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臥式五軸加工中心技術研究

2018-9-27 來源（yuán）：上海新力機器廠作者：唐鴻雁萬齊（qí）訪袁邦輝楊冬冬邵憧

摘要：五軸加工中心在複雜零件加工中得到（dào）廣泛應用。本文重點介紹了臥式五軸加工中心技術，為臥式五軸加工中心的研發、生產製造（zào）、加工、裝配到調試等諸多方麵提供參考（kǎo）。

關鍵詞：五軸加工中心；研發；生產製造

0 引言

五軸加工中心廣泛應用（yòng）與複雜零件加工中，CNC 數（shù）控萬能（néng）銑床的突出特點（diǎn）是其創新的機床結構（gòu）。是基於其他航空航天（tiān）技術研製單位的技術需求，針對航空航天（tiān）領域中的機（jī）匣（xiá）、葉輪等有複（fù）雜型麵的（de）零件加工的加（jiā）工難度大、精度難保證以及效率低的難題所開展的機床研發項目。

目標是實現五軸（zhóu）加工中心技術的國（guó）產化並在軍工產品加工領域中得以推廣（guǎng），根據（jù）客戶（hù）需求，攻克機床總體設計與裝配技術、高速高精（jīng）度五軸數控係統應用等技術。所（suǒ）以在臥式五軸加工中心的研發、生產製造、加工、裝配到調試等諸多方麵，都具有相（xiàng）當大的挑戰性。

1 、臥式五軸加工中心技術的介紹

1.1 五軸數控加工中心總體設計與裝（zhuāng）配

五軸機床必須具備（bèi）良好的剛（gāng）性，以能夠對抗振動，機（jī）床的立柱、床身（shēn）均采用特殊結構的具有合理筋（jīn）板和筋（jīn）格布局的鑄件構成（chéng），保證機床具有很高的精度穩定（dìng）性和剛性，不會因（yīn）擺動頭在不（bú）同的傾角、轉速（sù）與扭（niǔ）矩下，產生不同（tóng）的切削力而（ér）發生運行不穩、爬行、振動及彈性變形，從而影響工件的平直度、光潔度與曲麵的精度。

通過對不（bú）同床身材料、不同筋板結構、不同（tóng）側壁及筋板厚（hòu）度對高速機（jī）床靜動（dòng）態特性影響對比。

1.2 五軸數控加工中心參（cān）數化建模和數值模擬分析（xī）

麵向航空航（háng）天零件的複雜結構，機（jī）械加工設備必須保證自（zì）身（shēn）的穩定性。采用參數化設計方法建立（lì）加（jiā）工中心的三維模型，並利用 ANSYS 有限（xiàn）元對加工中心進行總體結構動靜態分析與優化，增強機床強度與穩定（dìng）性；對五軸加工中心進行熱穩定性評估，即研（yán）究切削工況變化等工藝條件對數控機（jī）床（chuáng）熱穩（wěn）定的影響，采用機身自身恒溫技術，對國產數控機床熱穩定性進行評估；開展高（gāo）速精密大功率緊湊型主軸（zhóu）的設計與（yǔ）開發，進（jìn）行主（zhǔ）軸（zhóu）功能部件（jiàn）的動靜態性能分析及數控（kòng）係統適用（yòng）性評估。

針對關鍵部分的薄弱（ruò）環節及（jí）其對整機結構動態特性的影響，進行綜合優化設計，為（wéi）整機的工（gōng）作性能設計提供科學依據。

1.3 高速高精度五軸聯動數控係統應用技術

五軸加工小線段軌（guǐ）跡到參數樣條軌跡的實（shí）時轉換（huàn）。研究五軸加工（gōng）刀具路徑的解析光順算法，同時保證近似誤差約束（shù）、參數化同步約束、曲率連續約束等決定插補速度與精度（dù）的關鍵約束，將工作坐標和機（jī）床坐標係下的線性刀具路徑實時擬合為曲率連續的刀具軌跡，在工作坐標係下（xià）的（de）光順可以將（jiāng）線性（xìng）刀具軌跡轉化為雙樣條軌跡（jì），在機床坐標係下，將三個（gè）平動軸和兩個旋轉軸分別（bié）轉化為（wéi）曲率連（lián）續（xù）的（de）曲線，提高（gāo）小線段軌跡插補的速度和平穩性（xìng）。參數樣條刀具路徑（jìng）插補與實（shí）時速度規劃。

研究五軸機（jī）床插補精度及機床各軸伺服能力（lì）的綜（zōng）合約束，分析最大可行進給（gěi）速度和進給加速度獲得各（gè）軸可行區域，研究以時間最優為目標的雙向掃描自適應速度規劃。五軸離散刀位文件和機床坐標（biāo）係下刀軸方向的光（guāng）順。

建立刀軸方向在（zài）工件坐標係下的光順性（xìng）度量，以及結（jié）合數控機床旋轉軸結構的旋轉軸（zhóu）運動光順性度量（liàng），根據刀尖點軌跡的長度，建立研（yán）究刀軸方向光（guāng）順性評價方法。針對刀位數據規模大的特點引入（rù）滑動窗口，建（jiàn）立窗口範圍內刀軸方向光順性的動態規劃模型以及求解方法，研究在（zài）滿足（zú）刀心點軌跡誤差（chà）的約束下，刀（dāo）軸方向整體光順方法，降低旋轉軸的速度（dù）波動.五軸數控係統平台與集成應用。

以自主知（zhī）識（shí）產（chǎn）權開放式數（shù）控平台的五軸 CNC 係統為基礎，集成刀軸方向光順、小線段加工軌跡的實時樣條化和參（cān）數樣條路徑實時插補功能（néng），根據五軸機床動力學參數約束模型，實現與數控係統（tǒng）的高速、高精（jīng）度五軸聯動控製的最優匹配。

1.4 五軸機床動（dòng）態誤差和體積誤差的檢測與補（bǔ）償技術（shù）

研究五軸機床的（de）運動關係誤差模型，分析五軸數控機床存在的空間定位（wèi）誤差，利用坐標變換方法，通過在基座上建立（lì）基坐標係（參考坐標係（xì）），建（jiàn）立刀具、主軸到機架之間的“刀具一機架”運動鏈和工件到機架之間的“工件一機架”運動（dòng）鏈之間的變換關係，建立三種不同類型五軸數控機床的空間誤差綜合模型。

研（yán）究五軸機床動態誤差和體積誤差檢測（cè）方法，研究球杆儀對五軸數控機床進行三軸圓路徑、旋轉軸路（lù）徑、五軸聯（lián）動路徑的動態運動檢測，分析各軸（zhóu）反向（xiàng）性能（néng）、伺服（fú）匹配（pèi）性能、振動性（xìng）能等；研究（jiū）在線探針與標準球或其他標準形狀配合進行五軸機（jī）床幾何誤差檢測（cè）的檢測路徑、數據誤差分離；研（yán）究激光跟蹤儀對五（wǔ）軸機床進行平（píng）動軸和旋轉軸空間精度檢測方法並進行誤差分離。

從檢測精度（dù）、檢測效率、使用成本（běn）及誤差分離算法等角度進行優化選擇搭配。研究五軸（zhóu）機（jī）床的空間誤差補償方法。根據機床誤差模型，進行五軸機（jī）床空間誤差補（bǔ）償方法的研究（jiū），獲得五軸機床所包含的（de） 43 項幾何誤差的補償算法。

補償（cháng）的方式分成三種，一種是在配備具有空間誤差補償功能的數控係統的機床上進行試驗，可（kě）以分析（xī）確認所研究的檢測（cè）方法和誤差分離算法的正確性；一（yī）種是在沒（méi）有配備該功能的數控機床上試驗，通過將（jiāng）補償數據反應到加工 NC 代碼的角度，通過檢（jiǎn）測零件的（de）精度變（biàn）化情況，分析補償效果。進行五軸（zhóu）機床空間誤差補償試驗。

根據（jù）獲得的大量機床檢（jiǎn）測數據，應用誤差分離（lí）算法，獲得五軸機床的全（quán）部必要的誤差項（xiàng）數值，應用所研究的（de）空間誤差補償算法，並進行補（bǔ）償試驗（yàn），分析補償效果（guǒ），改進檢測和補償方法。

1.5 數控加工中（zhōng）心刀具狀態監測與智能刀具選配技術

五軸數控加工（gōng）中心的刀具種類（lèi）繁多，刀具選配需要綜合（hé）考慮加工工藝、刀具庫存（cún）和（hé）刀具（jù）剩（shèng）餘壽命（mìng）等因（yīn）素，以確保產品加工高效、可靠地完成。首先，利用功率傳感器和ARM 嵌入式係統開發刀具加工過程中的功率監測係（xì）統，建（jiàn）立刀具（jù）加工的實時功率（lǜ）消耗數數據庫，利（lì）用貝葉斯（sī）方法統計、分析刀具磨損過（guò）程的功率消耗特征值，實現刀具健康狀態監控；依據生產現場的實際加工數據，匹配刀具磨損的功率消耗特征值，實現刀具剩餘壽命的預測。

然後，依據刀具種類、材料、刀柄（bǐng）和規格參數等進行分類，研究並建立刀具編碼體係，開發（fā）刀具基礎數據管理係統，刀（dāo）具庫存管理係統，工藝參（cān）數管理係統，集成刀具立體倉庫（kù）和刀具健（jiàn）康狀態監控係統，開發刀具二維碼打印與識別係統，實現（xiàn）刀具選用、出庫、配送、加工（gōng）、入（rù）庫、維修和報廢等全生命周期的管（guǎn）理，為刀具選用提（tí）供工藝、刀具規格、刀具數量和刀具剩（shèng）餘壽命等較全麵的數據支持。

最後，開發數控機床、刀（dāo）具、工藝參數、數控程序和工件等數控工藝（yì）係統數據庫；結合（hé）產品（pǐn）加（jiā）工的工藝規程，利用（yòng）工（gōng）藝數據庫，提取工藝（yì）特征參數，利用（yòng）刀具基礎數據管（guǎn）理係（xì）統，提取刀具特征參數，設計基於粗糙集的工藝相似度、刀（dāo）具相似度（dù）、工藝與（yǔ）刀具（jù）相似度匹配計算方法，利用曆史數據挖掘關鍵特征，實現刀具類型的選配；在此基礎上，結合刀具健（jiàn）康狀態監控係統和剩餘壽命（mìng）預測，實（shí）現最終刀具的（de）匹配。

2、結論與展望

五軸加工中（zhōng）心的研發、生產製造、加工、裝配到調試對實（shí）現（xiàn）五（wǔ）軸加工中心技術的國產化（huà）具有重要意（yì）義。攻（gōng）克（kè）機床總體設計與裝配技術、高速高精度（dù）五軸（zhóu）數（shù）控係統應用等（děng）技（jì）術是未來五軸加工（gōng）中（zhōng）心的重點發展方向。

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