新一代飛機的高性能、高質(zhì)量、短周期和低本錢研制要求，對制造技術(shù)尤其是結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。采用虛擬主軸的并聯(lián)機床剛度重量比大、響應速度快、精度高、效率高，故在數(shù)控加工行業(yè)得到越來越多的關(guān)注。20世紀末，為了尋求適應飛機結(jié)構(gòu)件的全新工藝方法和機床，德國某公司和空客公司合作開發(fā)了一種全新的滿足高精度、高剛性、率、低本錢的加工設(shè)備——虛擬軸五坐標高速臥式加工中心，2000年開始*地提供給空客、波音等世界主要飛機生產(chǎn)廠家。本文重點介紹該德國公司采用sprintz3萬向高速主軸并聯(lián)機床的工作原理及技術(shù)參數(shù)。由于sprintz3萬向高速主軸的使用，飛機結(jié)構(gòu)件得到高速、高精度的加工，并獲得的表面加工粗糙度。
設(shè)備介紹
并聯(lián)機床又稱虛擬軸機床，是并聯(lián)機器人技術(shù)與機床結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其原理為：在并聯(lián)機構(gòu)的動平臺上安裝主軸頭，動平臺帶動主軸頭實現(xiàn)多軸聯(lián)動。并聯(lián)機床與傳統(tǒng)數(shù)控機床將形成很強的上風互補，尤其在復雜曲面精密加工上具有十分廣闊的應用遠景，是目前上并聯(lián)機器人和*制造領(lǐng)域的一個研究熱門。
下面介紹該公司采用sprintz3萬向高速主軸的并聯(lián)機床技術(shù)參數(shù)及其特點。
1設(shè)備結(jié)構(gòu)及參數(shù)
該型虛擬軸機床是一款帶快速托盤交換裝置的高性能五軸加工中心，設(shè)備由床身、立柱、龍門框、可交換工作臺、萬向高速主軸、刀庫和控制系統(tǒng)等部分組成。機床采用設(shè)計sprintz3虛擬主軸頭，該主軸頭包含在立柱內(nèi)，可實現(xiàn)y、z、a及b軸的運動；而x軸的移動通過工作臺運動實現(xiàn)，同時工作臺的交換由2個可以旋轉(zhuǎn)90°四工位的工作臺交換站完成。各軸（線性軸和回轉(zhuǎn)軸）加速度達到9.81m/s2，快速進給速度達到50m/min，換刀速度1.8s，鏈式刀庫設(shè)計。
主要技術(shù)參數(shù)如下：
·x軸zui大行程：1600mm；
·y軸zui大行程：2500mm；
·z軸zui大行程：670mm/370mm（主軸±40°時）；
·a軸擺角行程：±40°；
·b軸擺角行程：±40°；
·工作臺尺寸：1200mm×1200mm；
·工作臺交換時間：10s；
·主軸zui高轉(zhuǎn)速：30000r/min；
·快速移動速度：50m/min；
·加速度：9.81m/s2；
·刀柄形式：hsk63a/80；
·刀庫容量：64把；
·主軸額定功率：80kw；
·主軸zui大扭矩：46n·m；
·t型槽寬度×間距×條數(shù)：22mm×125mm×7條。
數(shù)控機床主軸功率扭矩表如下圖所示。
2sprintz3萬向高速主軸
該系列加工中心的主要特點是采用了突破性的sprintz3型高速萬向主軸。該主軸利用三桿并聯(lián)機構(gòu)，可以同時完成主軸頭的直線和旋轉(zhuǎn)運動。其工作原理為：在主軸外框的內(nèi)壁上有120°均勻分布的軸向線性導軌，伺服電動機驅(qū)動導軌上的滑板前后移動，滑板通過板狀連桿和萬向鉸鏈與主軸部件的殼體相連。假如3塊滑板同步運動，則主軸部件做z方向的前后直線移動；假如3塊滑板不同步運動，就可以通過萬向鉸鏈使主軸部件沿a或b坐標在±40°范圍內(nèi)任意擺動。由于飛機機身一般采用薄壁零件，所以機床主軸z坐標的運動行程控制在670mm以內(nèi)，以進步主軸的靜態(tài)和動態(tài)剛度。
傳統(tǒng)主軸頭的a/c、a/b擺角加工有很多弊端，如空間窄小，在很小的空間內(nèi)要布置相應的機械傳動和水、電、氣的供給接口；采用摩擦離合器等構(gòu)件剛性差、易磨損，特別是a/c、a/b擺動的加速度很低。sprintz3主軸克服了這些弊端，zui大的特點是剛性好、功率大（80kw），擺動軸的加速度可達1g，因此對速度的響應特別快，運動更加平穩(wěn)，更適應連續(xù)角度變化的曲面加工。
3并聯(lián)機床的特性
傳統(tǒng)機床是按笛卡爾坐標將沿3個坐標軸線的移動x、y、z和繞3個坐標軸線的轉(zhuǎn)動a、b、c依次串聯(lián)疊加，形成所需要的刀具運動軌跡。并聯(lián)機床則是采用多種類型的桿機構(gòu)在空間移轉(zhuǎn)主軸部件，形成所需要的刀具運動軌跡的。并聯(lián)機床具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、剛度高、動態(tài)性能好等優(yōu)點，應用遠景十分廣闊。
并聯(lián)機床采用圓柱形的主體結(jié)構(gòu)；完成線形的自由移動，可實現(xiàn)直線加工或轉(zhuǎn)變成萬向擺動加工；zui小的移動質(zhì)量；zui高的移動速度和加速度；zui高的精度；適合盡大部分航空航天鋁結(jié)構(gòu)件的快速和高精度加工。快速移動50m/min；加速度達到9.81m/s2。而傳統(tǒng)的a/b擺角或a/c擺角的機床，由于空間和旋轉(zhuǎn)面聯(lián)接的限制、通過旋轉(zhuǎn)的摩擦面來傳送，因此輕易磨損，故障率高。
由于主軸的方向擺動是通過3個線性軸的運動實現(xiàn)的，而3個線性軸采用標準元件產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)簡單，因而主軸的可靠性、精度和壽命得到很大程度的進步；擺角的范圍加大而坐標的運動減少，因而加工效率高。另外，2臺機床共用一個裝夾交換站，可從降低本錢、進步使用效率，是飛機鋁合金結(jié)構(gòu)件加工的專業(yè)化機床；排屑好、效率高，達到傳統(tǒng)數(shù)控機床的2倍以上；適合加工薄壁整體壁板、整體框，能獲得較低的表面粗糙度值。
典型應用
ecospeedfht1000為五軸高速臥式加工中心，特別適合于加工尺寸規(guī)格為1000mm×1000mm的鋁合金預拉伸板材類零件。下面以某型民機產(chǎn)品飛機結(jié)構(gòu)件為例，從裝夾定位方案、刀具及切削參數(shù)選用、加工程序編制及仿真等方面介紹該機床的應用情況。
1裝夾定位方案
裝夾方式通常有2種：采用真空吸夾，適用于單面加工的零件；采用螺栓（沉孔）壓緊，適用于雙面加工的零件。為便于快速定位（拉直找正、確定原點），可在普通三坐標數(shù)控設(shè)備上加工出定位基準（如定位面、直角邊、工藝孔等）。該設(shè)備有2個交換工作臺，可在不停機的情況下提前做好下一個工裝和零件的裝夾預備，大大進步了設(shè)備的利用率。
2刀具和切削參數(shù)
為充分冷卻、延長刀具壽命，高速加工時宜采用內(nèi)冷結(jié)構(gòu)刀具，常用的有2種：整體合金內(nèi)冷高速銑刀和機夾式內(nèi)冷高速銑刀。機夾式內(nèi)冷高速銑刀由刀體、刀片、緊固螺釘組成，常用于高速粗加工往除余量，刀具外徑尺寸規(guī)格推薦系列：20mm、25mm、30mm、32mm、40mm、50mm，粗加工時盡量選用大直徑的刀具。整體合金內(nèi)冷高速銑刀常用于零件內(nèi)外形的精加工，刀具外徑尺寸規(guī)格推薦系列：10mm、12mm、16mm、20mm。為適應該設(shè)備的機械手、實現(xiàn)自動換刀，應選用hsk63a/80形式刀柄，其刀柄換刀卡槽結(jié)構(gòu)尺寸與其他高速銑設(shè)備不同。
在高速旋轉(zhuǎn)時，刀具的不平衡會對主軸系統(tǒng)產(chǎn)生附加的徑向載荷，其大小與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系，從而對刀具的安全性和加工質(zhì)量帶來不利的影響。因此，用于高速切削的銑刀必須經(jīng)過動平衡測試，并應該達到規(guī)定的平衡質(zhì)量等級，本設(shè)備對于高速銑刀不平衡質(zhì)量要求達到g2.5級。
銑削時可以根據(jù)被加工材料、刀具、工件的結(jié)構(gòu)特征選擇主軸轉(zhuǎn)速12000～28000r/min，加工進給7～15m/min。建議以大切深、徑向分層切削為主，切削寬控制在3mm以內(nèi)。
3加工程序編制及仿真
并聯(lián)高速機床編程除了要滿足通用要求外，還要留意：
（1）避免刀具側(cè)刃貼著零件側(cè)壁進退刀；
（2）避免在零件內(nèi)形銳角處直接進刀；
（3）除非預先制出進刀孔，不要把銑刀沿軸向切進毛料；
（4）進、退刀宏指令要仔細設(shè)好進給速度，避免極慢或極快的進退刀；
（5）五坐標加工時，在程序的開頭和結(jié)尾都要插進所有轉(zhuǎn)角回零程序段；
（6）對于進退刀宏指令不要賦予太多的功能；
（7）進刀速度選擇：以接近機床的zui大進給速度運行到距毛坯表面5～10mm，然后以加工速度的30％～50％切進毛坯；
（8）退刀速度選擇：以正常加工速度運行2mm，使刀具離開毛坯，然后以接近機床的zui大進給速度使刀具運行到安全區(qū)域。
虛擬主軸機床五軸開關(guān)始終是打開的，不答應手動加進，否則在自動換刀時會引起報警。程序頭加進“finishing”精加工（控制機床加速度）語句，加工中finishing可以獲得*的精度。
程序試切前必須經(jīng)過vericut加工仿真，讓“碰撞”發(fā)生在編程階段，避免重大損失；還可實現(xiàn)程序優(yōu)化，進步加工效率。
其他功能應用
1轉(zhuǎn)臺
利用bt90°轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)定角可補償擺角不足的加工。
2丈量探頭
丈量探頭（renishaw）用于零件的快速拉直找正、確定坐標原點。
3激光刀具治理和破損控制系統(tǒng)
激光刀具治理和破損控制系統(tǒng)（“blum”功能）用于刀具檢測和破損控制，檢測循環(huán)包括如下內(nèi)容：校對程序、刀具破損控制、單刃監(jiān)控、自動對刀具長度、直徑調(diào)整。
需要留意的是，在檢測開始之前，確定刀具已經(jīng)移開工件，并且避免碰撞；然后可以接近定義的檢測初始點。
結(jié)束語
并聯(lián)機床在我國航空產(chǎn)業(yè)中的應用處于起步階段，還有很多技術(shù)沒有把握，設(shè)備效率還不能得到發(fā)揮；此外，進口并聯(lián)機床價格昂貴，而國產(chǎn)設(shè)備質(zhì)量不過關(guān)。無論是設(shè)備制造，還是配套技術(shù)攻關(guān)，仍需進一步研究。