多种工具联动控制加工技术探析

王春华

（ 杭州康达模具有限公司，浙江 杭州 310022 ）

0 引言

科学技术水平的发展为机械工业发展带来了巨大的保证，目前我国机械加工技术的发展速度和效率有显著提高，自动化趋势愈加明显。对于规模化现代制造企业而言，传统的产品或零部件加工过程中采用单一工位、单一工具、单一机床为主的加工方式已无法适应其发展需求。利用优化刀具路径、优化刀具结构、优化制造工艺等手段并采用高速切削等方式可有效提高加工效率。结合工件的加工需求，组合多台机床和多条生产线，组建多工位、多工具、多工序同步加工模式是值得研究和探索的技术。本文以多种工具联动从而控制并提升整体加工技术为目的进行探讨。

1 加工特性

机械加工技术具有工程性、综合性和统一性等显著特点。

工程性表现在现代化机械加工过程中有效地融合了多种技术（自动化、管理、通信、计算机等），发挥其各自特点为加工目的服务，提高了现代机械加工效率。

综合性表现在不仅带动多个行业发展，也促进了社会进步。对于现代化机械加工的技术发展而言，综合性体现在了整个领域发展中。

统一性体现在传统加工技术在向现代化机械加工发展的过程中，吸取多方面的优点。

现代化机械加工在加工技术发展中的统一性日益明显，加工成本和加工时间明显降低，加工质量明显提升，实现了机械加工技术的自动化、科技化和现代化，推动了加工行业的繁荣发展。

2 技术形式

2.1 技术内涵

单一工位多种工具联动控制加工技术，指的是在单一工位上利用多种工具在同一时间加工工件，对所加工的工件必须具备回转特征，同时其曲面应具有径向对称分布特征。如单一工位多种磨具进行抛光加工，可在工件曲面找出中心轴，利用3个不同的抛光磨轮沿着工件曲面中心轴分布在径向对称上。在进行抛光加工时，每一个磨轮的位置和姿态都沿着工件曲面中心轴呈现径向对称，同时保证3个抛光磨轮在同一步调上，便于在同一个工位进行抛光加工。

多工位多种工具联动控制加工技术，指的是在一个工作台上有多个工位分布，每一工位利用一个工具加工工件，这些工具和工位的加工同步进行。如多工位多种工具联动的抛光加工，在圆周镜像的对称位置上分布了3个工位、配置3个抛光轮。正式进行抛光加工时，3个工件之间的姿态被调整为统一状态，由抛光轮对工件在同一时间内进行抛光加工。

2.2 技术特点

单一工位多种工具联动控制的机械抛光过程较灵活、刀具易规划，主要优势在于：

1）加工曲面特征为径向对称，在同时具有回转特征的曲面工件上，其效率相对单一工位单一工具有提升。

2）工件与各个磨具一般为径向对称，抛光加工对刀具轨迹进行规划时仅需依照单一的刀具模式。

3）较易组成生产线，在生产方式上灵活可变。

4）依据工件需要抛光的表面形状特征分片，工件在一个分片抛光加工区域采用的是同一种磨具。

多工位多种工具联动控制的机械抛光能大规模生产，较易控制，效率高。主要优势在于：

1）仅需一次即可加工多个工件，多个工位在同一时间内进行抛光，增加工位可快速提高加工效率。

2）加工过程易控制，使用的磨具和工件分布较对称，规划单个磨具刀具轨迹即可同步进行多个工位和多种磨具的加工。

3）在同一时间内对多个工件进行加工，操作相对简单。劳动程度降低。

3 实践应用

3.1 结构设计

1）设计多工具、同步抛光的机床加工结构

通常情况下，数控机床一次加工一个工件，如增加工位或工具，则同时提高了数控机床结构与控制的复杂性，为此需要合理设计。设计要求一方面要能保证工位和工具适当增加以提高生产效率，另一方面要降低制造成本，提高加工精确度。因多种工具联动控制加工需在一个工位上有多种磨具同时工作，要求具备较高的对称性，磨具工作的空间限制了对机床结构的设计，应着重注意选择机床结构，布置各轴的运动结构。

2）设计调节多种工具达到同一姿态的补偿器

加工质量得到保证的关键因素是多种工具在使用时的同步协调特性，要求各工具在运行时应做到同步。机床制造误差、工件尺寸误差等导致各个磨具未能达到理论要求的同步状态时，需采用相应的补偿器对其姿态进行调整，确保各个磨具磨轮和工件之间有效接触。

3）设计对多个工位进行同步调整的装置

在加工曲面工件的过程中，曲面工件不会保持固定静止在工位上，有时为了满足加工需要，工件需要变化姿态，如摆动、旋转等。对工位姿态进行调整主要是调整工件高度与角度。在圆形的工作台上要实现各工位的同步加工，需要工件保持高对称性、同步性与等高性，因此需设计可灵活精确调整工位的装置。

3.2 单一工位多种工具的铝轮毂曲面抛光机床

在对某些铝合金产品的加工中，抛光是较为重要的步骤，要求被抛光的表面材料不出现过抛变形、去除较均匀。

多种工具抛光机床采用立式结构，为上、下两部分。上部是多种工具的运动结构。加工所使用的3组磨具围绕着中心轴径向分布，各个磨具可采用同一步态沿径向移动，建立刀具的三维坐标，将坐标固定在磨具架，各磨具按同一姿态围绕设定的横坐标摆动和垂直坐标转动，从而适应变化的工件曲面。下部分是单一工位的工作台运行架构，在工作台装夹工件，机床的三维坐标系中，工作台可沿垂直坐标上下，或围绕垂直坐标转动。

单一工位多种工具机械抛光机床包含的结构为：磨具径向移动步进电机、磨具摆角步进电机、中心升降盘、导杆、磨具架、三组抛光磨具、工件、工作台和夹具、转动减速器、工作台的转动步进电机、工作台升降步进电机、升降减速器。

利用三组磨具进行抛光，在应用中发现，使用了抛光机的抛光效率远高于手工抛光。应注意在进行抛光操作时，需做好密封处理，以免产生粉尘污染。

3.3 多工位多种工具的不锈钢电水壶抛光机床

在家用电器中，常见的不锈钢电水壶表面抛光是产品制造的最后工序，其目的是保证电水壶符合一定的精美外观。实际作业过程中，因材料形状复杂多样，抛光难度较大。行业内大量的电水壶抛光作业采用了纯手工方式完成。手工操作无法保证产品外观的一致性，加工效率也不尽如人意。制造商迫切需要采用自动化、环保、高效的机械抛光技术。

采用多工位多种工具联动控制的机械抛光方法，能够在分布对称的3个工位同步对电水壶表面进行抛光操作。多工位多种工具电水壶抛光机是四轴结构，双层的立式机构，步进电机对每一轴分别驱动。抛光机床的上半部分为磨具的运动机构，各磨具同步在径向上移动。在加工和装配的过程中，各磨具在径向移动上的位移出现误差，为补偿误差，设置了对磨具径向位移进行微调的结构。下部为工作台，3个工位分布呈圆周镜像对称，从而实现3个工位同步摆动、自转和升降。

多个工位多种工具的机械抛光机床包含机构有：驱动磨具径向移动步进电机、驱动磨具转动异步电机、磨具径向位置微调装置、磨具、工件、工件摆动机构、工作台、驱动工件转动步进电机、驱动工件摆动步进电机、驱动工作台升降步进电机。3个工位在同一时间进行抛光加工，相比传统的手工抛光提高了2～3倍的加工效率，同时降低操作工人劳动强度，产品成本也随之减少。3个工位和磨具都在径向上呈现对称分布，抛光作业时仅对单个道具运动轨迹进行规划即可，易控制。设计的工作台高度方便操作，装夹工件的机构设计为仿形设计，从而方便装卸工件，操作便捷。另外，为了在机械加工中对粉尘污染做好防治工作，机床上安装吸尘装置，有效改进作业现场环境。

4 结语

在机械制造业不断发展的趋势下，多种工具联动控制的加工技术开始得到重视，从而有效提高了生产效率。同时，在机械加工中应用多种工具联动控制的加工技术也能有效降低生产对环境的污染程度，减少对操作工的依赖，具有较好的社会效益和经济效益，实用性和可行性较强。

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