一種可配置的多主軸數(shù)控系統(tǒng)研究與開發(fā)

國內(nèi)外研發(fā)狀況

　　多主軸機床本身誕生較早，最初出現(xiàn)的主要是多主軸車床，當(dāng)時被美國等國家列為國家的戰(zhàn)備物資，主要用于軍工生產(chǎn)，多主軸數(shù)控銑削機床則出現(xiàn)得較晚。德國的SW公司在20世紀(jì)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(shè)計突破了傳統(tǒng)的 “床身—立柱”式方案，發(fā)明了一種“立體框架式箱形床身結(jié)構(gòu)”[2]。該床身的特點是由梁柱構(gòu)成一個封閉式的立體框架，并與傳統(tǒng)意義上的“床身”連為一體，形成了一個結(jié)構(gòu)緊湊、高剛性的箱形結(jié)構(gòu)。正是這些結(jié)構(gòu)上的特點，構(gòu)成了實現(xiàn)其工藝優(yōu)越性的基礎(chǔ)。德國DMG、INDEX和瑞士TORNOS以及日本的一些公司也相應(yīng)生產(chǎn)了多種型號的數(shù)控多軸機床并配置各自專用的數(shù)控系統(tǒng)，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(fù)合。德國DMG 公司幾年前就在高速數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上增加了一個激光加工頭，推出了銑削與激光復(fù)合加工的機床DMU60L。該機裝有 1 個功率 為 100W 的脈動式 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(nèi)方面，沈陽創(chuàng)新數(shù)控設(shè)備有限公司于2004年開始研發(fā)國內(nèi)第1臺六主軸數(shù)控車床CK2120X6多主軸數(shù)控車床，但數(shù)控系統(tǒng)選用的是德國Rexroth公司的MTX數(shù)控系統(tǒng)[3]。秦川機床集團公司2008年開發(fā)出VTM260型龍門式銑車復(fù)合加工中心，機床具有七軸五聯(lián)動功能，復(fù)合化程度較高。西安飛機工業(yè)有限責(zé)任公司也成功利用多主軸數(shù)控機床一次加工出多個較復(fù)雜的飛機肋類結(jié)構(gòu)零件[4]。近年來，各生產(chǎn)廠家也推出各種小型的多主軸數(shù)控銑床，但基本只能實現(xiàn)小批量同時多個工件的加工，難以做到快速換主軸的多工序加工，其原因主要受制于數(shù)控系統(tǒng)，目前多主軸數(shù)控系統(tǒng)大部分還依賴于進口。對于多主軸的多工件、多工序加工數(shù)控銑削系統(tǒng)，要求其生產(chǎn)效率可以與一些高產(chǎn)能專用機床甚至數(shù)控加工中心相比，同時要具備一般專用機床所沒有的高柔性。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(shù)控銑削系統(tǒng)。

多主軸數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)形式

　　開放化是目前數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，PC-NC（個人計算機數(shù)控）是目前比較現(xiàn)實的數(shù)控系統(tǒng)開放化的途徑。因此，本數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計為基于PC+運動控制卡的模式。運動控制卡置于計算機PCI插槽中，控制卡與數(shù)控銑床進行電連接，通過計算機上的控制軟件對多主軸數(shù)控銑床進行硬件配置與控制?？刂瓶y控信號包含三運動軸脈沖及方向信號、各主軸旋轉(zhuǎn)的開關(guān)信號、主軸轉(zhuǎn)速信號、各主軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動使能信號、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(qū)動電機驅(qū)動工件裝夾底板做Y 軸方向的運動。整個主軸系統(tǒng)安裝在主軸橫梁上，主軸橫梁由一路伺服驅(qū)動電機驅(qū)動做 X 向 正負運動， Z 1、 Z 2、 Z 3 等多個主軸安裝于主軸橫梁上。此系統(tǒng)必須同時滿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(jié)構(gòu)形式，兩者區(qū)別主要在于軸的驅(qū)動形式。

　?。?）多工件加工機床。

　　此種配置用于批量加工的同步驅(qū)動模式，主軸橫梁本身不能在Z 向上下運動，每個主軸各由1路Z 軸驅(qū)動電機通過絲杠螺母副形式進行上下驅(qū)動，如圖1所示。加工時需通過模擬開關(guān)調(diào)整，使3主軸電機同時或選擇部分進行驅(qū)動，對同一個工件而言，3主軸運動控制完全一致，從而可以實現(xiàn)1路驅(qū)動信號同時驅(qū)動3個軸運動的效果。但因初始安裝位置無法保證絕對一致，以及刀具長短因型號或磨損原因而不同，3軸刀具加工點的Z 軸位置一般很難保持一致。為了使同時加工的工件外形尺寸完全一致，需要依次調(diào)整3個主軸使各軸工件坐標(biāo)相同，即保證各主軸刀尖處于同一個水平面上，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(jié)構(gòu)

　?。?）多工序加工機床。

　　此種配置用于多工序的輪動驅(qū)動配置模式，整個主軸橫梁可在Z 方向上下移動，只需一個Z 軸驅(qū)動模塊。理論上前述批量加工的同步驅(qū)動模式也可實現(xiàn)輪動驅(qū)動模式，但為達到快速換刀的目的，機床特意設(shè)計成通過氣缸升降只選擇其中一個主軸進行加工，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(biāo)系為編程基準(zhǔn)，每次換刀后，必須保證刀具加工點處于同一個位置，也就是切換后的刀具在其自身工件坐標(biāo)系中坐標(biāo)值不變，這樣才能在同一工件上完成不同工序的加工。輪動驅(qū)動換刀時只需移動后續(xù)工序刀具到前序刀具加工點，省略常規(guī)的換刀夾持操作，通過以高速更換主軸來達到快速換刀的效果，節(jié)省換刀時間，換刀結(jié)構(gòu)簡單。

圖2 多工序加工機床結(jié)構(gòu)

　　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驅(qū)動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(shù)控系統(tǒng)的運動控制卡上可以共用。多主軸數(shù)控系統(tǒng)必須根據(jù)相應(yīng)的機床配置方式，來完成不同主軸的Z 軸的驅(qū)動方式。在多工件同步加工模式下，只有對刀時才單獨驅(qū)動各個軸，以實現(xiàn)刀尖找平的目的，正常加工時同時驅(qū)動各軸。在多工序輪動加工模式下，無論是對刀還是正常的加工，某時刻只有一個主軸下壓到位，待一個工序加工完畢，直接切換主軸進入下一工序加工。

可配置的多主軸數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

　　對于可配置的多主軸數(shù)控銑削數(shù)控系統(tǒng)，除了具備基本的直線和圓弧等插補、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(tǒng)的主軸形式必須可自由配置，用戶可根據(jù)所選機床模式進行相應(yīng)的數(shù)控操作。對于多工件同步加工模式，關(guān)鍵點是調(diào)整各軸刀尖切削點使其高度一致；對于多工序輪動加工模式，關(guān)鍵點則是如何實現(xiàn)多主軸的自動對刀以及多氣缸快速更換主軸操作。對于大型的龍門式銑床，還有軸雙驅(qū)動同步控制要求。

1 多工件同步加工模式下刀尖齊平校準(zhǔn)

　　因初始安裝位置高度的不一致以及刀具長短各不相同，多軸刀具加工點的Z 軸位置一般很難保持在同一高度。為使同時加工的工件外形尺寸完全一致，需要依次調(diào)整各個主軸使各軸工件坐標(biāo)相同，即保證各主軸刀尖在同一個水平面上，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(shù)控雕銑機床為例來說明刀尖齊平校準(zhǔn)操作的方法，設(shè)3主軸分別為Z1、Z2、Z3。

　　（1）分別對3個主軸進行機械回零操作，機械坐標(biāo)自動置零。

　　（2）在工件裝夾臺面選擇一個水平基準(zhǔn)面，先以Z1為基準(zhǔn)軸，在Z1刀具正下方放置一個固定對刀儀。系統(tǒng)通過選擇開關(guān)只選擇Z1軸進行驅(qū)動，低速下降，當(dāng)?shù)都馀龅綄Φ秲x時觸發(fā)對刀到位信號，立即記錄此時的Z1對應(yīng)的對刀機械坐標(biāo)值1，然后Z1軸回退至安全高度；

　　（3）將Z2刀具移至對刀儀正上方，然后系統(tǒng)通過模擬開關(guān)只選擇Z2軸進行驅(qū)動，低速下降，當(dāng)?shù)都馀龅綄Φ秲x時觸發(fā)對刀到位信號，立即記錄此時的Z2對應(yīng)的對刀機械坐標(biāo)值j2，Z2軸回退至安全高度。再以上述方法再確定Z2對應(yīng)的對刀機械坐標(biāo)值j3。

　?。?）根據(jù)3主軸對應(yīng)的對刀機械坐標(biāo)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保證同一加工平面的調(diào)整依據(jù)。

　?。?）加工前通過開關(guān)信號選擇分別驅(qū)動3主軸，使3主軸回到機械原點。

　?。?）取出3主軸中Z1對應(yīng)的對刀機械坐標(biāo)值j1、Z2對應(yīng)的對刀機械坐標(biāo)值j2和Z3對應(yīng)的對刀機械坐標(biāo)值j3，判斷出3個值中最大的值，因?qū)Φ饵c都在Z 零點以下，因此j1、j2、j3均小于0，3個值中最大的值實際就是絕對值為最小的值，以此值對應(yīng)的軸為基準(zhǔn)，然后以前述測量的各刀具的高度偏差值進行刀具長度補償，最終使各軸刀尖處于同一水平面。

　　經(jīng)過加工工件前各軸水平高度調(diào)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(jù)需要同時選擇驅(qū)動全部軸或者其中某些軸，使多個主軸同步加工。因工件原點是以Z1的對刀結(jié)果為基準(zhǔn)的，所以無論是加工前調(diào)整各軸高度還是加工期間，加工軌跡Z 方向均只統(tǒng)計Z1運動坐標(biāo)。

2 多工序輪動加工模式下多主軸自動對刀

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

　?。?）系統(tǒng)以Z1為基準(zhǔn)主軸，手工或采用尋邊器自動測量其它主軸在X、Y 方向上相對基準(zhǔn)主軸Z1的偏置距離，并記錄到數(shù)控系統(tǒng)中，作為換刀時X 和Y 向的偏移距離依據(jù)。

　　（2）對整個主軸橫梁進行機械回零驅(qū)動操作，機械坐標(biāo)自動置零；

　　（3）在工件裝夾臺面上選擇一個水平基準(zhǔn)面，以Z1為基準(zhǔn)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固定對刀儀；

　　（4）系統(tǒng)只選擇Z 軸進行驅(qū)動，低速下降，當(dāng)?shù)都馀龅綄Φ秲x時觸發(fā)對刀到位信號，系統(tǒng)立即記錄并保存此時的Z1對應(yīng)X 、Y 機械坐標(biāo)值和Z向?qū)Φ稒C械坐標(biāo)值j1，j1作為Z1軸的工件原點Z 值，然后Z1軸回退至一固定點；

　?。?）切換Z2刀具：根據(jù)事先設(shè)置的Z2相對Z1在X 、Y 向上的偏置距離，移動整個主軸，目的是使Z2刀尖對準(zhǔn)原來Z1刀尖所在的X 、Y 位置，此時Z2刀尖也正對下方的固定對刀儀。系統(tǒng)只選擇Z2軸進行驅(qū)動，低速下降，當(dāng)?shù)都馀龅綄Φ秲x時觸發(fā)對刀到位信號，系統(tǒng)立即記錄并保存此時的Z2對應(yīng)的對刀機械坐標(biāo)值j2，此機械坐標(biāo)值作為Z2軸的工件原點Z 值，Z2的工件原點X、Y 值是根據(jù)Z1軸的工件原點X、Y 值以及Z2相對Z1在X、Y 向上的偏置距離自動計算獲取，然后驅(qū)動Z2軸回退至固定點。

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

　?。?）通過以上步驟，系統(tǒng)記錄了各主軸的工件原點坐標(biāo)值，后續(xù)輪動加工時，每個刀具將以各自的工件原點為基準(zhǔn)進行加工，以保證各主軸刀具實際加工點處于同一個工件坐標(biāo)系統(tǒng)。

3 多工序輪動加工模式下多氣缸自動快速更換主軸

　　數(shù)控系統(tǒng)識別當(dāng)前加工代碼所表示的刀具，系統(tǒng)切換到相應(yīng)刀具，比如代碼中T0 ~T2分別代表主軸刀具Z1~Z3。根據(jù)當(dāng)前刀具號和所需切換的刀具號，需驅(qū)動相應(yīng)的汽缸和Z向伺服電機，完成切換主軸動作。主軸切換步驟如下。

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

　　（2）使能需切換的刀具的換刀氣缸使對應(yīng)刀具下壓到位，根據(jù)事先設(shè)置的當(dāng)前刀具以及需切換的刀具相對Z1在X、Y 向的偏置距離，計算換刀偏置移動距離，移動整個主軸支架，目的是使需切換的刀具刀尖對準(zhǔn)原來刀具刀尖所在的X、Y 位置。

　?。?）取新的工件坐標(biāo)系，根據(jù)記錄的換刀前刀具在其工件坐標(biāo)系統(tǒng)中Z 向的工件坐標(biāo)值，計算新的刀具需移動的距離，最終使切換后的刀具到達換刀前的刀尖點，工件坐標(biāo)值Z 向保持一致。

　?。?）按照新的工件坐標(biāo)系進行加工。因加工代碼一般是以同一工件坐標(biāo)系進行編程設(shè)計，因此，對于同一主軸橫梁上的刀具進行換刀后，實際加工工件坐標(biāo)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，需更換的主軸刀具可以先行旋轉(zhuǎn)啟動，待主軸更換完畢，已更換的主軸刀具的轉(zhuǎn)速已滿足加工要求，可以立即加工，大大節(jié)省了換刀時間。

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

4 Y 軸雙驅(qū)同步糾偏技術(shù)

　　對于大型多主軸數(shù)控系統(tǒng)，Y 軸往往配置成雙驅(qū)同步形式。在滿足工作臺和工件動、靜態(tài)剛度的情況下，龍門柱沿導(dǎo)軌縱向進給，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結(jié)構(gòu)與對稱受力，盡管龍門柱兩邊采用完全相同的傳動機構(gòu)，但最終還是不能保證龍門框架移動的同步性。這種不同步性產(chǎn)生的機械耦合可能使龍門框架或驅(qū)動元件受到損壞，機床產(chǎn)生強烈振動[7-8]。因此，Y 軸雙驅(qū)同步進給技術(shù)至今尚未很好解決。

　　本系統(tǒng)采用一種自適應(yīng)控制方法，對于雙Y 各自設(shè)置獨立的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用主從工作方式。當(dāng)系統(tǒng)受不平衡負載或擾動影響，其參數(shù)或性能發(fā)生了較大的變化。通過檢測主動軸狀態(tài)和從動軸狀態(tài)之間的誤差，經(jīng)過自適應(yīng)規(guī)律產(chǎn)生的反饋作用來修改主動軸和從動軸控制器的參數(shù)，產(chǎn)生的輔助控制量輸入到各自自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，同時分別調(diào)整2個控制器，使二者在速度上保持一致。2個控制器自身不但能抑制擾動，還具有相互協(xié)調(diào)的能力。

可配置的多主軸數(shù)控系統(tǒng)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零件。圖3所示為采用多主軸加工機床，數(shù)控系統(tǒng)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，一次同時加工3個手機零件。經(jīng)加工驗證，加工出的3個零件外形尺寸一致，達到精度要求。對于加工效率，同樣加工參數(shù)條件下，因只需一次裝夾準(zhǔn)備以及空移機床等操作時間，實際加工效率將提高3倍以上。考慮到機床變形以及負載力的增大，這種機床主軸不能無限增多，一般一臺機床最多3~10個主軸。

圖3 多工件同步加工驗證

　?。?）多工序輪動加工。

　　如圖4所示，采用多工序三氣缸換主軸機床，數(shù)控系統(tǒng)配置為多工序輪動加工模式，材料為鋁合金，選用R3球頭銑刀，一次裝夾，同時完成工件的毛坯開粗、精加工、鉆孔工序。通過氣缸驅(qū)動更換主軸，一道工序完畢轉(zhuǎn)換到另一工序，完成整個零件的加工。一般的刀庫換刀方法必須在刀具停止旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上換刀，換刀時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，后一工序刀具可以先行啟動，待主軸更換完畢，已更換的主軸刀具的轉(zhuǎn)速一般已滿足加工要求，可以立即加工，大大節(jié)省了換刀時間。

圖4 多工序輪動加工驗證

結(jié)束語

　　本文提出的一種可自由配置的多主軸數(shù)控系統(tǒng)，可根據(jù)實際多主軸機床主軸配置形式的加工需要，進行多主軸的驅(qū)動控制，完成多工件同步加工或多工序輪動加工2種驅(qū)動方式的自由配置。在多工件同步驅(qū)動配置方式下，為了使同時加工的工件外形尺寸完全一致，可以在加工前依次調(diào)整3個軸，保證各主軸刀尖在同一個水平面上，從而保證加工的多個工件外形尺寸的完全一致。在多工序輪動驅(qū)動配置方式下，因換工序換刀后，可以保證刀具加工點處于同一個位置，這樣能在同一工件上完成不同工序的加工。輪動驅(qū)動換刀時只需移動后續(xù)工序刀具到前序刀具加工點，省略常規(guī)的換刀夾持操作，同時又消除了主軸電機停止和啟動等待時間，大大節(jié)省了換刀時間。該數(shù)控系統(tǒng)不僅僅可應(yīng)用于多主軸銑削控制，也可為激光加工、超聲加工等復(fù)合加工預(yù)留了擴展通道。加工結(jié)果驗證表明該數(shù)控系統(tǒng)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合，具有較大的實際應(yīng)用價值。