史瓊艷

【摘 要】本文分析了多主軸加工中心的主要特征和基本結(jié)構(gòu)及自動換刀、五軸加工的實現(xiàn)方式；介紹了立柱交換機(jī)床；指出了不同結(jié)構(gòu)機(jī)床的特點及適用范圍。

【關(guān)鍵詞】多主軸加工中心；結(jié)構(gòu)；換刀；五軸加工；立柱交換

Several basic problems on the design and selection of Multi-Spindles Machining Center

SHI Qiong-yan

（Changzhou Institute of Mechatronic Technology， Changzhou Jiangsu 213164， China）

【Abstract】The main feature， basic structure， automatic tool changer and approaches of five-axes machining of the multi-spindles machining center are analyzed in this paper. And the characteristics and application range of different multi-spindles machining centers are also pointed out.

【Key words】Multi-spindles machining center； Structure； Tool changer； Five-axes machining； Column exchange

高速、高效、自動、復(fù)合加工是當(dāng)今機(jī)床的主要發(fā)展方向之一，當(dāng)前，隨著國內(nèi)勞動力成本的不斷提高，企業(yè)對高效、自動化加工設(shè)備的需求正在逐年上升，高速、高效的多主軸加工中心的使用將越來越普遍。本文對多主軸加工中心的主要特征、基本結(jié)構(gòu)及自動換刀、五軸加工進(jìn)行了分析，介紹了立柱交換機(jī)床；指出了不同結(jié)構(gòu)機(jī)床的特點，希望能為機(jī)床設(shè)計和設(shè)備選用提供參考。

1 主要特征

加工中心實現(xiàn)了工序集中和工藝復(fù)合，是多品種、小批量零件加工的首選設(shè)備，但只有一個主軸的加工中心通常很難滿足汽車、摩托車等大批量生產(chǎn)行業(yè)對加工效率的要求，因此，需要利用多主軸、多工件同時加工來提高加工效率。多主軸加工中心是以多主軸、多工件同時加工為主要特征的高效、自動加工設(shè)備，一次加工循環(huán)可完成多個相同零件的加工，成倍提高了機(jī)床效率。

多主軸加工中心需要在一個主軸箱上安裝多個主軸，其主軸間距決定了零件的加工范圍，由于主軸箱體積受到結(jié)構(gòu)限制，故多主軸加工中心的加工范圍通常較小，以中小型零件加工的立式、臥式加工中心為主。多主軸加工中心的主要目的是提高批量加工的效率，它不追求機(jī)床的柔性，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，其X/Y/Z等坐標(biāo)軸一般為公用，因此，多數(shù)情況下，只能用完全相同的刀具來加工完全相同的零件。

多主軸加工中心需要有多個主軸傳動系統(tǒng)，需要同時裝夾多個零件，主軸箱、夾具、自動換刀裝置等部件的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；如果進(jìn)行多軸加工，還需要有獨立的回轉(zhuǎn)軸，它對CNC的功能要求較高，因此，目前以雙主軸加工中心居多。

2 基本結(jié)構(gòu)

立式多主軸加工中心的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)床的主軸既可采用同步皮帶連接、單電機(jī)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)；也可用多主電機(jī)獨立驅(qū)動，主軸間距一般在260～600范圍。單電機(jī)驅(qū)動的機(jī)床主軸箱設(shè)計方便、主軸布置靈活，主軸數(shù)量和間距的改變?nèi)菀?，同步性好，但CNC不能對各主軸進(jìn)行獨立的監(jiān)控和調(diào)整，對使用者要求較高，故可用于2～4主軸同時加工的小型加工中心。獨立驅(qū)動機(jī)床的每一主軸都有獨立的主軸驅(qū)動器和電機(jī)，主軸調(diào)整方便、控制靈活，但由于電機(jī)外形的制約，其主軸間距通常較大，而且要求CNC具備多主軸同步控制功能，因此，多用于雙主軸大中型加工中心。

圖1 立式多主軸加工中心

臥式多主軸加工中心的主軸傳動形式與立式加工中心類似，但由于其主要加工對象為箱體類零件，其主軸的間距大于立式多主軸加工中心；此外，各主軸需要有獨立的基本回轉(zhuǎn)軸B，因此，CNC也至少需要有5軸控制和一對伺服軸的同步控制功能，故以雙主軸的大中型機(jī)床為常見。

3 自動換刀

自動換刀是多主軸加工中心的設(shè)計難題，除了雙主軸機(jī)床的兩側(cè)理論上存在安裝機(jī)械手換刀裝置的可能性外，主軸數(shù)量超過2個的加工中心原則上只能采用無機(jī)械手換刀。

多主軸加工中心的無機(jī)械手換刀原理與單主軸加工中心基本相同，其刀具裝卸需要通過主軸和刀庫的相對運動實現(xiàn)。以立式加工中心為例，為了簡化結(jié)構(gòu)、提高換刀速度，其刀庫一般設(shè)計在立柱內(nèi)側(cè)，刀庫通過防護(hù)門與加工區(qū)隔離，其換刀動作過程如圖2所示，機(jī)床可通過刀庫（或Y軸）的移動，使主軸和刀庫換刀位的刀具同軸，然后通過Z軸的上下和刀庫轉(zhuǎn)位，完成刀具的交換。

臥式加工中心的換刀方式與立式加工中心類似，其刀庫通常布置于立柱上方，它可通過Y軸移動使主軸和刀庫換刀位的刀具同軸，然后利用Z軸（或刀庫）的前后和刀庫轉(zhuǎn)位，完成刀具的交換。

4 五軸加工

立式加工中心的第4軸一般為臥式轉(zhuǎn)臺（A軸），不同主軸可共用，機(jī)床只需要普通的4軸CNC便可進(jìn)行控制，其實現(xiàn)較簡單。由于結(jié)構(gòu)原因，立式多主軸加工中心一般不能通過主軸箱擺動來實現(xiàn)五軸加工，它只能采用圖3所示的C軸360°回轉(zhuǎn)、A擺動的三軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺，C軸為獨立控制、A軸共用。因此，用于五軸立式多主軸加工中心的CNC至少應(yīng)具有6軸控制和一對伺服軸的同步控制功能，正因為如此，主軸數(shù)量超過2個的五軸加工中心目前不常見。如果C軸采用直接驅(qū)動的高速轉(zhuǎn)臺，這樣的機(jī)床就成為了一臺多主軸的車銑復(fù)合加工機(jī)床。

用于箱體類零件加工的臥式多主軸加工中心的一般需要有獨立的基本回轉(zhuǎn)軸B，因此，即使是4軸機(jī)床，CNC也需要有5軸控制和一對伺服軸的同步控制功能。臥式多主軸加工中心的五軸加工一般通過圖4所示的A軸擺動、B軸360°回轉(zhuǎn)的三軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)，B軸獨立控制、A軸共用，CNC同樣要有6軸控制和一對伺服軸的同步控制功能。但是，如果采用B軸擺動、A軸360°回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，則A、B軸都需要獨立控制，CNC需要具備7軸控制和2對伺服軸的同步控制功能，因此，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床非常少見。

5 立柱交換

多主軸加工中心利用多零件同時加工成倍提高了機(jī)床效率，但對于工序較多、刀具交換頻繁的復(fù)雜零件加工，機(jī)床對換刀速度的要求就較高，但由于結(jié)構(gòu)的限制，多主軸加工中心通常無法采用可預(yù)選刀具的機(jī)械手換刀方式，因此，如何提高換刀速度同樣是多主軸加工中心必須考慮的重要問題。

目前，提高無機(jī)械手換刀速度的主要方法有如下兩種：一是，利用換刀緩沖裝置調(diào)整刀庫上的刀具位置，換刀前先將緊靠需更換刀具的鄰位取空，用來安裝主軸卸下的刀具，以保證每次換刀時刀庫只回轉(zhuǎn)一個刀位，減少回轉(zhuǎn)選刀時間。這種結(jié)構(gòu)的一次切削到另一次切削時間一般可達(dá)到2～3s，換刀速度接近機(jī)械手換刀。二是，直接交換立柱，使得一次切削到另一次切削時間為0，這是截至目前換刀速度最快的機(jī)床。

立柱交換的加工中心（圖5）實質(zhì)上就是兩臺共用工作臺的立柱移動式加工中心，兩側(cè)立柱都有獨立的X/Y/Z軸和刀庫、主軸，并安裝有完全相同的刀具，機(jī)床工作臺固定，用于工件回轉(zhuǎn)和擺動的C軸和A軸可共用。當(dāng)機(jī)床的一個立柱（工作立柱）加工工件時，另一立柱（準(zhǔn)備立柱）進(jìn)行換刀，一旦工作立柱加工完成，準(zhǔn)備立柱就立即進(jìn)入加工；而原工作立柱則成為準(zhǔn)備立柱，進(jìn)行換刀，如此循環(huán)，機(jī)床換刀和加工同步，加工效率極高。

a）正面 b）俯視

圖5 立柱交換的雙主軸加工中心

立柱交換加工中心的結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，對CNC的功能要求甚高，其生產(chǎn)、制造成本和兩臺機(jī)床區(qū)別不大，因此，多用于大批量復(fù)雜零件的高效加工以減小占地面積。

6 結(jié)語

最大限度地利用資源、不斷提高勞動生產(chǎn)率是制造業(yè)永恒的追求，今天，隨著資源、環(huán)境等社會問題的進(jìn)一步顯現(xiàn)，人們已越來越關(guān)心生產(chǎn)制造過程的自動化和提高資源利用率等深層次問題。當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為機(jī)械制造的高速、高效和加工集成提供了可能，不斷研發(fā)各種高效加工數(shù)控機(jī)床，是當(dāng)前機(jī)床制造業(yè)的重要方向之一，相信不久的將來還會有更多的高效加工數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]