等其它軸，系統記錄并保存對應的對刀機械坐標值j3，并計算Z3軸的工件原點(diǎn)X、Y 值，然后Z2軸回退至固定安全點(diǎn)。

　?。?）通過(guò)以上步驟，系統記錄了各主軸的工件原點(diǎn)坐標值，后續輪動(dòng)加工時(shí)，每個(gè)刀具將以各自的工件原點(diǎn)為基準進(jìn)行加工，以保證各主軸刀具實(shí)際加工點(diǎn)處于同一個(gè)工件坐標系統。

3 多工序輪動(dòng)加工模式下多氣缸自動(dòng)快速更換主軸

　　數控系統識別當前加工代碼所表示的刀具，系統切換到相應刀具，比如代碼中T0 ~T2分別代表主軸刀具Z1~Z3。根據當前刀具號和所需切換的刀具號，需驅動(dòng)相應的汽缸和Z向伺服電機，完成切換主軸動(dòng)作。主軸切換步驟如下。

　?。?）記錄當前刀具的工件坐標值，然后回退至固定安全點(diǎn)，關(guān)閉該刀具氣缸使刀具回縮到位。

　?。?）使能需切換的刀具的換刀氣缸使對應刀具下壓到位，根據事先設置的當前刀具以及需切換的刀具相對Z1在X、Y 向的偏置距離，計算換刀偏置移動(dòng)距離，移動(dòng)整個(gè)主軸支架，目的是使需切換的刀具刀尖對準原來(lái)刀具刀尖所在的X、Y 位置。

　?。?）取新的工件坐標系，根據記錄的換刀前刀具在其工件坐標系統中Z 向的工件坐標值，計算新的刀具需移動(dòng)的距離，最終使切換后的刀具到達換刀前的刀尖點(diǎn)，工件坐標值Z 向保持一致。

　?。?）按照新的工件坐標系進(jìn)行加工。因加工代碼一般是以同一工件坐標系進(jìn)行編程設計，因此，對于同一主軸橫梁上的刀具進(jìn)行換刀后，實(shí)際加工工件坐標將保持一致，從而完成同一工件的不同工序加工。

　?。?）為了達到快速更換主軸目的，在需要更換主軸時(shí)，需更換的主軸刀具可以先行旋轉啟動(dòng)，待主軸更換完畢，已更換的主軸刀具的轉速已滿(mǎn)足加工要求，可以立即加工，大大節省了換刀時(shí)間。

　?。?）加工時(shí)刀具切換后，工件坐標原點(diǎn)的更換使得實(shí)際的機械坐標產(chǎn)生偏移，如果以機械坐標作為加工軌跡顯示，不同工序產(chǎn)生的圖形將產(chǎn)生偏置。而工件上實(shí)際的加工點(diǎn)是以同一工件坐標系為基準的，因此顯示軌跡時(shí)，如果是非基準軸的軌跡，需要在XYZ 三維圖形上加一個(gè)反向的與工件原點(diǎn)相對應的偏置值，使不同工序的加工軌跡以基準軸的工件坐標加以顯示，即與實(shí)際加工的工件圖形保持一致。

4 Y 軸雙驅同步糾偏技術(shù)

　　對于大型多主軸數控系統，Y 軸往往配置成雙驅同步形式。在滿(mǎn)足工作臺和工件動(dòng)、靜態(tài)剛度的情況下，龍門(mén)柱沿導軌縱向進(jìn)給，從而可以獲得高的加速度特性。由于橫梁及其相匹配的主軸部件并不總是形成對稱(chēng)結構與對稱(chēng)受力，盡管龍門(mén)柱兩邊采用完全相同的傳動(dòng)機構，但最終還是不能保證龍門(mén)框架移動(dòng)的同步性。這種不同步性產(chǎn)生的機械耦合可能使龍門(mén)框架或驅動(dòng)元件受到損壞，機床產(chǎn)生強烈振動(dòng)[7-8]。因此，Y 軸雙驅同步進(jìn)給技術(shù)至今尚未很好解決。

　　本系統采用一種自適應控制方法，對于雙Y 各自設置獨立的控制系統，系統采用主從工作方式。當系統受不平衡負載或擾動(dòng)影響，其參數或性能發(fā)生了較大的變化。通過(guò)檢測主動(dòng)軸狀態(tài)和從動(dòng)軸狀態(tài)之間的誤差，經(jīng)過(guò)自適應規律產(chǎn)生的反饋作用來(lái)修改主動(dòng)軸和從動(dòng)軸控制器的參數，產(chǎn)生的輔助控制量輸入到各自自適應控制系統中，同時(shí)分別調整2個(gè)控制器，使二者在速度上保持一致。2個(gè)控制器自身不但能抑制擾動(dòng)，還具有相互協(xié)調的能力。

可配置的多主軸數控系統加工驗證

　?。?）多工件同步加工。

　　一次裝夾，利用多主軸可以加工多個(gè)零件。圖3所示為采用多主軸加工機床，數控系統配置為多工件同步加工模式，材料為鋁合金，選用R3球頭銑刀，一次同時(shí)加工3個(gè)手機零件。經(jīng)加工驗證，加工出的3個(gè)零件外形尺寸一致，達到精度要求。對于加工效率，同樣加工參數條件下，因只需一次裝夾準備以及空移機床等操作時(shí)間，實(shí)際加工效率將提高3倍以上?？紤]到機床變形以及負載力的增大，這種機床主軸不能無(wú)限增多，一般一臺機床最多3~10個(gè)主軸。

圖3 多工件同步加工驗證

　?。?）多工序輪動(dòng)加工。

　　如圖4所示，采用多工序三氣缸換主軸機床，數控系統配置為多工序輪動(dòng)加工模式，材料為鋁合金，選用R3球頭銑刀，一次裝夾，同時(shí)完成工件的毛坯開(kāi)粗、精加工、鉆孔工序。通過(guò)氣缸驅動(dòng)更換主軸，一道工序完畢轉換到另一工序，完成整個(gè)零件的加工。一般的刀庫換刀方法必須在刀具停止旋轉的基礎上換刀，換刀時(shí)間大部分花在等待前一工序刀具停止和后一工序刀具啟動(dòng)上，造成總體加工效率降低。而更換主軸的方式可以在需要更換主軸時(shí)，后一工序刀具可以先行啟動(dòng)，待主軸更換完畢，已更換的主軸刀具的轉速一般已滿(mǎn)足加工要求，可以立即加工，大大節省了換刀時(shí)間。

圖4 多工序輪動(dòng)加工驗證

結束語(yǔ)

　　本文提出的一種可自由配置的多主軸數控系統，可根據實(shí)際多主軸機床主軸配置形式的加工需要，進(jìn)行多主軸的驅動(dòng)控制，完成多工件同步加工或多工序輪動(dòng)加工2種驅動(dòng)方式的自由配置。在多工件同步驅動(dòng)配置方式下，為了使同時(shí)加工的工件外形尺寸完全一致，可以在加工前依次調整3個(gè)軸，保證各主軸刀尖在同一個(gè)水平面上，從而保證加工的多個(gè)工件外形尺寸的完全一致。在多工序輪動(dòng)驅動(dòng)配置方式下，因換工序換刀后，可以保證刀具加工點(diǎn)處于同一個(gè)位置，這樣能在同一工件上完成不同工序的加工。輪動(dòng)驅動(dòng)換刀時(shí)只需移動(dòng)后續工序刀具到前序刀具加工點(diǎn)，省略常規的換刀夾持操作，同時(shí)又消除了主軸電機停止和啟動(dòng)等待時(shí)間，大大節省了換刀時(shí)間。該數控系統不僅僅可應用于多主軸銑削控制，也可為激光加工、超聲加工等復合加工預留了擴展通道。加工結果驗證表明該數控系統能自由配置多工件和多工序2種加工方式，柔性較高，在大批量工件加工和工序較少的多工序加工場(chǎng)合，具有較大的實(shí)際應用價(jià)值。