在現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)中，最常用的是單主軸的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)。這種數(shù)控系統(tǒng)一般一次只能裝夾加工一個(gè)工件。而在某些應(yīng)用場(chǎng)合，需要進(jìn)行工件的批量加工，單臺(tái)數(shù)控機(jī)床的加工效率難以滿足需要。盡管可以在單一主軸架上夾裝多個(gè)主軸頭，但因裝配誤差以及刀具長(zhǎng)短不一，同時(shí)加工同一種工件時(shí)，為保證加工工件的一致性，在機(jī)床裝配和刀具調(diào)整上將花費(fèi)大量人力物力，使用很不方便；在另一些應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于同一工件，往往需要一次裝夾后采用多把刀具多道工序輪動(dòng)復(fù)合加工完成，每道工序只用其中一把刀具加工。目前，最常用的方式是配置刀庫(kù)，刀庫(kù)主要是提供儲(chǔ)刀位置，并能依程序的控制，由換刀機(jī)構(gòu)正確選擇刀具加以定位，以進(jìn)行刀具交換[1]。通過(guò)自動(dòng)換刀和工作臺(tái)分度可對(duì)棱柱體類零件進(jìn)行多工序（如銑、鉆、鏜、攻絲等） 和多面復(fù)合加工，從而解決機(jī)械制造企業(yè)交貨期長(zhǎng)、資源利用率低、在制品多和資金周轉(zhuǎn)慢的問(wèn)題。但無(wú)論是復(fù)雜的圓盤式刀庫(kù)，還是較簡(jiǎn)易的直排刀庫(kù)，這種配置刀庫(kù)的方法對(duì)數(shù)控機(jī)床的制造要求較高，機(jī)床結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同時(shí)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的功能要求配備自動(dòng)換刀系統(tǒng)，大大增加了系統(tǒng)成本，刀具對(duì)刀準(zhǔn)備時(shí)間以及換刀時(shí)間相應(yīng)增加。因此，對(duì)于一些工序較少、成本低，要求快速換刀同時(shí)也能批量生產(chǎn)的中小型工件數(shù)控復(fù)合加工場(chǎng)合，需要增加數(shù)控機(jī)床的主軸并可根據(jù)需要自由配置，滿足多工件或多工序加工要求，因此需有相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)給予支撐。多主軸機(jī)床主要針對(duì)中小型零件大批量生產(chǎn)需要，工序適當(dāng)分散，增加同時(shí)加工的主軸數(shù)量，工件在機(jī)床上只有一次裝夾定位，既減少了加工輔助時(shí)間，提高加工效率，又提高了工件的加工精度。

國(guó)內(nèi)外研發(fā)狀況

　　多主軸機(jī)床本身誕生較早，最初出現(xiàn)的主要是多主軸車床，當(dāng)時(shí)被美國(guó)等國(guó)家列為國(guó)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(jī)床則出現(xiàn)得較晚。德國(guó)的SW公司在20世紀(jì)90年代推出了世界上第1臺(tái)多主軸雙工作臺(tái)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(jī)床設(shè)計(jì)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(diǎn)是由梁柱構(gòu)成一個(gè)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(gè)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(diǎn)，構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)其工藝優(yōu)越性的基礎(chǔ)。德國(guó)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(hào)的數(shù)控多軸機(jī)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(guó)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(gè)激光加工頭，推出了銑削與激光復(fù)合加工的機(jī)床DMU60L。該機(jī)裝有 1 個(gè)功率 為 100W 的脈動(dòng)式 YAG 激光器，光 束 φ 0.1mm、加工效率 20mm3/ min。工件在這種機(jī)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(jìn)行精加工，去掉型面的銑削痕跡和加工出精細(xì)部分，包括雕刻花紋和圖案。國(guó)內(nèi)方面，沈陽(yáng)創(chuàng)新數(shù)控設(shè)備有限公司于2004年開(kāi)始研發(fā)國(guó)內(nèi)第1臺(tái)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(guó)Rexroth公司的MTX數(shù)控系統(tǒng)[3]。秦川機(jī)床集團(tuán)公司2008年開(kāi)發(fā)出VTM260型龍門式銑車復(fù)合加工中心，機(jī)床具有七軸五聯(lián)動(dòng)功能，復(fù)合化程度較高。西安飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司也成功利用多主軸數(shù)控機(jī)床一次加工出多個(gè)較復(fù)雜的飛機(jī)肋類結(jié)構(gòu)零件[4]。近年來(lái)，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(shí)現(xiàn)小批量同時(shí)多個(gè)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(jìn)口。對(duì)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(jī)床甚至數(shù)控加工中心相比，同時(shí)要具備一般專用機(jī)床所沒(méi)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(kāi)放化是目前數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，PC-NC（個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)控）是目前比較現(xiàn)實(shí)的數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化的途徑。因此，本數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的模式。運(yùn)動(dòng)控制卡置于計(jì)算機(jī)PCI插槽中，控制卡與數(shù)控銑床進(jìn)行電連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)上的控制軟件對(duì)多主軸數(shù)控銑床進(jìn)行硬件配置與控制?？刂瓶y(cè)控信號(hào)包含三運(yùn)動(dòng)軸脈沖及方向信號(hào)、各主軸旋轉(zhuǎn)的開(kāi)關(guān)信號(hào)、主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)、各主軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)、各主軸的換刀氣缸升降使能信號(hào)、各軸零位限位信號(hào)、對(duì)刀信號(hào)以及手輪輸入信號(hào)等。 Y 軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工件裝夾底板做Y 軸方向的運(yùn)動(dòng)。整個(gè)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(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)做 X 向 正負(fù)運(yùn)動(dòng)， Z 1、 Z 2、 Z 3 等多個(gè)主軸安裝于主軸橫梁上。此系統(tǒng)必須同時(shí)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(jī)床結(jié)構(gòu)形式，兩者區(qū)別主要在于軸的驅(qū)動(dòng)形式。

　?。?）多工件加工機(jī)床。

　　此種配置用于批量加工的同步驅(qū)動(dòng)模式，主軸橫梁本身不能在Z 向上下運(yùn)動(dòng)，每個(gè)主軸各由1路Z 軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)絲杠螺母副形式進(jìn)行上下驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。加工時(shí)需通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)調(diào)整，使3主軸電機(jī)同時(shí)或選擇部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)同一個(gè)工件而言，3主軸運(yùn)動(dòng)控制完全一致，從而可以實(shí)現(xiàn)1路驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)3個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的效果。但因初始安裝位置無(wú)法保證絕對(duì)一致，以及刀具長(zhǎng)短因型號(hào)或磨損原因而不同，3軸刀具加工點(diǎn)的Z 軸位置一般很難保持一致。為了使同時(shí)加工的工件外形尺寸完全一致，需要依次調(diào)整3個(gè)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(gè)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(jī)床結(jié)構(gòu)

　?。?）多工序加工機(jī)床。

　　此種配置用于多工序的輪動(dòng)驅(qū)動(dòng)配置模式，整個(gè)主軸橫梁可在Z 方向上下移動(dòng)，只需一個(gè)Z 軸驅(qū)動(dòng)模塊。理論上前述批量加工的同步驅(qū)動(dòng)模式也可實(shí)現(xiàn)輪動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，但為達(dá)到快速換刀的目的，機(jī)床特意設(shè)計(jì)成通過(guò)氣缸升降只選擇其中一個(gè)主軸進(jìn)行加工，如圖2所示。對(duì)于同一工件不同工序，機(jī)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(diǎn)處于同一個(gè)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(dòng)驅(qū)動(dòng)換刀時(shí)只需移動(dòng)后續(xù)工序刀具到前序刀具加工點(diǎn)，省略常規(guī)的換刀夾持操作，通過(guò)以高速更換主軸來(lái)達(dá)到快速換刀的效果，節(jié)省換刀時(shí)間，換刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖2 多工序加工機(jī)床結(jié)構(gòu)

　　因機(jī)床只選擇其中一種配置方式，多工件多工序加工機(jī)床中各主軸的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)和多工序加工機(jī)床中各主軸的換刀氣缸升降使能信號(hào)在數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(jī)床配置方式，來(lái)完成不同主軸的Z 軸的驅(qū)動(dòng)方式。在多工件同步加工模式下，只有對(duì)刀時(shí)才單獨(dú)驅(qū)動(dòng)各個(gè)軸，以實(shí)現(xiàn)刀尖找平的目的，正常加工時(shí)同時(shí)驅(qū)動(dòng)各軸。在多工序輪動(dòng)加工模式下，無(wú)論是對(duì)刀還是正常的加工，某時(shí)刻只有一個(gè)主軸下壓到位，待一個(gè)工序加工完畢，直接切換主軸進(jìn)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(duì)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(bǔ)、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(jī)床模式進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)控操作。對(duì)于多工件同步加工模式，關(guān)鍵點(diǎn)是調(diào)整各軸刀尖切削點(diǎn)使其高度一致；對(duì)于多工序輪動(dòng)加工模式，關(guān)鍵點(diǎn)則是如何實(shí)現(xiàn)多主軸的自動(dòng)對(duì)刀以及多氣缸快速更換主軸操作。對(duì)于大型的龍門式銑床，還有軸雙驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)短各不相同，多軸刀具加工點(diǎn)的Z 軸位置一般很難保持在同一高度。為使同時(shí)加工的工件外形尺寸完全一致，需要依次調(diào)整各個(gè)主軸使各軸工件坐標(biāo)相同，即保證各主軸刀尖在同一個(gè)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(jī)床為例來(lái)說(shuō)明刀尖齊平校準(zhǔn)操作的方法，設(shè)3主軸分別為Z1、Z2、Z3。

　?。?）分別對(duì)3個(gè)主軸進(jìn)行機(jī)械回零操作，機(jī)械坐標(biāo)自動(dòng)置零。

　?。?）在工件裝夾臺(tái)面選擇一個(gè)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(gè)固定對(duì)刀儀。系統(tǒng)通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)只選擇Z1軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，低速下降，當(dāng)?shù)都馀龅綄?duì)刀儀時(shí)觸發(fā)對(duì)刀到位信號(hào)，立即記錄此時(shí)的Z1對(duì)應(yīng)的對(duì)刀機(jī)械坐標(biāo)值1，然后Z1軸回退至安全高度；

　?。?）將Z2刀具移至對(duì)刀儀正上方，然后系統(tǒng)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)只選擇Z2軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，低速下降，當(dāng)?shù)都馀龅綄?duì)刀儀時(shí)觸發(fā)對(duì)刀到位信號(hào)，立即記錄此時(shí)的Z2對(duì)應(yīng)的對(duì)刀機(jī)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(duì)應(yīng)的對(duì)刀機(jī)械坐標(biāo)值j3。

　?。?）根據(jù)3主軸對(duì)應(yīng)的對(duì)刀機(jī)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(shí)保證同一加工平面的調(diào)整依據(jù)。

　?。?）加工前通過(guò)開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇分別驅(qū)動(dòng)3主軸，使3主軸回到機(jī)械原點(diǎn)。

　?。?）取出3主軸中Z1對(duì)應(yīng)的對(duì)刀機(jī)械坐標(biāo)值j1、Z2對(duì)應(yīng)的對(duì)刀機(jī)械坐標(biāo)值j2和Z3對(duì)應(yīng)的對(duì)刀機(jī)械坐標(biāo)值j3，判斷出3個(gè)值中最大的值，因?qū)Φ饵c(diǎn)都在Z 零點(diǎn)以下，因此j1、j2、j3均小于0，3個(gè)值中最大的值實(shí)際就是絕對(duì)值為最小的值，以此值對(duì)應(yīng)的軸為基準(zhǔn)，然后以前述測(cè)量的各刀具的高度偏差值進(jìn)行刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，最終使各軸刀尖處于同一水平面。

　　經(jīng)過(guò)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(shí)選擇驅(qū)動(dòng)全部軸或者其中某些軸，使多個(gè)主軸同步加工。因工件原點(diǎn)是以Z1的對(duì)刀結(jié)果為基準(zhǔn)的，所以無(wú)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(jì)Z1運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。

2 多工序輪動(dòng)加工模式下多主軸自動(dòng)對(duì)刀

　　在進(jìn)行多工序輪動(dòng)加工前，必須事先進(jìn)行各主軸的對(duì)刀，對(duì)刀的實(shí)質(zhì)是為獲取各主軸刀具的補(bǔ)償值，以便在加工中換主軸時(shí)能夠保持工件坐標(biāo)的一致性。多主軸自動(dòng)對(duì)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(dòng)測(cè)量其它主軸在X、Y 方向上相對(duì)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(shí)X 和Y 向的偏移距離依據(jù)。

　?。?）對(duì)整個(gè)主軸橫梁進(jìn)行機(jī)械回零驅(qū)動(dòng)操作，機(jī)械坐標(biāo)自動(dòng)置零；

　?。?）在工件裝夾臺(tái)面上選擇一個(gè)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(gè)固定對(duì)刀儀；

　　（4）系統(tǒng)只選擇Z 軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，低速下降，當(dāng)?shù)都馀龅綄?duì)刀儀時(shí)觸發(fā)對(duì)刀到位信號(hào)，系統(tǒng)立即記錄并保存此時(shí)的Z1對(duì)應(yīng)X 、Y 機(jī)械坐標(biāo)值和Z向?qū)Φ稒C(jī)械坐標(biāo)值j1，j1作為Z1軸的工件原點(diǎn)Z 值，然后Z1軸回退至一固定點(diǎn)；

　?。?）切換Z2刀具：根據(jù)事先設(shè)置的Z2相對(duì)Z1在X 、Y 向上的偏置距離，移動(dòng)整個(gè)主軸，目的是使Z2刀尖對(duì)準(zhǔn)原來(lái)Z1刀尖所在的X 、Y 位置，此時(shí)Z2刀尖也正對(duì)下方的固定對(duì)刀儀。系統(tǒng)只選擇Z2軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，低速下降，當(dāng)?shù)都馀龅綄?duì)刀儀時(shí)觸發(fā)對(duì)刀到位信號(hào)，系統(tǒng)立即記錄并保存此時(shí)的Z2對(duì)應(yīng)的對(duì)刀機(jī)械坐標(biāo)值j2，此機(jī)械坐標(biāo)值作為Z2軸的工件原點(diǎn)Z 值，Z2的工件原點(diǎn)X、Y 值是根據(jù)Z1軸的工件原點(diǎn)X、Y 值以及Z2相對(duì)Z1在X、Y 向上的偏置距離自動(dòng)計(jì)算獲取，然后驅(qū)動(dòng)Z2軸回退至固定點(diǎn)。

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

　　（7）通過(guò)以上步驟，系統(tǒng)記錄了各主軸的工件原點(diǎn)坐標(biāo)值，后續(xù)輪動(dòng)加工時(shí)，每個(gè)刀具將以各自的工件原點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行加工，以保證各主軸刀具實(shí)際加工點(diǎn)處于同一個(gè)工件坐標(biāo)系統(tǒng)。

3 多工序輪動(dòng)加工模式下多氣缸自動(dòng)快速更換主軸

　　數(shù)控系統(tǒng)識(shí)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(hào)和所需切換的刀具號(hào)，需驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的汽缸和Z向伺服電機(jī)，完成切換主軸動(dòng)作。主軸切換步驟如下。

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

　?。?）使能需切換的刀具的換刀氣缸使對(duì)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(duì)Z1在X、Y 向的偏置距離，計(jì)算換刀偏置移動(dòng)距離，移動(dòng)整個(gè)主軸支架，目的是使需切換的刀具刀尖對(duì)準(zhǔn)原來(lái)刀具刀尖所在的X、Y 位置。

　　（3）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(jì)算新的刀具需移動(dòng)的距離，最終使切換后的刀具到達(dá)換刀前的刀尖點(diǎn)，工件坐標(biāo)值Z 向保持一致。

　　（4）按照新的工件坐標(biāo)系進(jìn)行加工。因加工代碼一般是以同一工件坐標(biāo)系進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，因此，對(duì)于同一主軸橫梁上的刀具進(jìn)行換刀后，實(shí)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(dá)到快速更換主軸目的，在需要更換主軸時(shí)，需更換的主軸刀具可以先行旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)，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(shí)間。

　?。?）加工時(shí)刀具切換后，工件坐標(biāo)原點(diǎn)的更換使得實(shí)際的機(jī)械坐標(biāo)產(chǎn)生偏移，如果以機(jī)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(shí)際的加工點(diǎn)是以同一工件坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的，因此顯示軌跡時(shí)，如果是非基準(zhǔn)軸的軌跡，需要在XYZ 三維圖形上加一個(gè)反向的與工件原點(diǎn)相對(duì)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(shí)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(duì)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(tái)和工件動(dòng)、靜態(tài)剛度的情況下，龍門柱沿導(dǎo)軌縱向進(jìn)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(duì)稱結(jié)構(gòu)與對(duì)稱受力，盡管龍門柱兩邊采用完全相同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，但最終還是不能保證龍門框架移動(dòng)的同步性。這種不同步性產(chǎn)生的機(jī)械耦合可能使龍門框架或驅(qū)動(dòng)元件受到損壞，機(jī)床產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)[7-8]。因此，Y 軸雙驅(qū)同步進(jìn)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(duì)于雙Y 各自設(shè)置獨(dú)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(fù)載或擾動(dòng)影響，其參數(shù)或性能發(fā)生了較大的變化。通過(guò)檢測(cè)主動(dòng)軸狀態(tài)和從動(dòng)軸狀態(tài)之間的誤差，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)規(guī)律產(chǎn)生的反饋?zhàn)饔脕?lái)修改主動(dòng)軸和從動(dòng)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(shí)分別調(diào)整2個(gè)控制器，使二者在速度上保持一致。2個(gè)控制器自身不但能抑制擾動(dòng)，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(yàn)證

　?。?）多工件同步加工。

　　一次裝夾，利用多主軸可以加工多個(gè)零件。圖3所示為采用多主軸加工機(jī)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(shí)加工3個(gè)手機(jī)零件。經(jīng)加工驗(yàn)證，加工出的3個(gè)零件外形尺寸一致，達(dá)到精度要求。對(duì)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(jī)床等操作時(shí)間，實(shí)際加工效率將提高3倍以上?？紤]到機(jī)床變形以及負(fù)載力的增大，這種機(jī)床主軸不能無(wú)限增多，一般一臺(tái)機(jī)床最多3~10個(gè)主軸。

圖3 多工件同步加工驗(yàn)證

　?。?）多工序輪動(dòng)加工。

　　如圖4所示，采用多工序三氣缸換主軸機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)配置為多工序輪動(dòng)加工模式，材料為鋁合金，選用R3球頭銑刀，一次裝夾，同時(shí)完成工件的毛坯開(kāi)粗、精加工、鉆孔工序。通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)更換主軸，一道工序完畢轉(zhuǎn)換到另一工序，完成整個(gè)零件的加工。一般的刀庫(kù)換刀方法必須在刀具停止旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上換刀，換刀時(shí)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(dòng)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(shí)，后一工序刀具可以先行啟動(dòng)，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(shí)間。

圖4 多工序輪動(dòng)加工驗(yàn)證

結(jié)束語(yǔ)

　　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(shí)際多主軸機(jī)床主軸配置形式的加工需要，進(jìn)行多主軸的驅(qū)動(dòng)控制，完成多工件同步加工或多工序輪動(dòng)加工2種驅(qū)動(dòng)方式的自由配置。在多工件同步驅(qū)動(dòng)配置方式下，為了使同時(shí)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(gè)軸，保證各主軸刀尖在同一個(gè)水平面上，從而保證加工的多個(gè)工件外形尺寸的完全一致。在多工序輪動(dòng)驅(qū)動(dòng)配置方式下，因換工序換刀后，可以保證刀具加工點(diǎn)處于同一個(gè)位置，這樣能在同一工件上完成不同工序的加工。輪動(dòng)驅(qū)動(dòng)換刀時(shí)只需移動(dòng)后續(xù)工序刀具到前序刀具加工點(diǎn)，省略常規(guī)的換刀夾持操作，同時(shí)又消除了主軸電機(jī)停止和啟動(dòng)等待時(shí)間，大大節(jié)省了換刀時(shí)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(kuò)展通道。加工結(jié)果驗(yàn)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(chǎng)合，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。