新型小型钻铣加工中心机的分析与研究

徐剑锋

（上海东真船舶工程有限公司机械工程部， 上海 201900）

引言

近年来，我国3C 产品行业、汽车、船舶等行业发展迅猛，再加上《中国制造2025》的大背景，机械制造业对效率、速度、质量、安全、智能方面要求大大提高，因此，对小型钻铣加工机数控机床以及自动化设备的多用途、操作简便、性能稳定也提出了更高的要求。

1 新型小型钻铣加工中心机的研究

针对机械加工中对于数控机床以及自动化设备的需求，研究了一种新型的小型钻铣加工中心机。该设备三轴运行速度快、换刀时间短、加工精度高，在3C、汽车、船舶行业等机械加工中得到广泛应用，其用途包括各种零部件的高速铣削加工、高速钻孔和金属表面的高光处理等。

三轴联动加主轴是小型钻铣加工心的基本配置，在工作台上加装第四轴可以满足更加复杂的加工需求。机台本身内置的对刀仪功能可以实现刀具磨损的实时监控和检测，在刀具磨损较严重时通知操作员更换刀具，从而避免不良品的产出和材料的报废。

此新型钻铣中心机的技术优点有：独特的机械式打刀机构，使松夹刀完全通过Z 轴的位置来控制，从而可以确保换刀的准确性；带绝对位置的刀库专用伺服马达，使刀库旋转快速，定位准确，从而能确保高效换刀，提升加工效率；24000 r/min 的高速主轴可以大大提高产品的精度。这几项优点使得该新型钻铣中心机与行业中的同款机台相比优势突出[1-2]。

2 小型钻铣加工中心机的结构分析

2.1 数控系统

数控系统是数控设备的核心部分，如图1 所示。该新型小型钻铣中心机配置有FOXNUM 数控系统，它的主要构成有10.4 英寸显示界面、操作键盘、输入输出模块、NCK 控制器、电源模块、双轴伺服驱动器以及高分辨率伺服马达。NCK 控制器是机台的指挥中心，它处理着机台的所有信息然后发送相应的指令给伺服驱动器和输入输出模块。伺服马达是执行机构，它接受伺服驱动器的命令并执行相应的动作同时把动作信息反馈回去，这样就行成了一个闭环结构可以保证命令的准确执行。而且，伺服马达采用绝对编码器即使在断电的情况下也可以保证机械的位置能够被准确检测到。显示界面简洁友好，操作者可以实时监测机台的运行状态[3-4]。

图1 数控系统实物示意图

操作键盘是外部命令的输入设备，操作者可以通过键盘编辑需要的程式并上传到机台、按下循环启动按钮机台就可以按照用户想要的动作来运行。输入输出模块式系统与外部设备信息交换的窗口，通过输入输出模块机台可以实时检测外部设备是否动作异常，比如气源压力是否过低、油泉液位是否过低、水箱是否开启等，从而作出相应的保护动作并把信息反馈给操作者。

2.2 高速刀库

刀库的主要组成部分有伺服驱动器、伺服马达和刀盘。它的动作过程如下，控制器控制Z 轴上升到换刀点，然后发送换刀信号给刀库驱动器，刀库驱动器将信号进行处理之后发送命令给伺服马达，伺服马达带动刀盘旋转直到所需要的刀位停止，Z 轴下降到夹刀点将刀具夹紧，换刀结束。刀库采用的是三菱最新的刀库专用伺服驱动器和伺服马达，伺服马达配置高分辨率的绝对编码器，构成了闭环系统，与一般的变频马达相比，可以保证换刀位置的准确性。马达转速可以达到3000 r/min，从而提高了换刀的速度。再加上独特的机械式打刀设计，使松刀和夹刀完全由Z 轴的位置来决定，省去了增压缸的作用，避免了电磁阀、增压缸的信号延迟，从而使换刀更加高效，相邻刀具的换刀时间可以达到18 s 以内[5]。极大地缩短了加工时间，如图2 所示。

图2 高速刀库实物示意图

2.3 高速主轴

主轴部分由主轴伺服马达和机械主轴构成。主轴电机是数控系统的一部分，功率为3 kW、最高转速可以达到24000 r/min，而且主轴的控制也是闭环控制，使得转速的控制精准稳定。主轴电机端通过精密联轴器将主轴与电机连接成一个整体，电机高速运转的同时带动主轴高速旋转。高速机械式主轴转速也可以达到24000 r/min，采用精密陶瓷免润滑轴承，刚性高，即使在较高转速也能保证较高的运行精度。运转噪声较低、振动小，保证了加工精度。主轴前端有气压密封避免内部被铁屑、切削液污染，影响使用寿命。

3 小型钻铣加工中心机的特点分析

完善全面的PLC 程式规划充分考虑到了客户多样化的要求，只需要修改机台几个参数就可以开启和关闭相应的功能。选配第四轴，在工作台上加装第四轴可以实现工件360°任意角度的准确定位，在基本三轴运动的同时加上第四轴的旋转，使产品的定位姿态更加的多样化，在一台机床上就可以实现多下位的加工。

预留对刀仪接口，对刀仪是用来检测刀具是否折断或磨损的精密检测仪器，机台已经内置对刀仪功能，如果客户需要，可以方便启用，加装对刀仪后可以保证加工精度避免产品报废。预留探头接口，探头是用来检测工件尺寸和加工尺寸的精密检测仪器，机台已经内置探头功能，客户可以方便启用。探头的使用可以使得机台能够自动量测工件的尺寸，减少了人工测量的误差，大大缩短加工时间。选配油雾回收机，油雾回收机的作用是将加工过程中产生的大量油雾回收处理的环保装置、安装油雾回收机可以大大改善加工现场的环境。选配冲屑水泵，冲屑水泵是用来清除加工废屑，配置冲屑水泵可以保证较为干净的机台内加工环境。治具是用来固定产品的，根据治具的复杂程度需要的控制信号数量也不同，机台预留的5 个治具接口，可以最大限度地满足客户复杂多变的产品装夹需求[6]。

4 小型钻铣加工中心机的性能

基本性能参数为X 轴行程500 mm，Y 轴行程400 mm，Z 轴行程300 mm，工作台最大载重可达250 kg，如此的工作行程和载荷可以满足大多数小尺寸产品的加工需求。机台采用THK 高精密滚珠丝杆和线轨，快速移动速度可以达到36 m/min，切削速度达30 m/min，定位精度可达0.01 mm，重复定位精度可达0.002 mm。而且机台配置高速高精功能，能实现较好的加减速控制效果，使机台控制精度达到0.1 μm，控制更加精准、快速、稳定，能够获得极高的加工精度。3D 曲面加工、倒角处理、圆弧加工、直角加工效果极佳。

5 应用情况分析

此新型小型钻铣中心机可在3C 产品行业、汽车、船舶等工业行业中进行应用，性能良好。该设备具有机台高效、高性能等优点使企业的产量大幅提高，为企业创造了较好的安全经济效益。

6 结语

近几年，我国经济发展进入新常态，尤其是在《中国制造2025》的国家政策指导下，制造业发展面临新的挑战。应对市场发展需求，推动老产品的改造升级，不断提高钻铣加工中心机的效率与稳定性，使其更加智能化、人性化程度，使设备更加环保，提高自动化设备的可重复利用性和扩展性。