我们在对国产机床的现状和问题进行深入分析的基础上，对开发具有中国特色的新一代超高速机床进行了探索，在基础理论和关键技术方面进行了系统的研究，并正进行超高速机床产品的开发。下面作一介绍。
1 超高速加工中心的新型结构
现有高速机床的总体结构基本上采用工件和刀具共同运动的方案。在这类工件和工作台一体运动的常规结构中，由于工件、夹具和工作台的总重量比较大，不但增加了机床导轨中的摩擦阻力，需耗费较大的驱动功率，而且更为严重的是，要驱动大的质量体完成高加速度运动，将需要很大的推动力。这将显著提高直线伺服电机的功率，既提高了机床成本又增加了发热，对机床加工精度造成不利影响。此外，传统高速机床结构是一种串联开链结构，组成环节多（特别是在多坐标机床中）、结构复杂，并且由于存在悬臂部件和环节间的联接间隙，不容易获得高的总体刚度，难以适应超高速加工进一步发展的要求。
为从根本上解决上述问题，我们在开发新一代超高速加工中心时，采用了基于 Stewart 平台原理的并联闭链多自由度驱动结构，由此构成了工件固定、刀具（主轴）运动的适合超高速加工中心的新方案，其基本结构见图1。该机床的主轴单元由6根可变长度驱动杆支撑，6根驱动杆的另一端固定于基础框架上。各驱动杆与主轴单元和基础框架的联结均采用可预紧的高刚度滚动结构。这样可使驱动杆不承受弯曲力矩且运动灵活。调节6根驱动杆的长度，可使主轴和刀具作六自由度运动，其中包括沿3个线性轴X、Y、Z 的平移运动和沿3个转动轴 A、B、C的旋转运动。由于驱动杆在切削力和温度变化作用下的受力变形和热变形主要影响杆的长度，因此通过对杆长进行闭环控制并对测量装置的误差进行实时补偿，可以有效校正杆长位移误差，使机床获得高的加工精度。在这一新型结构中，虽然需用6套进给伺服系统，但每一伺服系统的功率都比常规数控机床单个坐标的驱动功率小，因此总的进给驱动功率与常规机床相当，不会明显增加进给驱动部分的成本。
图1 超高速加工中心结构示意图(立式)
从总体上看，采用上述结构的超高速加工中心具有以下特点：
(1) 机械结构简单，零部件通用化、标准化程度高，易于经济化批量生产。此外，该机床整体重量轻，约为常规机床的1/5～1/3，因此原材料消耗少、加工量少，将进一步降低制造成本。
(2) 工件固定而主轴相对于工件作多自由度运动，因此将主轴部件做成电主轴单元，可以有较小的质量，非常有利于获得高的加速度。
(3) 进给机构为空间并联机构，在驱动电机速度相同的条件下可以获得比采用串联结构的常规数控机床更高的进给速度，有利于满足超高速加工对进给速度的要求。
(4) 六杆平台结构将传动与支撑功能集成为一体，6根驱动杆既是机床的传动部件又兼做主轴单元的支撑部件，这不仅大幅度减小了摩擦阻力，有利于进一步提高进给速度与加速度，而且将有效减少工件－机床－刀具链中的环节，消除了这些环节带来的力变形和热变形，并可减少联接和传动间隙，提高接触刚度，有利于提高机床的综合精度。
(5) 因机床的主体为并联闭链结构，消除了常规机床中的悬臂环节，经过合理设计可使各驱动杆和有关部件只承受拉压力而不受弯曲力矩，因而使机床总体刚度进一步提高（可比一般加工中心高5倍左右）。如果在传动与控制上处理得当，可以使由此构成的新型机床达到比常规机床高得多的加工精度和加工质量［1］。
(6) 机床上不存在沿固定导轨运动的直线和旋转工作台以及支承工作台所需的其它部件，因此，刀具在空间的定位精度和运动轨迹精度完全由传动、检测和控制来保证，从而彻底消除了导轨、工作台、立柱、横梁等引起的空间几何误差。
(7) 利用该加工中心的主轴部件可作六自由度高速运动这一特点，让主轴直接参与换刀过程，不仅可使刀库配置位置灵活，而且可减少刀库运动的自由度，显著简化刀库和换刀装置的结构。更重要的是，换刀环节的减少和机械结构上的简化将有效提高换刀的可靠性，这在自动化加工系统中是非常重要的。
本文关键字：加工中心 机床，应用领域 - 机床
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