五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工中心基本知識(shí)介紹

        幾十年來(lái)，人們普遍認(rèn)為五軸數(shù)控加工技術(shù)是加工連續(xù)、平滑、復(fù)雜曲面的惟一手段。一旦人們?cè)谠O(shè)計(jì)、制造復(fù)雜曲面遇到無(wú)法解決的難題，就會(huì)求助五軸加工技術(shù)。早在20世紀(jì)60年代，國(guó)外航空工業(yè)生產(chǎn)中就開(kāi)始采用五軸數(shù)控銑床。目前五軸數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用仍然局限于航空、航天及其相關(guān)工業(yè)。

　　五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控是數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)，它集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動(dòng)化加工。國(guó)際上把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化水平的標(biāo)志。由于其特殊的地位，特別是對(duì)于航空、航天、軍事工業(yè)的重要影響，以及技術(shù)上的復(fù)雜性，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一 直把五軸數(shù)控系統(tǒng)作為戰(zhàn)略物資實(shí)行出口許可證制度，對(duì)我國(guó)實(shí)行禁運(yùn)。因而，研究五軸數(shù)控加工技術(shù)對(duì)國(guó)家科技力量和綜合國(guó)力的提高有重要意義。 

符合數(shù)控機(jī)床發(fā)展的新方向 

　　近幾年國(guó)際、國(guó)內(nèi)機(jī)床展表明，數(shù)控機(jī)床正朝著高速度、高精度、復(fù)合化的方向發(fā)展。復(fù)合化的目標(biāo)是在一臺(tái)機(jī)床上利用一次裝夾完成大部分或全部切削加工，以保證工件的位置精度，提高加工效率。國(guó)外數(shù)控鏜銑床、加工中心為適應(yīng)多面體和曲面零件加工，均采用多軸加工技術(shù)，包括五軸聯(lián)動(dòng)功能。在加工中心上擴(kuò)展五軸聯(lián)動(dòng)功能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系統(tǒng)的進(jìn)一步集成化。最近國(guó)際機(jī)床業(yè)出現(xiàn)了一個(gè)新概念，即萬(wàn)能加工，數(shù)控機(jī)床既能車削又能進(jìn)行五軸銑削加工。五軸數(shù)控機(jī)床在國(guó)內(nèi)外的實(shí)際應(yīng)用表明，其加工效率相當(dāng)于兩臺(tái)三軸機(jī)床，甚至可以完全省去某些大型自動(dòng)化生產(chǎn)流水線的投資，大大節(jié)約了占地空間和工件在不同制造單元之間的周轉(zhuǎn)運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間和花費(fèi)。

　　發(fā)展和推廣的難點(diǎn)及阻力何在

　　顯然，人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到五軸數(shù)控技術(shù)的優(yōu)越性和重要性。但到目前為止，五軸數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用仍然局限于少數(shù)資金雄厚的部門，并且仍然存在尚未解決的難題。五軸數(shù)控技術(shù)為何久久未能得以廣泛普及？五軸數(shù)控加工由于干涉和刀具在加工空間的位姿控制，其數(shù)控編程、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比三軸機(jī)床復(fù)雜得多。目前，五軸數(shù)控技術(shù)在全球范圍 內(nèi)普遍存在以下問(wèn)題。 

　　五軸數(shù)控編程抽象、操作困難

　　這是每一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問(wèn)題。三軸機(jī)床只有直線坐標(biāo)軸，而五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)形式多樣；同一段NC代碼可以在不同的三軸數(shù)控機(jī)床上獲得同樣的加工效果，但某一種五軸機(jī)床的NC代碼卻不能適用于所有類型的五軸機(jī)床。數(shù)控編程除了直線運(yùn)動(dòng)之外，還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)計(jì)算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗(yàn)、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算等，處理的信息量很大，數(shù)控編程極其抽象。

　　刀具半徑補(bǔ)償困難

　　在五軸聯(lián)動(dòng)NC程序中，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能仍然有效，而刀具半徑補(bǔ)償卻失效了。以圓柱銑刀進(jìn)行接觸成形銑削時(shí)，需要對(duì)不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC系統(tǒng)均無(wú)法完成刀具半徑補(bǔ)償，因?yàn)镮SO文件中沒(méi)有提供足夠的數(shù)據(jù)對(duì)刀具位置進(jìn)行重新計(jì)算。用戶在進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)需要頻繁換刀或調(diào)整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應(yīng)送回CAM系統(tǒng)重新進(jìn)行計(jì)算。從而導(dǎo)致整個(gè)加工過(guò)程效率十分低下。 

　　對(duì)這個(gè)問(wèn)題的最終解決方案，有賴于引入新一代CNC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識(shí)別通用格式的工件模型文件(如STEP等)或CAD系統(tǒng)文件。 

　　購(gòu)置機(jī)床需大量投資 

　　以前五軸機(jī)床和三軸機(jī)床之間的價(jià)格懸殊很大�，F(xiàn)在，三軸機(jī)床附加一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸基本上就是普通三軸機(jī)床的價(jià)格，這種機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)多軸機(jī)床的功能。同時(shí)，五軸機(jī)床的價(jià)格也僅僅比三軸機(jī)床的價(jià)格高出30%～50%。 

　　除了機(jī)床本身的投資之外，還必須對(duì)CAD/CAM系統(tǒng)軟件和后置處理器進(jìn)行升級(jí)，使之適應(yīng)五軸加工的要求；必須對(duì)校驗(yàn)程序進(jìn)行升級(jí)，使之能夠?qū)φ麄�(gè)機(jī)床進(jìn)行仿真處理。

　　國(guó)內(nèi)五軸數(shù)控技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與市場(chǎng)分析 

　　五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，是電力、船舶、航空航天、高精密儀器等民用工業(yè)和軍事工業(yè)等部門迫切需要的關(guān)鍵加工設(shè)備。西方發(fā)達(dá)國(guó)家長(zhǎng)期對(duì)我國(guó)實(shí)行禁運(yùn)。 

　　從1999年開(kāi)始，在CIMT、CCMT等國(guó)際、國(guó)內(nèi)機(jī)床展覽會(huì)上，首先是國(guó)內(nèi)的五軸數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品紛紛亮相，國(guó)內(nèi)五軸數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)逐漸打開(kāi)，隨后國(guó)際機(jī)床巨頭紛至沓來(lái)，五軸數(shù)控機(jī)床的品種和數(shù)量逐年上升：CIM T99、CCMT2000分別推出3臺(tái)國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床；CIMT2001國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，北京第一機(jī)床廠和桂林機(jī)床股份有限公司分別展出了主軸轉(zhuǎn)速10000r/min的五軸高速龍門加工中心，北京市機(jī)電院的主軸轉(zhuǎn)速15 000r/min 的五軸高速立式加工中心；清華大學(xué)與昆明機(jī)床股份有限公司聯(lián)合研制的XNZ63，采用標(biāo)準(zhǔn)Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)六自由度聯(lián)動(dòng)；大連機(jī)床廠自行研制的串并聯(lián)機(jī)床 DCB—510，其數(shù)控系統(tǒng)由清華大學(xué)開(kāi)發(fā)，該機(jī)床通過(guò)并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸直線運(yùn)動(dòng)，由串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A、C軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，其直線快速進(jìn)給速度可達(dá)80m/min。這些機(jī)床均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，體現(xiàn)出我國(guó)機(jī)床工業(yè)為國(guó)防尖端工業(yè)發(fā)展提供裝備的實(shí)力又有突破性提高。中國(guó)機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，利用自己研制的高、精、尖產(chǎn)品參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，打破了國(guó)際技術(shù)壟斷，國(guó)際機(jī)床巨頭們不愿失去中國(guó)這個(gè)大有潛力可挖的市場(chǎng)，于是蜂擁而來(lái)，把他們的產(chǎn)品“送上門來(lái)”：國(guó)外展團(tuán)共展出五軸加工中心8臺(tái)、五軸車銑加工中心1臺(tái)、五軸數(shù)控刀具磨床5臺(tái)。

　　我國(guó)數(shù)控技術(shù)及其設(shè)備在各工業(yè)部門中的應(yīng)用整體水平仍然偏低，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距很大。為了實(shí)現(xiàn)“十五”規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)，各部門迫切需要進(jìn)一步大力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，亟須配置大量的各類工藝設(shè)備，尤其是數(shù)控機(jī)床設(shè)備。對(duì)于數(shù)控機(jī)床設(shè)備的主要技術(shù)要求是多軸、高速、剛性好、功率大；對(duì)坐標(biāo)數(shù)的需求，以三至五軸聯(lián)動(dòng)為主。對(duì)于關(guān)鍵零件形狀復(fù)雜的行業(yè)，如航空、電力、船舶、模具制造業(yè)等，其生產(chǎn)部門對(duì)多軸機(jī)床要求比例較大，新增五軸數(shù)控機(jī)床大約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的70%～80%。 

　裝備制造業(yè)是一國(guó)工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家，也無(wú)不高度重視。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的需要，對(duì)高檔的數(shù)控機(jī)床提出了急迫的大量需求。機(jī)床是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的象征。而代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，從某種意義上說(shuō)，反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。長(zhǎng)期以來(lái)，以美國(guó)為首的西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，一直把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實(shí)行出口許可證制度。特別是冷戰(zhàn)時(shí)期，對(duì)中國(guó)、前蘇聯(lián)等社會(huì)主義陣營(yíng)實(shí)行封鎖禁運(yùn)。愛(ài)好軍事的朋友可能知道著名的“東芝事件”：上世紀(jì)末，□□□東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床，結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進(jìn)螺旋槳，上了幾個(gè)檔次，使美國(guó)間蝶船的聲納監(jiān)聽(tīng)不到潛艇的聲音了，所以美國(guó)以東芝公司違反了戰(zhàn)略物資禁運(yùn)政策，要懲處東芝公司。由此可見(jiàn)，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國(guó)家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力。 現(xiàn)在，大家普遍認(rèn)為，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等等加工的唯一手段。所以，每當(dāng)人們?cè)谠O(shè)計(jì)、研制復(fù)雜曲面遇到無(wú)法解決的難題時(shí)，往往轉(zhuǎn)向求助五軸數(shù)控系統(tǒng)。由于五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)價(jià)格十分昂貴，加之NC程序制作較難，使五軸系統(tǒng)難以“平民”化應(yīng)用。但近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)取得了突破性發(fā)展，珊星公司等中國(guó)多家數(shù)控企業(yè)，紛紛推出五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，打破了外國(guó)的技術(shù)封鎖，占領(lǐng)了這一戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的至高點(diǎn)，大大降低了其應(yīng)用成本，從而使中國(guó)裝備制造業(yè)迎來(lái)了一個(gè)嶄新的時(shí)代！以信息技術(shù)為代表的現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展對(duì)裝備制造業(yè)注入了強(qiáng)勁的動(dòng)力，同時(shí)也對(duì)它提出更強(qiáng)要求，更加突出了機(jī)械裝備制造業(yè)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化載體在推動(dòng)整個(gè)社會(huì)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)中無(wú)可替代的基礎(chǔ)作用。作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和技術(shù)升級(jí)的原動(dòng)力，以五軸聯(lián)動(dòng)為標(biāo)志的機(jī)械裝備制造業(yè)將伴隨著高新技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而共同進(jìn)步。中國(guó)不僅要做世界制造的大國(guó)，更要做世界制造強(qiáng)國(guó)！預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，隨著五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的普及推廣，必將為中國(guó)成為世界最強(qiáng)國(guó)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！

　  加工中心一般分為立式加工中心和臥式加工中心，立式加工中心（三軸）最有效的加工面僅為工件的頂面，臥式加工中心借助回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，也只能完成工件的四面加工。目前高檔的加工中心正朝著五軸控制的方向發(fā)展，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心有高效率、高精度的特點(diǎn)，工件一次裝夾就可完成五面體的加工。如配置上五軸聯(lián)動(dòng)的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對(duì)復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行高精度加工，更能夠適宜象汽車零部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等現(xiàn)代模具的加工。立式五軸加工中心這類加工中心的回轉(zhuǎn)軸有兩種方式，一種是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸。設(shè)置在床身上的工作臺(tái)可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸一般工作范圍+30度至-120度。工作臺(tái)的中間還設(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)，環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是360度回轉(zhuǎn)。這樣通過(guò)A軸與C軸的組合，固定在工作臺(tái)上的工件除了底面之外，其余的五個(gè)面都可以由立式主軸進(jìn)行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001度，這樣又可以把工件細(xì)分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如與XYZ三直線軸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，就可加工出復(fù)雜的空間曲面，當(dāng)然這需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。這種設(shè)置方式的優(yōu)點(diǎn)是主軸的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺(tái)不能設(shè)計(jì)太大，承重也較小，特別是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)大于等于90度時(shí)，工件切削時(shí)會(huì)對(duì)工作臺(tái)帶來(lái)很大的承載力 矩。 另一種是依靠立式主軸頭的回轉(zhuǎn)。主軸前端是一個(gè)回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞Z軸360度，成為C軸，回轉(zhuǎn)頭上還有帶可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，一般可達(dá)±90度以上，實(shí)現(xiàn)上述同樣的功能。這種設(shè)置方式的優(yōu)點(diǎn)是主軸加工非常靈活，工作臺(tái)也可以設(shè)計(jì)的非常大，客機(jī)龐大的機(jī)身、巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)殼都可以在這類加工中心上加工。這種設(shè)計(jì)還有一大優(yōu)點(diǎn)：我們?cè)谑褂们蛎驺姷都庸で�面時(shí)，當(dāng)?shù)毒咧行木�垂直于加工面時(shí)，由于球面銑刀的頂點(diǎn)線速度為零，頂點(diǎn)切出的工件表面質(zhì)量會(huì)很差，采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)，令主軸相對(duì)工件轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，使球面銑刀避開(kāi)頂點(diǎn)切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)非常受模具高精度曲面加工的歡迎，這是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。為了達(dá)到回轉(zhuǎn)的高精度，高檔的回轉(zhuǎn)軸還配置了圓光柵尺反饋，分度精度都在幾秒以內(nèi)，當(dāng)然這類主軸的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本也較高。