多主軸加工中心設(shè)計(jì)與選用的若干基本問題

史瓊艷

【摘 要】本文分析了多主軸加工中心的主要特征和基本結(jié)構(gòu)及自動(dòng)換刀、五軸加工的實(shí)現(xiàn)方式；介紹了立柱交換機(jī)床；指出了不同結(jié)構(gòu)機(jī)床的特點(diǎn)及適用范圍。

【關(guān)鍵詞】多主軸加工中心；結(jié)構(gòu)；換刀；五軸加工；立柱交換

Several basic problems on the design and selection of Multi-Spindles Machining Center

SHI Qiong-yan

（Changzhou Institute of Mechatronic Technology， Changzhou Jiangsu 213164， China）

【Abstract】The main feature， basic structure， automatic tool changer and approaches of five-axes machining of the multi-spindles machining center are analyzed in this paper. And the characteristics and application range of different multi-spindles machining centers are also pointed out.

【Key words】Multi-spindles machining center； Structure； Tool changer； Five-axes machining； Column exchange

高速、高效、自動(dòng)、復(fù)合加工是當(dāng)今機(jī)床的主要發(fā)展方向之一，當(dāng)前，隨著國內(nèi)勞動(dòng)力成本的不斷提高，企業(yè)對(duì)高效、自動(dòng)化加工設(shè)備的需求正在逐年上升，高速、高效的多主軸加工中心的使用將越來越普遍。本文對(duì)多主軸加工中心的主要特征、基本結(jié)構(gòu)及自動(dòng)換刀、五軸加工進(jìn)行了分析，介紹了立柱交換機(jī)床；指出了不同結(jié)構(gòu)機(jī)床的特點(diǎn)，希望能為機(jī)床設(shè)計(jì)和設(shè)備選用提供參考。

1 主要特征

加工中心實(shí)現(xiàn)了工序集中和工藝復(fù)合，是多品種、小批量零件加工的首選設(shè)備，但只有一個(gè)主軸的加工中心通常很難滿足汽車、摩托車等大批量生產(chǎn)行業(yè)對(duì)加工效率的要求，因此，需要利用多主軸、多工件同時(shí)加工來提高加工效率。多主軸加工中心是以多主軸、多工件同時(shí)加工為主要特征的高效、自動(dòng)加工設(shè)備，一次加工循環(huán)可完成多個(gè)相同零件的加工，成倍提高了機(jī)床效率。

多主軸加工中心需要在一個(gè)主軸箱上安裝多個(gè)主軸，其主軸間距決定了零件的加工范圍，由于主軸箱體積受到結(jié)構(gòu)限制，故多主軸加工中心的加工范圍通常較小，以中小型零件加工的立式、臥式加工中心為主。多主軸加工中心的主要目的是提高批量加工的效率，它不追求機(jī)床的柔性，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，其X/Y/Z等坐標(biāo)軸一般為公用，因此，多數(shù)情況下，只能用完全相同的刀具來加工完全相同的零件。

多主軸加工中心需要有多個(gè)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，需要同時(shí)裝夾多個(gè)零件，主軸箱、夾具、自動(dòng)換刀裝置等部件的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；如果進(jìn)行多軸加工，還需要有獨(dú)立的回轉(zhuǎn)軸，它對(duì)CNC的功能要求較高，因此，目前以雙主軸加工中心居多。

2 基本結(jié)構(gòu)

立式多主軸加工中心的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)床的主軸既可采用同步皮帶連接、單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)；也可用多主電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，主軸間距一般在260～600范圍。單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)方便、主軸布置靈活，主軸數(shù)量和間距的改變?nèi)菀?，同步性好，但CNC不能對(duì)各主軸進(jìn)行獨(dú)立的監(jiān)控和調(diào)整，對(duì)使用者要求較高，故可用于2～4主軸同時(shí)加工的小型加工中心。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)床的每一主軸都有獨(dú)立的主軸驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)，主軸調(diào)整方便、控制靈活，但由于電機(jī)外形的制約，其主軸間距通常較大，而且要求CNC具備多主軸同步控制功能，因此，多用于雙主軸大中型加工中心。

圖1 立式多主軸加工中心

臥式多主軸加工中心的主軸傳動(dòng)形式與立式加工中心類似，但由于其主要加工對(duì)象為箱體類零件，其主軸的間距大于立式多主軸加工中心；此外，各主軸需要有獨(dú)立的基本回轉(zhuǎn)軸B，因此，CNC也至少需要有5軸控制和一對(duì)伺服軸的同步控制功能，故以雙主軸的大中型機(jī)床為常見。

3 自動(dòng)換刀

自動(dòng)換刀是多主軸加工中心的設(shè)計(jì)難題，除了雙主軸機(jī)床的兩側(cè)理論上存在安裝機(jī)械手換刀裝置的可能性外，主軸數(shù)量超過2個(gè)的加工中心原則上只能采用無機(jī)械手換刀。

多主軸加工中心的無機(jī)械手換刀原理與單主軸加工中心基本相同，其刀具裝卸需要通過主軸和刀庫的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。以立式加工中心為例，為了簡化結(jié)構(gòu)、提高換刀速度，其刀庫一般設(shè)計(jì)在立柱內(nèi)側(cè)，刀庫通過防護(hù)門與加工區(qū)隔離，其換刀動(dòng)作過程如圖2所示，機(jī)床可通過刀庫（或Y軸）的移動(dòng)，使主軸和刀庫換刀位的刀具同軸，然后通過Z軸的上下和刀庫轉(zhuǎn)位，完成刀具的交換。

臥式加工中心的換刀方式與立式加工中心類似，其刀庫通常布置于立柱上方，它可通過Y軸移動(dòng)使主軸和刀庫換刀位的刀具同軸，然后利用Z軸（或刀庫）的前后和刀庫轉(zhuǎn)位，完成刀具的交換。

4 五軸加工

立式加工中心的第4軸一般為臥式轉(zhuǎn)臺(tái)（A軸），不同主軸可共用，機(jī)床只需要普通的4軸CNC便可進(jìn)行控制，其實(shí)現(xiàn)較簡單。由于結(jié)構(gòu)原因，立式多主軸加工中心一般不能通過主軸箱擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)五軸加工，它只能采用圖3所示的C軸360°回轉(zhuǎn)、A擺動(dòng)的三軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，C軸為獨(dú)立控制、A軸共用。因此，用于五軸立式多主軸加工中心的CNC至少應(yīng)具有6軸控制和一對(duì)伺服軸的同步控制功能，正因?yàn)槿绱耍鬏S數(shù)量超過2個(gè)的五軸加工中心目前不常見。如果C軸采用直接驅(qū)動(dòng)的高速轉(zhuǎn)臺(tái)，這樣的機(jī)床就成為了一臺(tái)多主軸的車銑復(fù)合加工機(jī)床。

用于箱體類零件加工的臥式多主軸加工中心的一般需要有獨(dú)立的基本回轉(zhuǎn)軸B，因此，即使是4軸機(jī)床，CNC也需要有5軸控制和一對(duì)伺服軸的同步控制功能。臥式多主軸加工中心的五軸加工一般通過圖4所示的A軸擺動(dòng)、B軸360°回轉(zhuǎn)的三軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)，B軸獨(dú)立控制、A軸共用，CNC同樣要有6軸控制和一對(duì)伺服軸的同步控制功能。但是，如果采用B軸擺動(dòng)、A軸360°回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，則A、B軸都需要獨(dú)立控制，CNC需要具備7軸控制和2對(duì)伺服軸的同步控制功能，因此，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床非常少見。

5 立柱交換

多主軸加工中心利用多零件同時(shí)加工成倍提高了機(jī)床效率，但對(duì)于工序較多、刀具交換頻繁的復(fù)雜零件加工，機(jī)床對(duì)換刀速度的要求就較高，但由于結(jié)構(gòu)的限制，多主軸加工中心通常無法采用可預(yù)選刀具的機(jī)械手換刀方式，因此，如何提高換刀速度同樣是多主軸加工中心必須考慮的重要問題。

目前，提高無機(jī)械手換刀速度的主要方法有如下兩種：一是，利用換刀緩沖裝置調(diào)整刀庫上的刀具位置，換刀前先將緊靠需更換刀具的鄰位取空，用來安裝主軸卸下的刀具，以保證每次換刀時(shí)刀庫只回轉(zhuǎn)一個(gè)刀位，減少回轉(zhuǎn)選刀時(shí)間。這種結(jié)構(gòu)的一次切削到另一次切削時(shí)間一般可達(dá)到2～3s，換刀速度接近機(jī)械手換刀。二是，直接交換立柱，使得一次切削到另一次切削時(shí)間為0，這是截至目前換刀速度最快的機(jī)床。

立柱交換的加工中心（圖5）實(shí)質(zhì)上就是兩臺(tái)共用工作臺(tái)的立柱移動(dòng)式加工中心，兩側(cè)立柱都有獨(dú)立的X/Y/Z軸和刀庫、主軸，并安裝有完全相同的刀具，機(jī)床工作臺(tái)固定，用于工件回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的C軸和A軸可共用。當(dāng)機(jī)床的一個(gè)立柱（工作立柱）加工工件時(shí)，另一立柱（準(zhǔn)備立柱）進(jìn)行換刀，一旦工作立柱加工完成，準(zhǔn)備立柱就立即進(jìn)入加工；而原工作立柱則成為準(zhǔn)備立柱，進(jìn)行換刀，如此循環(huán)，機(jī)床換刀和加工同步，加工效率極高。

a）正面 b）俯視

圖5 立柱交換的雙主軸加工中心

立柱交換加工中心的結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，對(duì)CNC的功能要求甚高，其生產(chǎn)、制造成本和兩臺(tái)機(jī)床區(qū)別不大，因此，多用于大批量復(fù)雜零件的高效加工以減小占地面積。

6 結(jié)語

最大限度地利用資源、不斷提高勞動(dòng)生產(chǎn)率是制造業(yè)永恒的追求，今天，隨著資源、環(huán)境等社會(huì)問題的進(jìn)一步顯現(xiàn)，人們已越來越關(guān)心生產(chǎn)制造過程的自動(dòng)化和提高資源利用率等深層次問題。當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為機(jī)械制造的高速、高效和加工集成提供了可能，不斷研發(fā)各種高效加工數(shù)控機(jī)床，是當(dāng)前機(jī)床制造業(yè)的重要方向之一，相信不久的將來還會(huì)有更多的高效加工數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]