新一代数控机床结构的演变及创新发展初探

毕业论文新一代数控机床结构的演变及创新发展初探学生姓名学号学院系名专业指导教师2013年6月机械工程与自动化系机械设计制造及其自动化新一代数控机床结构的演变及创新发展初探摘要数控机床的发展和应用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构和管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控机床不仅是制造业的工作母机，还是国民经济的重要基础，具有较好的经济与社会效应。以数控机床为核心的机械设备的生产和应用已经成为衡量一个国家技术水平和战略地位的重要标准。因此广泛的采用数控机床应用于制造业，无论从战略角度还是发展策略，都是我国实现工业和经济大国目标所必须提倡的。研究数控机床发展和演变的历史，在总结历史经验的基础上探寻数控机床在新形势下的发展趋势是十分必要的。本论文对数控机床结构的演变历程进行了初步研究。首先概述了由普通机床发展到数控机床的过程，然后介绍了数控机床的核心部件主轴单元和驱动系统的发展，阐述了加工中心、多轴联动机床、并联机床、极端制造机床和一些在结构上有特殊创新的数控机床的发展演变。简述了数控系统的发展和我国数控机床的发展现状。最后总结了数控机床在新形势下的发展趋势和对数控机床未来发展的展望。关键词数控机床，机床结构，结构演变，创新发展THESTRUCTUREOFANEWGENERATIONOFCNCDEVELOPMENTOFEVOLUTIONANDINNOVATIONABSTRACTANEWERAOFDEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFCNCMACHINETOOLSTOCREATETHEMANUFACTURINGINDUSTRY,CHANGETHEPRODUCTIONMODEOFMANUFACTURINGINDUSTRY,INDUSTRIALSTRUCTUREANDMANAGEMENTMODE,MAKETHEWORLDMANUFACTURINGINDUSTRYSTRUCTUREHASUNDERGONETREMENDOUSCHANGESNCMACHINETOOLISNOTONLYMANUFACTURINGMACHINETOOLS,ORTHEIMPORTANTFOUNDATIONOFTHENATIONALECONOMY,WITHTHEECONOMICANDSOCIALEFFECTOFGOODPRODUCTIONANDAPPLICATIONOFTHENCMACHINETOOLISTHECOREOFTHEMACHINERYANDEQUIPMENTHASBECOMEANIMPORTANTSTANDARDTOMEASUREANATIONALTECHNOLOGYLEVELANDSTRATEGICPOSITIONTHEREFORE,EXTENSIVEUSEOFCNCMACHINETOOLSUSEDINTHEMANUFACTURINGINDUSTRY,THESTRATEGICANDDEVELOPMENTSTRATEGY,ISOURCOUNTRYREALIZESINDUSTRYANDECONOMYTARGETMUSTADVOCATEUNDERSTANDINGTHEDEVELOPMENTOFCNCMACHINETOOLSANDTHEEVOLUTIONOFHISTORY,ANDSEEKINTHENEWSITUATIONOFTHEDEVELOPMENTTRENDOFNCMACHINETOOLBASEDONTHEHISTORICALEXPERIENCEISNECESSARYTHISPAPERBRIEFLYDESCRIBESTHEEVOLUTIONOFTHESTRUCTUREOFNUMERICALCONTROLMACHINETOOLFIRSTOUTLINEDBYTHEDEVELOPMENTOFGENERALMACHINETOOLSTOCNCMACHINEPROCESSTHENINTRODUCEDTHEDEVELOPMENTOFTHECORECOMPONENTSOFTHESPINDLEUNITOFNCMACHINEANDDRIVESYSTEMTHENITDESCRIBESTHEPROCESSINGCENTER,MULTIAXISLINKAGEDEVELOPMENTMACHINE,PARALLELMACHINETOOL,EXTREMEMANUFACTURINGMACHINETOOLSANDSOMESPECIALINNOVATIONINTHESTRUCTUREOFTHENCMACHINETOOLDEVELOPMENTAFTERINTRODUCINGTHESTRUCTUREEVOLUTION,THISPAPEROUTLINESTHEDEVELOPMENTSTATUSOFDEVELOPMENTOFCNCSYSTEMANDCNCMACHINETOOLSINCHINAFINALLYSUMMEDUPTHESITUATIONINTHENEWDEVELOPMENTTRENDOFCNCMACHINETOOLSANDPROSPECTSFORTHEFUTUREDEVELOPMENTOFCNCMACHINETOOLSKEYWORDSCNCMACHINETOOL,THESTRUCTUREOFMACHINETOOLS,THESTRUCTUREEVOLUTION,INNOVATIONANDDEVELOPMENT目录1引言12数控机床的诞生221普通机床发展概述222数控机床的诞生33数控机床结构的演变531数控机床核心部件的演变5311电主轴5312驱动系统832带有刀库和换刀装置的加工中心1533多轴联动的数控机床1834并联机床2035极端制造机床23351重型和超重行数控机床23352微型机床29353高精密和超精密数控机床3136其它新型数控机床36361倒置式数控加工机床36362多主轴数控加工机床37363激光加工机37364超声振动加工机384数控系统的发展405我国数控机床的发展现状4151近年来我国数控技术所取得的成就4352我国数控技术发展存在的问题和不足4353高档数控机床与基础制造重大装备专项成果简介456新一代数控机床的创新发展趋势与展望5061绿色生态机床50611机床的轻量化50612机床的节能51613机床的减排和回收5162聪明的智能机床5263客户化54631利用模块化设计实现客户化54632利用可重构系统实现客户化55633利用柔性化生产实现客户化5664软硬结合57653D打印技术给数控机床带来的挑战与机遇587总结61参考文献62致谢641引言机床是制造机器的机器，又称为工作母机或工具机。机床对金属或其他材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量。机械产品的零件通常都是用机床加工出来的。机床是机械工业的基本生产设备，它的品种、质量和加工效率直接影响着其他机械产品的生产技术水平和经济效益。因此，机床工业的现代化水平和规模，以及所拥有的机床数量和质量是一个国家工业发达程度的重要标志之一。数控机床在机床大家族中占有举足轻重的地位。从20世纪中叶，数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点加工柔性好、加工精度高、生产效率高并且大幅减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的零件以及要求100检验合格的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇了到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力。加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞跃进步，数控机床的应用范围还在不断扩大并且不断发展以更适应生产和加工的需求。因此了解数控机床的发展历史，探寻数控机床的发展轨迹，有助于我们理解新一代数控机床的未来发展趋势，甚至可以对未来的机床发展做出正确的预判。2数控机床的诞生21普通机床发展概述公元前二千多年出现的树木车床是机床最早的雏形，如21图所示。工作时，脚踏绳索下端的套圈，利用树枝的弹性使工件由绳索带动旋转，手拿贝壳或石片等作为刀具，沿板条移动工具切削工件。中世纪的弹性杆棒车床运用的仍是这一原理。图21古代树木机床十五世纪由于制造钟表和武器的需要，出现了钟表匠用的螺纹车床和齿轮加工机床，以及水力驱动的炮筒镗床。1501年左右，意大利人列奥纳多达芬奇曾绘制过车床、镗床、螺纹加工机床和内圆磨床的构想草图，其中已有曲柄、飞轮和轴承等新机构。中国明朝出版的天工开物中也载有磨床的结构，如图22所示，用脚踏的方法使铁盘旋转，加上沙子和水来剖切玉石。图22天工开物中记载的磨床结构十八世纪的工业革命推动了机床的发展。1774年，英国人威尔金森发明了较精密的炮筒镗床。次年，他用这台炮筒镗床镗出的汽缸，满足了瓦特蒸汽机的要求。为了镗制更大的汽缸，他又于1775年制造了一台水轮驱动的汽缸镗床，促进了蒸汽机的发展。从此，机床开始用蒸汽机通过天轴传动，如图23所示。图23天轴传动的车间1797年，英国人莫兹利创制成的车床丝杠传动刀架，如图24所示，能实现机动进给和车削螺纹，这是机床结构的一次重大变革。莫兹利也因此被称为“英国机床工业之父”。图24丝杠传动刀架19世纪，由于纺织、动力、交通运输、机械和军火生产的推动，各种类型的机床相继出现。1817年，英国人罗伯茨创制龙门刨床；1818年美国人惠特尼制成卧式铣床；1876年，美国制成万能外圆磨床；1835和1897年又先后发明滚齿机和插齿机。随着电动机的发明，机床开始先采用电动机集中驱动，后又广泛使用单独电动机驱动。二十世纪初，为了加工精度更高的工件、夹具和螺纹加工工具，相继创制出坐标镗床和螺纹磨床。同时为了适应汽车和轴承等工业大量生产的需要，又研制出各种自动机床、仿形机床、组合机床和自动生产线。19世纪末到20世纪初，单一的车床已逐渐演化出了铣床、刨床、磨床、钻床等等，这些主要机床已经基本定型，这样就为20世纪前期的精密机床和生产机械化和半自动化创造了条件。在20世纪的前20年内，人们主要是围绕铣床、磨床和流水装配线展开的。由于汽车、飞机及其发动机生产的要求，在大批加工形状复杂、高精度及高光洁度的零件时，迫切需要精密的、自动的铣床和磨床。由于多螺旋线刀刃铣刀的问世，基本上解决了单刃铣刀所产生的振动和光洁度不高而使铣床得不到发展的困难，使铣床成为加工复杂零件的重要设备。在1920年以后的30年中，机械制造技术进入了半自动化时期，液压和电器元件在机床和其他机械上逐渐得到了应用。1938年，液压系统和电磁控制不但促进了新型铣床的发明，而且在龙门刨床等机床上也推广使用。122数控机床的诞生不断提高劳动生产率和自动化程度是机床发展的基本方向。20世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司（PARSONSCO在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（SERVOMECHANISMLABORATORYOFTHEMASSACHUSETTSINSTITUTEOFTECHNOLOGY合作，开始从事数控机床的研制工作。经过3年时间的研究，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其数控系统全部采用采用电子管元件，数控装置体积比机床本体还要大。后又经过3年的改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。直到20世纪50年代末，由于价格和技术上的原因，数控机床仅局限在航空工业中使用，品种也多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。23数控机床结构的发展31数控机床核心部件的演变311电主轴主轴部件是机床的心脏，是保证机床工作精度的关键部件。与驱动装置一样，数控机床的主轴部件也是经历了一个不断创新、从沿袭传统机床设计到专业化设计的发展过程。传统机床主轴的驱动方式是电机轴线和主轴的轴线互相平行，电机通过皮带或齿轮间接地驱动主轴。间接驱动方式在机床的机械设计上带来许多方便首先是机床切削工件时产生轴向和径向力由主轴承受，电机仅提供旋转力矩和转速，匹配和更换比较简单；其二是可利用齿轮和皮带轮改变传动比，实现速度调节的目的；最后是主轴后端没有电机的阻挡，便于安装送料机构或刀具夹紧机构等。近年随着高速加工的应用，传统的主轴间接驱动方式开始不能满足数控机床性能的求。由于当主轴转速提高到一定水平后，传动皮带开始受离心力的作用而膨胀，传动效率急剧下降，传动齿轮的发热和噪音问题也开始变得严重。为了解决间接传动的转速瓶颈，机床设计人员开始研究将电机和主轴同轴配置，由电机通过联轴节直接驱动主轴。这种驱动方式尽管取消了皮带和齿轮等中间传动带来的问题，但同时又为刀具夹紧机构的配置带来了新的问题。一种新型功能部件电主轴的出现，从根本上解决了主轴直接驱动的问题。电主轴是将电机的转子和主轴集成为一个整体。中空的、直径较大的转子轴同时也是机床的主轴，它有足够的空间容纳刀具夹紧机构或送料机构。数控加工中心的电主轴结构如图31所示。电主轴有许多优点它由变频器供电，可以实现很高的转速和大范围的速度调节；由于主轴和电机的一体化，没有任何中介传动机构，动态响应表现优异；电主轴的结构紧凑，与机床其它子系统之间的界面简单，大大减少机床设计和装配调试的工作量。3图31电主轴高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，它影响加工系统的精度、稳定性及应用范围。其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。高速主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定性好、功耗低、寿命长、可靠性高等优点，同时制造及操作成本也应适中。4高速大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴，这种结构基本上取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，其主轴由内装式电机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零传动”。这是一种由内装式电机和机床主轴“合二为一”的传动形式，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴（BUILDINMOTORSPINDLE），或称高速电主轴（HIGHSPEEDMOTORIZEDSPINDLE）电主轴的典型结构如图32所示。图32电主轴的典型结构高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主轴的动平衡，减少振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。在高速主轴单元中，由于机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度的要求。另外，高速机床主轴单元的动态特性也在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。当切削过程出现较大的振动时，会使刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增加主轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度和寿命，影响加工精度和表面质量。因此，主轴单元应具有较好的抗振性。高速运转下，主轴单元的振动问题是非常突出的，采用电主轴是最佳的选择，这是因为（L）如果电机仍采用皮带或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下，所产生的振动和噪声等问题难以解决，必会影响机床的加工精度、加工表面粗糙度。（2）为了提高生产率，要求在最短时间内实现高的速度变化，即主轴回转时要具有极大的角加速度。达到这个要求的最经济的办法，是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减小。而将电机内置，省掉齿轮、皮带等一系列中间环节，才是达到这一目标的理想途径。（3）电机内置于主轴两支承之间，可提高主轴系统的刚度，也就是提高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。电主轴系统有三项性能指标是非常重要的，它们分别是1使用寿命。指更换一次轴承时主轴的累计工作时间。实际上就是指轴承的使用寿命。2主轴前端径向刚度。是指电主轴工作端在单位径向力作用下产生的位移。这一指标对加工精度、生产效率影响很大。在其它条件相同的情况下，径向刚度越大，工作效率就越高。3临界转速。是指当主轴旋转时，会使主轴出现挠度急剧增大、转动失稳现象的那些旋转速度。主轴工作转速应远离各阶临界转速，否则主轴将有可能处于共振区而产生剧烈振动。这三项指标对于一根设计良好的主轴来说，均应达到预定的要求。在传统的电主轴设计中，由于缺乏必要的分析计算，只能等产品加工出来后再通过试验来考核其性能指标。若其性能指标不能满足预定的要求，则要修改设计，重新制做，这样必然导致产品的设计周期长，并且成本高。而现代设计方法则要求在设计过程中通过一些分析计算就应能够预测出主轴、轴承以及轴系的静、动态性能指标，在产品加工出来以前就能知道设计是否合理，从而大大缩短设计周期，降低生产成本。早在20世纪50年代，就己出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切削发展的需要和功率电子器件、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷球轴承的出现，使得在20世纪80年代末、90年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。国外高速电主轴技术发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速目前己普遍达到10,000R/MIN甚至更高。1976年美国的VOUGHT公司首次推出一台超高速铣床，采用了BRYANT内装式电机主轴系统，最高转速达到了20,OOOR/MIN，功率为15KW。到90年代末期，电主轴发展的水平是转速40,000R/MIN，功率40KW即所谓的“4040水平”。但2001年美国CINCINNATI公司为宇航工业生产了SUPERMACH大型高速加工中心，其电主轴最高转速达60,000R/MIN，功率为80KW。目前世界各主要工业国家均有装备优良的专业电主轴生产厂，批量生产一系列用于加工中心和高速数控机床的电主轴。其中最著名的生产厂家有瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEPTEC公司，德国的GMN公司和FAG公司，美国的PRECISE公司，意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司，日本的NSK公司和KOYO公司，以及瑞典的SKF公司等公司。高速电主轴生产技术的突破，大大推动了世界高速加工技术的发展与应用。5312驱动系统（1）滚珠丝杠传动丝杠螺母机构是最古老的机械传动副之一，其主要功能是将手轮或电机的旋转运动转换成直线运动。相比齿轮齿条等其它相同用途的传动副，丝杠螺母传动副具有驱动力矩放大和自锁特性，因此自从机床出现以来，就广泛用于驱动机床的各种移动部件，以实现刀具或工件的进给运动。早期车床中的丝杠传动如图33所示。早期数控加工机床的配置、技术规格、操作方式、工艺要求等均沿袭传统机床，只是利用计算机控制伺服电机的转动，代替手轮或电机的旋转运动，机床驱动方式并没有发生根本的变化。然而，由于传统的丝杠螺母副是滑动摩擦副，传动效率低下、改变运动方向时存在间隙等缺点就明显地暴露出来，成为数控机床进一步发展的瓶颈。因此，需要发展新一代的、高效和高精度的直线驱动装置来满足数控机床对加工精度和效率的要求。图33早期车床中的丝杠传动图34滚珠丝杆目前最主流的数控机床直线驱动装置是滚珠丝杠螺母传动副加伺服电机。滚珠丝杠如图34所示。滚珠丝杠副由丝杠、螺母和滚珠组成，丝杠的旋转运动通过滚珠与螺母的接触，将旋转运动转变成直线运动。由于滚动摩擦的摩擦阻力很小，驱动同样部件所需的动力仅为滑动丝杠副的1/3。滚动丝杠在传动效率高的同时，在高进给速度、高荷载下的发热量也大大降低。除了摩擦阻力小以外，滚珠丝杠副无背隙、无爬行的特性一举解决了数控机床提高加工精度的障碍。滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动摩擦副那样的爬行现象，当滚珠丝杠副预紧后，由于预紧力可使轴向间隙达到负值，不单是可以消除背隙，丝杠传动副的刚性也得到提高。6滚珠丝杠副自其技术成熟并产业化以来，已经历了100多年的历史，在中国也有近50年的发展。其产品功能随主机的发展不断扩展和提高，从最初的“敏捷省能传动”上世纪60年代前到“精密定位”上世纪70年代后，再从“大导程快速驱动”上世纪80年代到“精密高速驱动”上世纪90年代中期，“速度”与“精度”的发展可谓与时俱进。特别是进入21世纪，PHSBS得到迅速发展，成为数控装备伺服快速进给系统中与ACLM并列的两颗耀眼明星。滚珠丝杠与螺母相对位移时，若加速度1G、线速度60M/MIN、或D0值N120000（D0是丝杠的公称直径，MM；N是滚珠丝杠与螺母的相对转速，R/MIN）、精度达到P3级以上，而力矩变化、刚度、温升、噪声等各项性能指标满足主机要求者，就可称之为精密高速滚珠丝杠副（PHSBS）。上世纪90年代中后期，日本精工株式会社（NSK）首先推出了专用于高速数控机床的系列PHSBS，直径3655MM、PN1632MM、VMAX116M/MIN、加速度13G、D0值130000、精度C3C5JIS标准。此后，一些知名的滚珠丝杠制造企业又先后推N出了一批D0值150000220000，V120M/MIN200M/MIN、加速度15G的静音PHSBS产品，例如日本NSK的BSS和S3系列、THK公司的SBK系列、中国台湾HIWIN公司的SUPERS系列、PMI公司的FSW系列、德国REXROTH公司的FDME系列、西班牙KORTA公司的NTG系列等。国内最早从事PHSBS研究的是北京机床研究所。该所在“九五”攻关中完成了GSZ2000型高速滚珠丝杠副综合测量仪的研制。随后山东济宁博特公司与山东工业大学合作，研制成功BTJS03高速滚珠丝杠副测量仪。目前国内PHSBS的水平是VMAX60M/MIN（80M/MIN）、加速度14G、精度P3级、D0值140000。N由于滚珠丝杠副本身的独特结构，使得双电机双丝杠驱动方式能完成同步运动的功能，同时还可提高伺服进给系统在高速时的平稳性，改善动能特性，因此双电机双丝杠驱动是一些高速机床的重要特色。例如美国CINCINNATILAMB公司的HPC800HP高速卧式加工中心，如图35所示。该机床的X、Y、Z轴均采用双丝杠传动技术，行程为1425/1100/1265MM，进给速度达80/80/60M/MIN，加速度达15/15/1G。此外，德国DMG公司的DMC63H，瑞士DIXI公司的DHP805X，日本牧野公司（MAKINO）的A55E等，也采用双电机、双丝杠驱动。7图35HPC800HP卧式加工中心（2）直线电机近年，面对数控机床发展上更高切削速度、更高的生产效率和更大的工艺范围这三种趋势，基于滚珠丝杠副的机床驱动方式开始不能完全满足机床高性能的需要，机床设计师开始寻找新的驱动方式。直线电机驱动是最有潜力取代滚珠丝杠的新驱动模式，有赖于上世纪80年代末永磁材料、功率器件、控制技术及传感技术发展，直线伺服电机的性能不断提高，成本日益下降，为在机床上广泛应用创造了条件。直线电机如图36所示。图36直线电机直线电机是旋转电机在结构方面的一种变形，是将伺服电机沿其径向剖开，然后拉平铺在整个运动轨迹上。直线电机的转变过程如图37所示。由原来旋转电机定子部分转变过来的一侧称为直线电机的初级,而由转子部分转变而来的一侧称为次级。直线电机工作的过程中,初级与次级之间做相对平移运动,如果初级和次级在平移开始时正好对齐,那么运动过程中,初级与次级互相重合的部分就会越来越少,最终导致直线电机不能正常运动。因此在实际应用中,初级和次级往往被制造成不同的长度,这样才能保证在一定的行程范围内两者之间的耦合保持不变。直线电机可以制造成初级短次级长,也可以是初级长次级短。但是考虑到两种方法的制造成木和工作过程的费用,目前一般制造为短初级长次级。图37直线电机的转变过程直线电机驱动装置与滚珠丝杠副加伺服电机驱装置动相比，主要有如下几个特点一是速度特性好，直线电机的进给速度最高可达200M/MIN以上，远比滚珠丝杠驱动装置快。二是定位精度高，由于直线电机是直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差；三是反应速度快、灵敏度高，随动性好，整个直线电机驱动装置只有动子进行运动，惯性质量小，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；四是结构简单、工作安全可靠、寿命长，由于直线电机不需要丝杠、轴承、联轴器等附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，加以直线电机为无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，较少出现故障。除了带来更高的切削速度和更高的生产效率外，直线电机的另一亮点是解决滚珠丝杠副对工艺范围的限制。滚珠丝杠驱动受丝杠制造工艺所限，6M以上行程的丝杠制造工艺和性能上都不理想。而采用直线电机驱动，定子可无限加长，且制造工艺简单，已有大型高速加工中心X轴长达40M以上。直线电机的历史,最早可追溯到1840年,惠斯登WHEATSTONE开始提出并制作了具雏形的直线电机,但却未取得成功。实际上,直线电动机几乎是和旋转电动机同时出现的,但是当时由于直线电动机气隙特别大,工作效率低,未能取得成功。旋转电动机是依靠动子在磁场中的旋转动作来获得动力的,因此理论上旋转电动机应多用于旋转运动领域，而直线电动机可以直接产生直线运动,应多用于直线运动领域，但事实上大部分直线运动领域至今仍采用旋转电动机,很少采用直线电动机。这是由直线电动机研究的不充分和其应用的局限性造成的，而这又反过来导致直线电动机的研究难以开展和发展缓慢，很多领域都是避开直线电动机而绕行,试图通过旋转电动机和传动机构的配合来实现直线运动,以此来解决问题。尽管直线电动机不需要中间传动环节就可获得直线运动,在很多方面比旋转电动机有优势,但直线电动机的发展一直非常缓慢。直到1965年以后,随着材料性能和科学技术的进步,直线电动机才得到快速发展,其实用机械才开始出现。例如自动绘图仪,磁头定位驱动装置等，直线电机从最早提出到现在已经有170年的历史,在这一百多年的历史过程中,直线电机经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个阶段1探索实验阶段18401955在这一段历史发展中,直线电机从最初的设想到实验及部分实验成果的应用,经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。从惠斯登最先提出和试制直线电机之后,1890年美国匹兹堡市市长在自己写的一篇文章中明确提出了直线电机及其专利。当时这个专利是想把直线电动机应用到织布机的梭子上,这个想法也激起了很多科学家的兴趣,因此在这之后的很长一段时间里,许多科学家在这方面投入了很多精力,做出了很大努力。但是,由于当时材料性能，制造水平及控制技术的限制,经过断断续续20多年的努力后都未取得成功。2开发应用阶段19561970从1955年以来,直线电动机进入了一个全面发展的阶段,这个时期也可以说成是直线电动机的文艺复兴时期，而这个时期材料性能和控制技术的飞速发展,大大促进了直线电动机的这种发展势头。这个历史阶段申请直线电动机专利的件数急速增加,直线电动机专利的增长率超过了所有其他技术领域的平均增长率。这种增长主要归结于两个方面一是材料性能和控制技术的显著提高促进二是前一阶段的理论知识和实验研究工作中的技术积累起到了重要的作用。直到1965年之后,随着材料性能和控制技术的显著提高,直线电机的实用设备才逐步被开发出来。3实用商品阶段1971从1971年到目前这个阶段,直线电机终于进入了独立应用阶段,在这期间,直线电动机迅速推广到了实际应用中,研制出许多实用价值很高的装置和产品,如直线电动机驱动的冲压机、起重机、电动门和输送机等。其中最成功的应当是利用直线电机驱动的磁悬浮列车,其速度已经超过了500KM/H,行程达到数十万千米,接近航空飞行速度。在这个时期,研究人员通过对直线电动机整个发展过程的分析总结,决定在旋转电机无能为力的领域寻找出路,找到适合自己发展的系统,而不是与旋转电动机直接对抗。直线电机系统横向发展,出现了磁悬浮列车、液态金属的输送与搅拌、电磁泵、计算机磁盘定位机构等应用。81985年，美国INGERSOLL铣床公司生产了采用永磁同步直线电机的HVM600高速加工中心，最大进给速度达762M/MIN，加速度达（115）G。在1993年，第10届欧洲机床展览会（简称EMO）上，仅德国EXCELLO公司独家展出在各坐标轴上配置感应式直线电动机INDRAMAT公司生产的XHC240型卧式加工中心，各轴快移速度均为80M/MIN，加速度1G，定位精度0004MM。而在1997年第12届EMO展览会上，就有20多家公司展出了直线电机传动装置，掀起了“欧洲的直线电机热”。展品包括德国TRUMPF公司的激光加工机床，法国RENAULTAUTOMATION公司的加工中心等。展出的直线电机最大速度达150200M/MIN，加速度达50M/S2。此后，直线电机在各种加工机中得到了更加普遍应用。以2002年日本机床展JIMTOF为例，在参展的524台数控机床中，有25家公司41台机床采用直线电机作进给驱动。其中，加工中心11台（立式8台，卧式3台），电加工机床7台（线切割4台，成形机2台，小孔机1台），磨床6台（一般磨床4台，齿轮磨床1台，坐标磨床1台），非球面加工机和微型微细加工机5台，车床4台，专用机床3台，激光加工机2台，车磨复合机床1台，铣削柔性加工单元（FMC）L台。直线电机的显著特点是速度和加速度高，因此应用于高速机床、大型机床更能显著提高机床的加工效率，进而提升机床的价值。美国CINCINNATI公司的HYPCRMACH高速加工中心，X轴长达46M，采用直线电机驱动后，加工大型薄壁飞机零件只需30分钟，而用传统方法加工一件却要8小时。德国DMC公司称其采用直线电机驱动的DMC、CTX、GMC、GMX系列产品，生产效率可提高20。据意大利JOBS公司介绍，该公司生产的LINX系列产品保证了龙门加工中心在长距离移动上的超高性能，最大程度减少轴转换操作的无效时间，其德国用户采用LINX龙门加工中心（三轴均为直线电机驱动）加工模具，由于无效时间大为缩短等因素，加工效率比未采用直线电机的同类机床效率提高40。德国DMG公司是采用直线电机较早的公司之一，并在其许多产品中由于直线电机而确实带来了性能的显著提高。比如卧式加工中心DMC6080HLINEAR，如图38所示。其所有轴都采用了直线电机，快移速度高达100M/MIN，加速度达16G；与动柱式机床相比，移动负载降低50，静止部件的重量增加100，动态性能提高了40；采用两体式的专利技术DOUBLOCK结构，结合直线电机使得机床具有极高的精度保持性，磨损极小并维护容易。实测表明在XY平面内，完成20MM整圆的圆弧插补，圆度误差为3584M，而采用传统滚珠丝杠结构则圆度误差达976M。又如5轴万能加工中心DMU5070EVOLINEAR，其X轴为直线电机驱动，高速切削时进给速度达80M/MIN，加速度为1G。图38DMC6080HLINEAR在激光加工机床中，由于没有切削力，对X、Y轴的移动速度要求更高，因此直线电机的应用也更普遍。DMG公司的LASERTEC80FINECUTTING把高动态精密制造技术和先进的激光技术相结合，用激光精密切削薄板、管和三维工件；LASERTEC80POWERDRILL则用于航空领域用汽轮机部件和动力设备的精密钻孔。以上两种设备的X、Y轴均由直线电机驱动，快移速度达120M/MIN，加速度超过12G。从表面看，直线电机可逐步取代滚珠丝杠成为驱动直线运动的主流。但事实是，直线电机驱动在普遍使用后，一些过去没有关注的问题开始浮现一是直线电机的耗电量大，尤其在进行高荷载、高加速度的运动时，机床瞬间电流对车间的供电系统带来沉重负荷；其二是振动高，直线电机的动态刚性极低，不能起缓冲阻尼作用，在高速运动时容易引起机床其它部分共振；其三是发热量大，固定在工作台底部的直线电机动子是高发热部件，安装位置不利于自然散热，对机床的恒温控制造成很大挑战；其四是不能自锁紧，为了保证操作安全，直线电机驱动的运动轴，尤其是垂直运动轴，必须要额外配备锁紧机构，增加了机床的复杂性。在直线电机的应用中，人们除了发现上述缺陷外，也看到了其优点的片面性。直线电机的主要优点是高速度和高加速度，但在机床加工过程中，加速度超过10M/S2时所节省的辅助时间对整个加工过程的工时来说并没有太大意义，只有在工时非常短的加工中，高加速度才有意义，也就是说对于模具、风叶等单件复杂零件的加工，直线电机的优点并不明显。基于以上原因，选择发展直线电机的机床企业都采用扬长避短的手法，一是将直线电机应用在面向大批量生产、定位运动多、方向频繁转变的场合，如汽车零部件加工机床，快速原型机及半导体生产机等；二是用于荷载低、工艺范围大的场合，例如电加工机床、水切割机、等离子切割机等。32带有刀库和换刀装置的加工中心加工中心最初是从数控铣床发展而来的。20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院MIT伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于1957年投入使用。第一台加工中心是1958年由美国卡尼特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。我国于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有子管数控系统的数控床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。经过几十年的发展，目前的数控机床已实现了计算机控制并在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。9加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，又称为自动换刀数控机床或多工序数控机床。其特点是数控系统能控制机床自动地更换刀具，连续的对各工件加工表面自动进行车、铣、钻、扩、铰、镗、攻螺纹等多种工序的加工，适用于加工凸轮、箱体、支架、盖板、模具等各种复杂型面的零件。加工中心如图39所示。图39加工中心自动换刀装置的用途是按照加工需要，自动地更换装在主轴上的刀具。自动换刀装置主要有回转刀架和带刀库的自动换刀装置两种形式。回转刀架换刀装置的刀具数量有限，但结构简单，维护方便。带刀库的自动换刀是由刀库和机械手组成，它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整个换刀过程较复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调后，按一定的方式放入刀库。换刀时先在刀库中进行选刀，由机械手从刀库和主轴上取出刀具，在进行刀具交换之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库有较大容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方也可以作为独立部件安装在机床以外。10加工中心常用的刀库有直排式、圆盘式和链式刀库，见图310。直排式刀库的刀具在刀库中直线排列、结构简单，存放刀具数量有限，一般为8把到12把。圆盘式刀库结构简单、紧凑，存刀量少则6把到8把，多则50把到60把，有多种形式，较常使用。链式刀库多为轴向取刀，适用于要求刀库容量较大的数控机床。11A）直排式刀库B）圆盘式刀库C）链式刀库图310常用的刀库形式换刀机械手是执行刀库和主轴之间换刀动作的装置，分为以下几种类型（1）单臂机械手。该换刀机械手仅有一个手臂。可细分为单手式和双手式两种单手式一个换刀臂仅有一个抓刀手，见图311A。特点是所有动作均由单手完成，执行动作多，换刀时间长，但结构简单，刀库与主轴轴线平行或垂直的情况均适用。双手式一个换刀臂两端各有一个抓刀手见图311B。特点是机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，回转180度，同时放回和装入刀具，换刀时间短，较为常用，多用于刀座与主轴轴线平行的场合。（2）双臂机械手。两个机械手臂，每个手臂端部都有一个抓刀手，见图311C。特点是其抓刀和换刀动作类似于人手动作，除执行换刃动作外有些还可以起运输刀具的作用。这种机械手换刀时间短，但结构较复杂。A单手式B双手式C双臂机械手图311机械手（3）带送刀刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。送刀臂将刀具从刀库中取出送到摆刀站，由摆刀站将刀具送到换刀位置，最后由换刀臂进行换刀。如图15所示，A为送刀臂，B为摆刀站，C为换刀臂，D为刀库，E为主轴。特点是结构更复杂，各部分在空间巧妙配置和组合，更具变化性。换刀时间较短，适用于刀库距离主轴较远的场合。11图312带送刀刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的510倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。特别是对于必需采用工装和专机设备来保证产品质量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工装和专机。这会为新产品的研制和改型换代节省大量的时间和费用，从而使企业具有较强的竞争能力。1233多轴联动的数控机床数控机床的可控坐标轴及坐标系是用程序编制的文字地址语言描述运动轨迹的基础，标准的坐标系是右手直角坐标系，拇指为X轴，食指为Y轴，中指为Z轴，指尖指向各坐标轴的正方向，即增大刀具和工件距离的方向，如图310所示。如果在X、Y、Z轴之外还有平行于它们的直线运动，分别指定为U、V、W轴，如还有第三组运动，则指定为P、Q、R。若有旋转轴时，规定绕X、Y、Z轴的旋转轴分别为A、B、C轴，其方向为右旋螺纹方向。如图313所示。图313右手笛卡尔直角坐标系直线坐标轴X、Y、Z的判定顺序是先Z轴，再X轴，最后按右手定则判定Y轴。Z坐标轴的运动由传递切削力的主轴决定，X坐标轴的运动是水平的，它平行于工件装夹面，Y坐标轴根据X、Z坐标轴，按照右手直角坐标系确定。根据加工要求不同，数控机床可以实现不同的配置，例如三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动、七轴五联动、九轴五联动、十三轴五联动等。三轴、四轴等是指可控制的运动坐标轴数，联动是指可以按特定的函数关系同时控制的运动坐标轴数，从而实现刀具相对工件的位置和速度控制。一般情况下，通过五轴联动方式即可实现连续轨迹控制，用于加工复杂的空间曲面。五轴联动数控机床一般控制三个直线坐标轴和两个旋转坐标轴同时运动，使刀具和工件能够按照规定的运动轨迹进行切削加工，适合于加工叶片、螺旋桨、机翼等复杂型面的零件。两个旋转坐标轴可以是转台的回转及刀具的摆动，也可以是控制平转台和立转台的联动，或控制刀具作两个方向的摆动。五轴联动机床有摇篮式、立式、卧式、NC工作台NC分度头、NC工作台90B轴、NC工作台45B轴、NC工作台A轴、二轴NC主轴等。摇篮式、立式、卧式五轴联动机床如图314所示。A）摇篮式B）立式C）卧式图314五轴联动机床五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。若配以五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。立式五轴加工中心的回转轴有两种方式（1）工作台回转式。设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围30度至120度。工作台的中间还设有一个回转台环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工，如图315所示。A轴和C轴最小分度值一般为0001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面当然这需要高档的数控系统伺服系以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。图315工作台回转的五轴联动加工中心（2）主轴头回转式。另一种是依靠立式主轴头的回转，如图316所示。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内。13图3163轴回转主轴头34并联机床1994年，在美国芝加哥国际机床展览会上首次展出了VARIAX型并联运动机床，引起各国机床研究单位和生产厂家的重视。它是一台以STEWART平台为基础的5坐标立式加工中心，标志着机床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑。14并联机床又称为虚拟轴机床也曾被称为六条腿机床。并联机床是基于空间并联机构STEWART平台原理开发的,它是并联机器人机构与机床结合的产物,是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给，刀具作业自由度偏低，设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷,可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工。高速化及高加速度化是目前工具机的重要发展趋势,机床技术先进的国家,莫不专注于此领域的发展。然而传统机床的结构皆为串联式机构,即传统机床在结构方面一般都是由床身、立柱、主轴箱、和工作台等部件串联而成的非对称型布局,如图317即是典型的串联机床,运动轴串联地设置在笛仁尔坐标系中，工件与刀具之间由机座、X、Y和Z轴以及其它旋转轴组成封闭的运动链。按照这种模式制造的机床具有作业范围大、灵活度好、容易计算等优点。图317典型的串联机床图318STEWART机构原理传统机床的缺点由于串联轴配置,悬臂过长,结构负荷流线长,高速移动