新型小型鉆銑加工中心機的分析與研究

徐劍鋒

（上海東真船舶工程有限公司機械工程部， 上海 201900）

引言

近年來，我國3C 產品行業、汽車、船舶等行業發展迅猛，再加上《中國制造2025》的大背景，機械制造業對效率、速度、質量、安全、智能方面要求大大提高，因此，對小型鉆銑加工機數控機床以及自動化設備的多用途、操作簡便、性能穩定也提出了更高的要求。

1 新型小型鉆銑加工中心機的研究

針對機械加工中對于數控機床以及自動化設備的需求，研究了一種新型的小型鉆銑加工中心機。該設備三軸運行速度快、換刀時間短、加工精度高，在3C、汽車、船舶行業等機械加工中得到廣泛應用，其用途包括各種零部件的高速銑削加工、高速鉆孔和金屬表面的高光處理等。

三軸聯動加主軸是小型鉆銑加工心的基本配置，在工作臺上加裝第四軸可以滿足更加復雜的加工需求。機臺本身內置的對刀儀功能可以實現刀具磨損的實時監控和檢測，在刀具磨損較嚴重時通知操作員更換刀具，從而避免不良品的產出和材料的報廢。

此新型鉆銑中心機的技術優點有：獨特的機械式打刀機構，使松夾刀完全通過Z 軸的位置來控制，從而可以確保換刀的準確性；帶絕對位置的刀庫專用伺服馬達，使刀庫旋轉快速，定位準確，從而能確保高效換刀，提升加工效率；24000 r/min 的高速主軸可以大大提高產品的精度。這幾項優點使得該新型鉆銑中心機與行業中的同款機臺相比優勢突出[1-2]。

2 小型鉆銑加工中心機的結構分析

2.1 數控系統

數控系統是數控設備的核心部分，如圖1 所示。該新型小型鉆銑中心機配置有FOXNUM 數控系統，它的主要構成有10.4 英寸顯示界面、操作鍵盤、輸入輸出模塊、NCK 控制器、電源模塊、雙軸伺服驅動器以及高分辨率伺服馬達。NCK 控制器是機臺的指揮中心，它處理著機臺的所有信息然后發送相應的指令給伺服驅動器和輸入輸出模塊。伺服馬達是執行機構，它接受伺服驅動器的命令并執行相應的動作同時把動作信息反饋回去，這樣就行成了一個閉環結構可以保證命令的準確執行。而且，伺服馬達采用絕對編碼器即使在斷電的情況下也可以保證機械的位置能夠被準確檢測到。顯示界面簡潔友好，操作者可以實時監測機臺的運行狀態[3-4]。

圖1 數控系統實物示意圖

操作鍵盤是外部命令的輸入設備，操作者可以通過鍵盤編輯需要的程式并上傳到機臺、按下循環啟動按鈕機臺就可以按照用戶想要的動作來運行。輸入輸出模塊式系統與外部設備信息交換的窗口，通過輸入輸出模塊機臺可以實時檢測外部設備是否動作異常，比如氣源壓力是否過低、油泉液位是否過低、水箱是否開啟等，從而作出相應的保護動作并把信息反饋給操作者。

2.2 高速刀庫

刀庫的主要組成部分有伺服驅動器、伺服馬達和刀盤。它的動作過程如下，控制器控制Z 軸上升到換刀點，然后發送換刀信號給刀庫驅動器，刀庫驅動器將信號進行處理之后發送命令給伺服馬達，伺服馬達帶動刀盤旋轉直到所需要的刀位停止，Z 軸下降到夾刀點將刀具夾緊，換刀結束。刀庫采用的是三菱最新的刀庫專用伺服驅動器和伺服馬達，伺服馬達配置高分辨率的絕對編碼器，構成了閉環系統，與一般的變頻馬達相比，可以保證換刀位置的準確性。馬達轉速可以達到3000 r/min，從而提高了換刀的速度。再加上獨特的機械式打刀設計，使松刀和夾刀完全由Z 軸的位置來決定，省去了增壓缸的作用，避免了電磁閥、增壓缸的信號延遲，從而使換刀更加高效，相鄰刀具的換刀時間可以達到18 s 以內[5]。極大地縮短了加工時間，如圖2 所示。

圖2 高速刀庫實物示意圖

2.3 高速主軸

主軸部分由主軸伺服馬達和機械主軸構成。主軸電機是數控系統的一部分，功率為3 kW、最高轉速可以達到24000 r/min，而且主軸的控制也是閉環控制，使得轉速的控制精準穩定。主軸電機端通過精密聯軸器將主軸與電機連接成一個整體，電機高速運轉的同時帶動主軸高速旋轉。高速機械式主軸轉速也可以達到24000 r/min，采用精密陶瓷免潤滑軸承，剛性高，即使在較高轉速也能保證較高的運行精度。運轉噪聲較低、振動小，保證了加工精度。主軸前端有氣壓密封避免內部被鐵屑、切削液污染，影響使用壽命。

3 小型鉆銑加工中心機的特點分析

完善全面的PLC 程式規劃充分考慮到了客戶多樣化的要求，只需要修改機臺幾個參數就可以開啟和關閉相應的功能。選配第四軸，在工作臺上加裝第四軸可以實現工件360°任意角度的準確定位，在基本三軸運動的同時加上第四軸的旋轉，使產品的定位姿態更加的多樣化，在一臺機床上就可以實現多下位的加工。

預留對刀儀接口，對刀儀是用來檢測刀具是否折斷或磨損的精密檢測儀器，機臺已經內置對刀儀功能，如果客戶需要，可以方便啟用，加裝對刀儀后可以保證加工精度避免產品報廢。預留探頭接口，探頭是用來檢測工件尺寸和加工尺寸的精密檢測儀器，機臺已經內置探頭功能，客戶可以方便啟用。探頭的使用可以使得機臺能夠自動量測工件的尺寸，減少了人工測量的誤差，大大縮短加工時間。選配油霧回收機，油霧回收機的作用是將加工過程中產生的大量油霧回收處理的環保裝置、安裝油霧回收機可以大大改善加工現場的環境。選配沖屑水泵，沖屑水泵是用來清除加工廢屑，配置沖屑水泵可以保證較為干凈的機臺內加工環境。治具是用來固定產品的，根據治具的復雜程度需要的控制信號數量也不同，機臺預留的5 個治具接口，可以最大限度地滿足客戶復雜多變的產品裝夾需求[6]。

4 小型鉆銑加工中心機的性能

基本性能參數為X 軸行程500 mm，Y 軸行程400 mm，Z 軸行程300 mm，工作臺最大載重可達250 kg，如此的工作行程和載荷可以滿足大多數小尺寸產品的加工需求。機臺采用THK 高精密滾珠絲桿和線軌，快速移動速度可以達到36 m/min，切削速度達30 m/min，定位精度可達0.01 mm，重復定位精度可達0.002 mm。而且機臺配置高速高精功能，能實現較好的加減速控制效果，使機臺控制精度達到0.1 μm，控制更加精準、快速、穩定，能夠獲得極高的加工精度。3D 曲面加工、倒角處理、圓弧加工、直角加工效果極佳。

5 應用情況分析

此新型小型鉆銑中心機可在3C 產品行業、汽車、船舶等工業行業中進行應用，性能良好。該設備具有機臺高效、高性能等優點使企業的產量大幅提高，為企業創造了較好的安全經濟效益。

6 結語

近幾年，我國經濟發展進入新常態，尤其是在《中國制造2025》的國家政策指導下，制造業發展面臨新的挑戰。應對市場發展需求，推動老產品的改造升級，不斷提高鉆銑加工中心機的效率與穩定性，使其更加智能化、人性化程度，使設備更加環保，提高自動化設備的可重復利用性和擴展性。