工业发达国家对高速加工的研究起步很早，水平也很高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。在高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，而高速数控机床和加工中心则是实现高速加工的关键设备。本文所介绍的正是当前较为领先的德国Metrom公司生产的P800M型高速五面加工数控铣床。

一、总体配置

P800M型高速五面加工数控铣床是由德国Metrom公司生产的，它结构新颖、布局紧凑。机床首次采用5杆并联机构和5环驱动的主轴部件，在并联运动机构设计理论上有所突破，从而实现主轴部件偏转角大于90o，能够真正进行5面加工，其外观如图1所示。

图1  P800M型并联运动机床

机床采用封闭的多棱体桁架结构，床身底座呈五角形，由厚钢板焊接成为一个整体，因而具有良好的刚性，如图2所示。

图2  机床的内部结构

在多菱体桁架的5个面上安装有滚珠丝杆的支点——万向铰链，5根丝杠的另一端通过铰链与主轴部件的5个可转动同心外环连接。改变2个支点间的距离，即可使主轴部件处于不同工作位置。5杆并联机构驱动的主轴部件如图3所示。

图3  5杆并联机构驱动的主轴部件

P800M型高速机床的技术规格如下表1所列。

表1 机床主要规格

新颖的5杆驱动配置使机床具有高速加工所需要的主要特性：

(1)机床运动部件的质量较小，采用小功率的驱动装置就可以达到很高的加速度，所产生的惯性反作用力也非常小。

(2)采用封闭桁架结构，使机床工作时产生的力尽可能相互抵消，从而保证高动态性能。

(3)机床结构简单，部件的种类和数量少，模块化程度高，工作可靠性高，维护方便，易于重组。

(4)主轴部件可偏转90o以上，实现真正的五面加工，偏转运动稳定，没有奇异点出现。

P800M型高速数控铣床的另一个重要特点是，工作空间大，占地面积小，机床的外形尺寸仅为2300mm?2000mm?2500mm，工作台直径达800～1200mm，有效加工空间为600mm?600mm?450mm，甚至在里面可以钻进2个人去调整机床。

综上所述，P800M型机床是新一代五轴联动高速加工铣床，适用于复杂零件加工、金属模具制造、木模制作和砂型直接铣削。工件可以一次装夹后，完成5面和5轴联动数控加工。

二、数控工作台—冗余轴的功能

由于杆件之间以及杆件与框架之间的干涉，5杆并联运动机构不能够在空间的任意位置实现运动平台（主轴部件）的90o偏转；而且机床的刚度是主轴部件所处位置和偏转角的函数。

机床刚度的实测数据表明，当主轴部件处于垂直时，在整个工作空间笛卡尔坐标的X-Y平面（800m×800mm）中，刀头点的刚度大约是单杆构件刚度的20%～50%。特别是沿Y坐标的变化较大，刀头点的刚度随着偏离坐标原点的距离增大而降低。

对6杆Stewart平台并联运动机构的研究表明，运动平台的刚度随偏转角增大而降低。5杆并联运动机构也不例外，在特定位置时尤为明显。

为了提高机床的动态工作性能和保证整个工作空间的有效性，引入冗余的数控回转工作台，使机床成为5轴并联加1轴串联的6轴混联结构。

冗余数控回转工作台虽然解决了机床的性能问题，但却增加了控制系统的复杂性。

三、直接驱动

1.电滚珠丝杆

电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，具有减少传动环节、结构紧凑等一系列优点。采用电滚珠丝杆可以大大简化数控机床的结构，特别是并联运动机床采用电滚珠丝杆的优越性更加突出。电滚珠丝杆的内部结构及其在P800M并联运动机床上的应用如图5所示。

图5  电滚珠丝杆的内部结构

2.直接驱动的回转工作台

直接驱动的回转工作台是伺服驱动电动机与回转工作台的集成，它具有减少传动环节、简化机床的结构等优点。

在P800M型机床上如果采用直接驱动的回转工作台不仅可以起到冗余数控轴的作用，还可以使高速铣床成为高速车铣复合加工机床，完成车、镗等加工工序。直接驱动的回转工作台的结构如图6所示。

图6  直接驱动的回转工作台

四、数控系统

Metrom P800M高速数控铣床采用德国Andron公司（www.andron.de）的开放式数控系统：Andronic 2000或Andtronic 2060。

Andronic 2060数控系统是新一代基于微机的、在Windows平台上的开放式数控系统。它采用由两个Intel处理器，通过PCI-PCI桥进行相互通信。一个处理器负责数控运算（数控计算机），另一个负责用户界面（人机界面计算机），备有InterBus-S、Profibus和CANbus三种现场总线，作为所有外设的I/O接口，保证了数控系统的开放性和灵活性。系统的操作面板和控制箱的外观如图7所示。

图7  Andronic 2060数控系统

Andronic 2060数控系统有两种配置，Andronic 2060S为紧凑型控制器，Andronic 2060L为高速型控制器。Andronic 2060S数控系统的内部硬件结构如图8所示。

图8  Androc 2060S系统

对于并联运动机床，特别是具有冗余数控轴的混联机床，如何使操作者仍然可以按照传统笛卡尔坐标的习惯，借助G和M代码进行数控编程，是非常必要的。并联运动机构，包括混联机构与笛卡尔坐标之间的转换由系统自动完成，无需人工干涉。因此，在Andronic 2060数控系统中嵌入了并联运动机构模块（PKM），进行不同坐标系的变换，如图9所示。

图9  并联运动坐标转换嵌入模块

五、应用举例

1. 5轴联动、5面加工

Metrom P800M型高速数控铣床可以完成5轴联动、5面加工，特别适合加工各种材料和形状复杂的零件和模具，如图10所示。

图10  5轴联动、5面加工

2. 铸造砂型直接铣削

铸造砂型无需木模而直接进行铣削加工是近来出现的一种新工艺。采用并联运动机床加以实现具有独特的优势：

(1)可以加工复杂细节部分；

(2)机床动态性能好，进给速度快，生产效率高；

(3)并联运动机床结构简单，没有导轨，沙尘防护问题也比较容易解决。

P2000型高速加工机床采用龙门式框架结构，由钢板焊接而成，工作台直径2000mm，具有冗余的回转B轴和移动U轴，如图11所示。

图11  P2000型机床的配置

P2000型机床的外观和在Direct Form公司加工铸造砂型的实况，如图12所示。

六、结束语

Metrom公司推出的新一代高速数控铣床结构简单，性能优越，具有广泛的应用前景。

高速加工不仅体现在主轴转速高，还需要运动部件的质量轻，数控系统反映快，运动速度和加速度高，才能够保证机床的动态性能良好，实现高速加工。

高速加工还需要重视刀具、刀柄的合理选择和配合，仅仅有高速加工机床，而没有高质量的刀具也无法实现高速加工。

高速加工特别要重视辅助时间的减少，不然加工时间缩短就无法产生应有的效益。

高速加工是一个系统工程，既包括机床、刀具、数控编程的集成，还需要技术管理水平和人员素质的配合，才能够产生经济效益。