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当今数控机床的技术新形势之1

 数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件。为了满足市场的需要,达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求,当前,世界数控技术及其装备的发展主要体现为以下几方面技术特征:
一、高速、高效
机床向高速化方向发展,不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本,而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。
20世纪90年代以来,欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床,加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴,转速15000-100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60~120m/min,切削进给速度高达60m/min)、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破,达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具,大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统(含监控系统)和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决,为开发应用新一代高速数控机床提供了技术基础。
目前,在超高速加工中,车削和铣削的切削速度已达到5000~8000m/min以上;主轴转数在30000转/分(有的高达10万r/min)以上;工作台的移动速度(进给速度):在分辨率为1微米时,在100m/min(有的到200m/min)以上,在分辨率为0.1微米时,在24m/min以上;自动换刀速度在1秒以内;小线段插补进给速度达到12m/min。
二、高精度
从精密加工发展到超精密加工,是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级(<10nm),其应用范围日趋广泛。当前,在机械加工高精度的要求下,普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm;精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm,提高到±1~1.5μm,甚至更高;超精密加工精度进入纳米级(0.001微米),主轴回转精度要求达到0.01~0.05微米,加工圆度为0.1微米,加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴(电机与主轴一体化),主轴径向跳动小于2μm,轴向窜动小于1μm,轴系不平衡度达到G0.4级。高速高精加工机床的进给驱动,主要有“回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。此外,新兴的并联机床也易于实现高速进给。
滚珠丝杠由于工艺成熟,应用广泛,不仅精度能达到较高(ISO3408 1级),而且实现高速化的成本也相对较低,所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min,加速度1.5g。
滚珠丝杠属机械传动,在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙,相应地造成运动滞后和其它非线性误差,为了排除这些误差对加工精度的影响,1993年开始在机床上应用直线电机直接驱动,由于是没有中间环节的“零传动”,不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快,可以达到很高的速度和加速度,而且其行程长度理论上不受限制,定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平,是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208 m/min,加速度2g,并且还有发展余地。




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