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数控机床的高速高精技术应用探析

摘要：随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及新型材料的研究和

应用，对数控机床加工的高效益、高质量和低成本要求越加明显。数控机床作为

智能制造领域的重要装备，集多项高端技术于一体，如何最大程度的实现先进软

硬件的匹配，发挥最大效能，提高加工速度和精度，从而提高产品质量，降低生

产成本，缩短生产周期，是众多企业提升竞争力的制胜之路。

关键词：数控机床；高速高精；智能化

重工业尤其是其中的装备工业的发展水平决定着一个国家的综合国力和国民

经济发展水平。数控技术是当今先进制造技术和装备的核心技术。在现代工业、

制造业尤其是高精尖领域，数控技术已得到广泛应用。各工业发达国家也将数控

技术视为国家的战略物资，甚至对工业欠发达国家实施信息屏蔽和技术封锁。我

国经过了改革开放后几十年的奋力追赶，在数控领域已取得较大成就，并在开放

式数控系统、嵌入式数控系统等方面实现技术突破。但是，目前我国数控技术水

平从国际上看仍处于落后水平，与发达国家相比还有较大差距。尤其是在转角和

小半径处，对表面质量、尺寸和形状精度都要求极高。必须采用特殊的控制方法，

才能实现高精度、高速加工，提高光洁度，减少电火花和抛光环节。这些不仅可

以通过先进的硬件和高端的软件技术来实现，还需要对系统和伺服的控制参数进

行优化，从而实现软硬件的高效匹配运行。

高速、高精、1.复合切削机床基本概念及世界先进机床技术指标

高速加工机床1.1

近十多年来，电主轴、直线电动机、转矩电动机和快速数控系统的应用对提

高加工中心的高速、高动态和高加工精度起了决定性的作用。越来越多的学者[z}

认为单纯以主轴转速定义高速加工是不全面的，高速加工机床应该是一个系统而

综合的概念，其定义应该包含如下内容:

1.1.1高速主轴

高速主轴是高速加工中心最关键的部件之一。目前主轴转速在

20000~40000r/min的加工中心越来越普及。高速加工中心的转速、功率、动态平

衡、刚性、锥度孔型及热变形特性等，对高速加工中心的刚性和热稳定性都有相

当程度的影响。这样就要求高速加工中心主轴和电动机合二为一，制成电主轴，

实现无中间环节的直接传动，减少传动部件，具有更高的可靠性。瑞士Mikro的

高速加工中心XSM400U/XSM600U其主轴转速己达54000r/min；德国Kugler公司

的五轴高精度铣床，其最高主轴转速达160000r/min(采用空气轴承)；德国

Fraunhofer生产技术研究所正在开发转速为300000r/min的空气轴承支撑的主轴。

1.1.2高速进给系统

进给系统的高速性是评价高速机床性能的重要指标之一。目前高速加工中心

的切削进给速度一般为50-120m/min，有的高速加工中心进给速度高达240m/min。

对高速进给系统的要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时

准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。常用的高速进给系统

有三种主要的驱动方式:高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构。

1.1.3转矩电动机

转矩电动机是一种同步电动机，其转子直接固定在所要驱动的部件上，所以

没有机械传动元件，它像直线电动机一样直接驱动装置。转矩电动机所能达到的

角加速度要比传统的蜗轮蜗杆传动高6倍，在摆动叉形主轴头时加速度可达到3g。

由于转矩电动机可达到极高的静态和动态负载刚性，从而提高了回转轴和摆动轴

的定位精度和重复精度。目前，己有部分厂家的高速加工中心采用转矩电动机来

驱动回转摆动轴C和A。如罗德斯公司的RXP500DS/RXP800DS，德马吉的

DMC75Vlinen:和Edel的CyPort五轴龙门铣床。

1.1.4高速CNC控制系统

高速数控机床要求数控控制系统具有快速的数据处理能力和较高的功能特性，

以保证其在高速切削中仍具有良好的加工性能。高速数控系统的数据处理能力有

两个重要指标:一是单个程序的处理时间，为了适应高速，单个程序的处理时间应

较短；目前，高档数控系统程序段的加工时间一般可达0.5ms(如海德汉iTNC530

数控系统)，而单个数控系统的加工时间已缩短至0.2-0.4ms。第二，插值精度。

为了保证高速插补的精度，需要具有前瞻性和大量先进的程序段处理功能。

1.1.5高速换刀装置

为了配合机床