當(dāng)前由于電站設(shè)備、海水淡化、化工設(shè)備和空調(diào)等行業(yè)迅猛發(fā)展，這些行業(yè)的板材需鉆、擴(kuò)成千上萬甚至數(shù)萬個(gè)孔。這些孔的公差及孔距均有相當(dāng)高的要求。一般鉆床無論從速度、精度和效率均難以達(dá)到如此高的要求(孔公差為±0.05mm) 。美國、日本等發(fā)達(dá)國家均研制多軸龍門鉆床，而我國只有沈陽生產(chǎn)二軸數(shù)控外排屑鉆床。為了滿足電站鍋爐制造的需要，有關(guān)廠進(jìn)口了多臺(tái)數(shù)控龍門鉆床，每臺(tái)高達(dá)數(shù)百萬美元。為填補(bǔ)國內(nèi)空白，上海精密機(jī)械制造有限公司，組織力量研制成功27軸大型數(shù)控龍門鉆床，其精度、效率均達(dá)到世界先進(jìn)水平。該機(jī)床可向二端延伸制成5軸，7軸，13軸，也可向高端35軸拓展(只有美國制造過) 。

　　1、ZKM27技術(shù)參數(shù)

　　鉆軸總數(shù)量27

　　軸加工范圍對(duì)φ30以下孔的定位，鉆，擴(kuò)，鉸孔

　　工作臺(tái)尺寸7500 ×5000 mm

　　最大加工面積7000 ×4500 mm

　　X軸行程7000 mm

　　Z軸行程630 mm

　　Y軸行程400 mm

　　X軸伺服電機(jī)功率，扭矩14 kW75 N& #8226;m

　　Z軸伺服電機(jī)功率，扭矩11 kW75 N& #8226;m

　　Y軸伺服電機(jī)功率5. 7 kW

　　機(jī)床總功率150 kW

　　數(shù)控系統(tǒng)FANUC—18 I

　　2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　2. 1 X軸行程

　　X軸驅(qū)動(dòng)，由FANUCα50伺服電機(jī)，經(jīng)1：10減速機(jī)增大扭矩，帶動(dòng)滾珠螺母旋轉(zhuǎn)，從而使十字拖板與龍門架在X向移動(dòng)。由于工件體積寵大，沉重，大型數(shù)據(jù)龍門鉆床，均是工作臺(tái)固定，龍門架移動(dòng)式。

　　二個(gè)滑臺(tái)由4組高精度直線導(dǎo)軌支承，龍門架跨距達(dá)6800mm，龍門架運(yùn)動(dòng)由左右二臺(tái)伺服電機(jī)嚴(yán)格同步。滾珠絲杠德國進(jìn)口，內(nèi)循環(huán)雙螺母形式，絲杠長(zhǎng)度達(dá)9500mm，其中螺紋長(zhǎng)7870mm。此滾珠絲杠的加工，熱處理，磨削都有相當(dāng)難度。螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠固定，大大減少了伺服電機(jī)所需的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與扭矩，也降低了對(duì)支承滾珠絲杠軸承的精度要求。X軸行程的檢測(cè)是由伺服電機(jī)軸所裝的高精度位置編碼器來實(shí)現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)X軸進(jìn)行了螺距誤差補(bǔ)償，保證鉆孔精度≤ ±0. 05mm。

圖1機(jī)床外形圖

　　2. 2 Z軸行程

　　鉆頭上下行程由二部分組成，一是橫向整體上下移動(dòng)，這是由二臺(tái)α50伺服電機(jī)完成的。二是主軸箱與鉆頭的上下運(yùn)動(dòng)，則是通過液壓油缸帶動(dòng)主軸箱體而完成。27軸，27個(gè)電磁閥，每一個(gè)電磁閥控制一個(gè)油缸上下。需鉆孔時(shí)，數(shù)控程序控制相應(yīng)電磁閥，使油缸帶主軸箱，鉆頭向下運(yùn)動(dòng)，使所需鉆孔的鉆頭突出在外，然后在Z向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，橫向下運(yùn)動(dòng)，完成鉆孔的動(dòng)作。如果鉆頭鈍化，斷裂，鉆削力成倍增大，則會(huì)自動(dòng)報(bào)警，橫向停止下降，保證鉆頭安全可靠。橫向上下由左右二臺(tái)α50Nm伺服電機(jī)，通過MF150SL1 1：10減速機(jī)，使?jié)L珠絲杠DF1 - 8010 - 4旋轉(zhuǎn)，橫平衡上下。FANUC18i使二個(gè)電機(jī)速度均衡，嚴(yán)格同步。因?yàn)闄M向和鉆頭切削負(fù)載的不均衡性，橫向左右兩側(cè)鉆頭多少不一，鉆頭橫刃磨損程度不一等原因，為此在橫向的左，中，右設(shè)計(jì)有三只平衡油缸，達(dá)到負(fù)載隨時(shí)均衡。

　　2. 3 Y軸行程

　　Y軸運(yùn)動(dòng)，是橫向在十字拖板作左右移動(dòng)。Y軸運(yùn)動(dòng)也是由伺服電機(jī)、減速機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使橫向移動(dòng)。橫向Y向移動(dòng)由左右各三根直線導(dǎo)軌支撐。整個(gè)橫向Y向剛性較好，行程較短(400mm) ，從圖中可知，只在左部裝有伺服電機(jī)，橫向右部Y向只有支承導(dǎo)軌。經(jīng)過大量工件切削性能試驗(yàn)，大跨距的龍門架移動(dòng)平穩(wěn)，定位精度高，沒有顫振現(xiàn)象。

　　2. 4 鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

　　27個(gè)鉆頭分成4組，分別為7 + 7 + 7 + 6 = 27，每一組由一個(gè)Y180L - A22kW電動(dòng)機(jī)通過減速箱變速，帶動(dòng)一組鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆頭轉(zhuǎn)速由減速箱手柄控制，有高、中、低多檔轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)鉆、擴(kuò)、鉸的需要。

　　本機(jī)床還有懸掛式吹氣排屑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

　　本機(jī)床申請(qǐng)了多項(xiàng)國家專利，上報(bào)了科技成果獎(jiǎng)。

　　3、數(shù)控系統(tǒng)及電氣控制

　　ZKM27機(jī)床的所有動(dòng)作都是由FANUC18 i—MB數(shù)控系統(tǒng)來控制執(zhí)行。就目前而言，該數(shù)控系統(tǒng)是一種較為理想的先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)。它具有許多特殊功能可以滿足ZKM27機(jī)床的要求。從它具有A I提前預(yù)測(cè)控制功能來說，ZKM27有27根鉆軸需要高速連續(xù)控制，需要編制多條加工程序段來控制動(dòng)作，如果采用以往的加工方式，往往會(huì)影響到加工節(jié)拍，現(xiàn)在能夠預(yù)先讀取多個(gè)加工程序段，實(shí)現(xiàn)鉆削速度最佳的加/減速控制，有效地提高了機(jī)床的加工速度和精度。此外它具有坐標(biāo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)功能，當(dāng)工件包含一些由某一個(gè)典型形狀旋轉(zhuǎn)得來的圖形時(shí)，在編程時(shí)，可以編一個(gè)該形狀的子程序，在旋轉(zhuǎn)以后調(diào)用它，給工件的編程帶來更多的靈活性。它還具有記憶型螺距誤差補(bǔ)償功能，對(duì)絲杠螺距誤差或機(jī)械系統(tǒng)中的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償數(shù)據(jù)以參數(shù)形式儲(chǔ)存在CNC存儲(chǔ)器中，為此能進(jìn)一步提高機(jī)床的定位精度。另外我們還可以使用用戶宏程序/宏執(zhí)行器編制各種加工程序，使一些復(fù)雜的加工程序變?yōu)楹?jiǎn)單易懂。

　　更重要的一點(diǎn)是它具有兩組兩軸同步運(yùn)行的功能，尤其是它的伺服HRV控制，通過旋轉(zhuǎn)平滑的伺服電機(jī)，高精度的電流檢測(cè)，高響應(yīng)和高分辨率的脈沖編碼器等硬件和伺服HRV控制的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高速高精度的進(jìn)給控制，使ZKM27中兩軸的同步運(yùn)動(dòng)更為理想。

　　本機(jī)床的電氣系統(tǒng)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)技術(shù)，充分結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理，廣泛應(yīng)用CAD等現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)手段和工具，使機(jī)床性能可靠，操作方便，控制自如。

　　ZKM27 采用了10. 4 吋的彩色LCD 液晶器顯示，畫面清楚。操作面板置于機(jī)床的正前方，操作面板采用FANUC的標(biāo)準(zhǔn)面板，并注有圖形符號(hào)和中文注譯。調(diào)整進(jìn)給速度開關(guān)設(shè)置在面板上，操作者可以根據(jù)切削加工過程中的實(shí)際情況修正切削參數(shù)，以便取得最佳的切削效果。

　　調(diào)整參數(shù)有：

　　快速進(jìn)給修正量：F0，10，50，100%4種。

　　工作進(jìn)給修正量：0，1，2，.，200%16種。

　　操作箱如圖3所示

圖3機(jī)床操作箱

　　大型的數(shù)控設(shè)備被廣泛地用于各種機(jī)械加工領(lǐng)域，為了滿足加工一些大體積，高精度的零部件需要。使用一些大型龍門式和橋式的數(shù)控設(shè)備，在使用中為了避免加減速運(yùn)動(dòng)過程中因扭矩不同而對(duì)龍門架或橋架造成的損害，往往采用了兩軸驅(qū)動(dòng)的同步控制。所謂同步控制，就是用一個(gè)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)指令驅(qū)動(dòng)一個(gè)主電機(jī)從而帶動(dòng)一個(gè)從動(dòng)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，通過對(duì)這兩個(gè)電機(jī)移動(dòng)量的檢測(cè)，將位移偏差反饋到數(shù)控系統(tǒng)而獲得同步誤差補(bǔ)償，將兩個(gè)電機(jī)之間的位移偏差量控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。ZKM27是一種龍門式的大型機(jī)械設(shè)備，機(jī)床采用了兩組同步控制的運(yùn)動(dòng)軸，即X向軸和Z向軸，分別采用了FANUC中α50 i伺服電機(jī)帶動(dòng)兩根滾珠絲桿組成的兩組同步軸控制。機(jī)床經(jīng)過調(diào)試之后，同步電機(jī)運(yùn)行平滑，具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和控制精度。

　　在大型數(shù)控設(shè)備中，由于其功率較大，通斷時(shí)電流突變很大，容易產(chǎn)生各種干擾。ZKM27的設(shè)備采用了大量的防干擾措施。尤其是重視對(duì)來自電網(wǎng)的輸入干擾，采用了一定的措施，對(duì)異常輸入起到保護(hù)作用。我們對(duì)本設(shè)備采用了單獨(dú)電網(wǎng)供電，防止其他設(shè)備的使用而引起電網(wǎng)內(nèi)的干擾。另外我們還利用浪涌吸收器，吸收來自本設(shè)備的電器元件的動(dòng)作而產(chǎn)生干擾，同時(shí)又能夠吸收輸入系統(tǒng)的額外噪聲信息信號(hào)。對(duì)于一些功率較大的電動(dòng)機(jī)，采用了星—三角形啟動(dòng)方式，以減小啟動(dòng)電流。對(duì)常用的電機(jī)，我們采用了線間保護(hù)措施，從而有效地抑制了來自線間的干擾。在電纜線分布中，我們嚴(yán)格的控制了信號(hào)線與動(dòng)力線的混裝，盡量減少它們之間信號(hào)的串?dāng)_。FANUC伺服放大器與系統(tǒng)之間的聯(lián)系采用了光纖( FSSB)連接，這樣又大大減少了系統(tǒng)對(duì)伺服間信號(hào)的干擾可能。

　　本機(jī)床的操作分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方法。設(shè)備的調(diào)試和外圍設(shè)備(冷卻，液壓等)啟動(dòng)，可通過手動(dòng)操作來實(shí)現(xiàn)，而機(jī)床的自動(dòng)運(yùn)行只有在自動(dòng)方式下通過程序來執(zhí)行。27 根鉆軸調(diào)試可通過MD I方式來實(shí)行。手動(dòng)操作和自動(dòng)操作是互相聯(lián)鎖的，在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，手動(dòng)操作無效，從而可以避免由于操作失誤，引起加工件的損壞。

　　本機(jī)床除了X，Z兩組同步軸聯(lián)動(dòng)之外，還有Y軸的左右移動(dòng)，27根深孔鉆軸的上下移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)的位置檢測(cè)，還有深孔鉆頭的磨損檢測(cè)等一切反饋信號(hào)應(yīng)及時(shí)，正確。這一切全由PLC來實(shí)現(xiàn)。FANUC18i系統(tǒng)采用了SB7版本的PLC來編制。其運(yùn)算速度極快，可達(dá)到0.03μ sec /步，而且容量可達(dá)64000步，這樣完全能滿足ZKM27機(jī)床的動(dòng)作復(fù)雜，要求高的需求。

　　數(shù)控裝置具有許多功能，能顯示機(jī)床的各種工作狀態(tài)，如各坐標(biāo)軸的目的位置，現(xiàn)在位置，實(shí)際進(jìn)給速度，機(jī)床的各種動(dòng)作信號(hào)等等。一旦加工過程中出現(xiàn)故障，自動(dòng)停機(jī)并顯示出故障內(nèi)容，操作人員可立即分析原因，排除故障，這樣就給維修工作帶來了很大的方便，也可減少設(shè)備的停機(jī)時(shí)間，提高機(jī)床的利用率。