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BPX5D五軸數控工具（jù）磨（mó）床的研發與應用

2020-11-30 來源：台州北平機床有限公司作者：-

一、概述

機（jī）床裝備是國家製造業的基礎，高端數控（kòng）機床裝備的技（jì）術創新從未停步。高精度數控機床（chuáng）廣泛應用於國防軍工、航空航天、精密醫療器械、3C、汽車、模具等重點工業（yè）和新興產業，高精度機床作為工業生（shēng）產母機，堪稱“製造業的靈魂”。多年來，歐美發達國家對我國實行持續的技（jì）術封鎖，突破封鎖、實現核心技術自主（zhǔ）可控是亟待（dài）解（jiě）決的重點難題，也是中華（huá）民（mín）族崛起和複興的重要保障。

“工欲善其事，必先利其器”，隨著新技術、新材料的不斷出現，對產品應用過程中的加工精度和表麵粗糙（cāo）度提出了更高的（de）要求，人們對現代工業產品的外表及內在精度要（yào）求的不斷提高是促使現代機床向著高精高速（sù）化（huà）發展的內在源（yuán）動力，優良的產品不僅是企業增強核心競爭力、提高產品附加值的重要保證，也是時代發展的（de）大勢。

高精（jīng）度刀具是（shì）高品（pǐn）質（zhì）產品製造的根本保障，也是工具磨床製造業發展的內在動力。高精度數控五軸工具（jù）磨床是數控磨床的優秀代表，在解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、大型柴油機曲軸等（děng）複雜曲麵的機械零部件加工方麵具有獨（dú）特優勢。

當前國產五軸數控磨床境況（kuàng）堪憂，低端同（tóng）質化競爭，中端價格混戰，高端領域失守。高精度五軸數控工具磨床是刀具（jù）生產過程中的核心設（shè）備，國（guó）內高端應（yīng）用市場中，高精度刀（dāo）具有6成（chéng）以上來自（zì）進口，五軸數控工具磨床的進口占比更是高達8成以上，因此，整合國內優秀刀具及核心零部件生（shēng）產（chǎn）企業協同創新，對於突（tū）破高端五軸數控工具磨床（chuáng）核心技術的境外（wài）封鎖，進一步實現（xiàn）設備及（jí）刀具產業的核心技術自主可控和進口替代具有重要意義，集中產業優勢資源進行（háng）卡脖子技術的專項突（tū）破勢在必行，是補全高端磨床產業鏈，實現高端製造核心技術自主（zhǔ）可控中不可忽視的重要一環。

大國製造的口碑是通過無數產品品質的（de）提升逐步（bù）實現的，在崛起（qǐ）過程中，國內市場對於五軸數控工具磨床的加工精度以及加工效（xiào）率提出了更高的技術要求：生產刀具（jù）的尺寸及形位公差要（yào）小於0.005mm；國外高端數（shù）控工具磨床如：瑞士ROLLOMATIC、德國（guó）WALTER、澳大（dà）利亞（yà）ANCA、德國 SCAACA、VOLLME等，有著極高的加工精度和生產效率，在運行穩定性方麵的表現尤為（wéi）出色，贏得全球高（gāo）精密工（gōng）具生產（chǎn）企業的青睞，這些數據表現源自其背後眾多（duō）核心技術的支撐。國（guó）產高端磨床和高精密刀具要想實現進口替代還（hái）有很多核心技術（shù）需要攻（gōng）克，協同創新依然任重道遠。

目前（qián）國內高端數控磨床的研發和生產單位主要包括台州北平機床有限公司、武（wǔ）漢機床、大連科德等，國內進（jìn）口（kǒu）產品（pǐn）主要包括瑞士ROLLOMATIC、德國WALTER、澳大利亞ANCA、德國SAACKE、VOLLME、美國STAR等。其主要技（jì）術參數對比如下表：

國內外工具磨床技（jì）術參數對比表

數控工具磨床的技（jì）術關鍵在於：機床的精度、機床運行的可靠性與穩定（dìng）性，加工效率及五軸聯動伺（sì）服控製技術、與機械部分高（gāo）度適配的磨削軟件。北平機床自2008年來，一直致力於五軸聯動控製技術與自主磨削軟件的研發，與美國同行和數控係統供應商開展深（shēn）度合作創新，五軸聯動伺服（fú）控製係統的自主化程度大步推進（jìn），已逐步實現進口替代。通過多年不斷的創新研發，北（běi）平機床擁有自主軟件著作權的磨削軟件5款，全麵（miàn）涵蓋工具（jù）磨削、外圓磨削、絲錐生產，北（běi）平機床的五軸數控工具磨床、數控外圓磨床、數控絲錐（zhuī）生產線、工業機器人廣泛應用於國防軍工（gōng）、航（háng）空航天、汽車、3C以（yǐ）及精密刀具/零件生產企業（yè）。

BPX5D五軸數控工具磨（mó）床是北平（píng）技術（shù）攻關團（tuán）隊為滿足用戶高效加工高精密刀具的需求，借力歐洲技術支持團隊在已開發的五軸數（shù）控工（gōng）具磨床BPX5的基礎上持續進行多項（xiàng）技術創新，自主（zhǔ）研發生產的成果。BPX5D應用了多項（xiàng）發明專利，其主要技術指標達到國內領（lǐng）先，國際先進水平，該項目的（de）研製成功，不僅提升了我國（guó）此類數控高端裝備的水（shuǐ）平，也打破了國外在高端數控工具磨床領域的壟（lǒng）斷和封鎖，為企業開拓了新的（de）產品市場，同時取得了良好的經濟和社會（huì）效益。

二、產品（pǐn）性能介紹

BPX5D數（shù）控工具磨床具有高精度、高剛性、五軸聯動、高效率等特（tè）點，機床配置直線/直驅電機，覆蓋直線（xiàn）軸伺服控製技術（shù）、精密測量技術（shù）、計算機軟件（jiàn）技術（shù）、複雜刀具設計技術等多維度學科，是多種核心支撐技術的有機結合（hé），是一款典型的高（gāo）檔數控工具磨床：

圖1 BPX5D高精度五軸數控工具磨床

BPX5D高精度（dù）五（wǔ）軸數控（kòng）工具磨床，八軸五聯動配置（zhì）：擁有5個（gè）伺服主軸及（jí）3個直角坐標係機械手伺（sì）服軸（zhóu），所有直線軸均（jun1）采用直線電機配（pèi）置高精度直線光柵（shān），所有旋轉軸均采用直驅電機配置高精度圓光柵，工件軸采用精密級彈性筒夾，搭配高精度輔助（zhù）支撐裝（zhuāng）置有效地（dì）保證刀具的加工精度。高可靠性的直角機械手（shǒu）機構可（kě）實現大批量無人化生產，高精度配置（zhì）及人性化操作軟件為終端用戶製造高性能和高附加值的專業性刀具、修磨高質量刀具提供更加專業化、智能化（huà）的磨削解決方案。BPX5D高精度五軸數控工具磨床在應用中表現出色（sè），其加工精度、加工效率等均達到了國際先進（jìn）水（shuǐ）平，主要技術參數如下：

加工工（gōng）件長度：200mm；

工件直徑範圍（wéi）：1~16/25mm；

工件炳部直徑範圍：3~25mm；

X軸（工件水平移動）：440 mm；

Z軸（工件垂直）：280mm；

Y軸（磨軸前後行程）：280mm；

B軸（工件擺動）：-15°~165°；

C軸（zhóu） (工件旋轉)：任意；

直線軸最大運行速（sù）度：20m/min；

直線軸分辨率：0.0001mm；

直線軸重複定位精度：0.00046mm；

直線軸定（dìng）位精（jīng）度：0.0016mm；

旋轉軸分辨率：0.0001°；

旋轉（zhuǎn）軸定位精度：5”；

砂（shā）輪主軸功率：12.5/20/37kW；

主軸轉（zhuǎn）速：10000 r/min（MAX）；

砂輪最大直徑（jìng）：150mm；

自動裝卸料：三軸（zhóu）機械手。

三、新技術應用情況

高端五軸工具磨床應具備（bèi）以下幾大特（tè）點：高精度、高剛性，極佳的可操作性、出色的機床運行穩定性（xìng）和加工可靠性，實（shí）現（xiàn）柔性（xìng）化、無人化生產。

BPX5D高精度五軸工（gōng）具磨床，配套BP/SYNTEC智能刀具數控係統，交流伺服單元驅動，具有多軸控製功能，實現五軸聯動，以（yǐ）提高機床加工精（jīng）度為目標（biāo），研究五軸工具（jù）磨床（chuáng）的（de）總體結構（gòu）設計（jì）技術，工件輔助支撐結構設計技術、砂輪自動動平衡技術、自動上下料係統設（shè）計技術（shù）等；對五（wǔ）軸磨（mó）床數控係統和關鍵（jiàn）功能部件進行應用驗證，研究五軸磨床數控係統的可（kě）移植（zhí）性（xìng）和關鍵功能部件的可靠性（xìng）。

BPX5D是北（běi）平整合德國、美國技術團隊後全新開發的擁有較高水準的數控工具磨床，通過新結構機製和各種吸振，抗溫升處理，有效提升磨削效率和工件的加工精度。其（qí）技術創新點如下：

（1）直線軸采用（yòng）平板式直線電機配置直線（xiàn）光柵（shān），旋（xuán）轉軸采（cǎi）用DD直驅馬達（dá）配置旋轉光柵，形成全閉環模式，提供更優秀（xiù）的快速響應和精確定位，確保高精度穩（wěn）定（dìng）加工。DD直驅馬達之轉速（sù）可根據工件磨削條件在（zài）0~1000r/min之間任意調整。

（2）精（jīng）準（zhǔn）的定位（wèi）和夾持是高（gāo）精度加工的基本保障，機床采用高精密高剛（gāng）性可調夾持係統和精密筒夾，夾持更為安全、精（jīng）準。同時在不影響高精（jīng）度磨削及砂輪幹涉的位置，裝夾工件前端配置雙托架，靠近筒夾處托（tuō）架為一（yī）托一壓，用於調整裝夾精度（dù），保證工件形位公差，遠離筒夾處托架為下托式，用於提高工件磨削剛性，保證工（gōng）件的尺寸公差。兩托架的使用可極大提高磨削效率，同時（shí）保證工件的加工粗糙度和精度。

（3）采用計量級天然花（huā）崗石床身，機床吸振、抗熱變形等性能更出色，定位高（gāo）端磨床，形成了具有北平機床（chuáng）特色（sè）的技術創新體係，進一步提高機床剛性及穩（wěn）定性。

（4）機床裝（zhuāng）有北平刀具磨削（xuē）軟件。軟件內嵌具有各（gè）種類型標準刀具的形狀、尺寸，用戶隻需輸（shū）入刀具的相關參數，軟件（jiàn）自動生成刀具的加工程序並進行刀具的（de）模（mó）擬加（jiā）工，一次裝夾完（wán）成全部工序，保證刀具加工的柔性化、高效率。機床配備3D工件自動探測係統，用於自動定位（wèi）探（tàn）測工（gōng）件（jiàn），獲取工件加工的各項必（bì）需參數。

圖2 北平自研刀具磨削（xuē）軟件

（5）總線式控製（zhì）係統，絕對值伺服電機驅動（dòng），各軸上無須硬件上的限位開關，極大地減少了機床開機的回零時間和電器方麵的隱性故障。雙通（tōng）道數控（kòng）係統控製工件自（zì）動上（shàng）下料裝置，內置三軸機械（xiè）手，安全有效的防撞（zhuàng）係（xì）統，簡易編程及靈活（huó）的操作，可輕鬆實現小批量、無（wú）人（rén）化（huà）生（shēng）產。機械手（shǒu）采用一上一卸的雙夾爪設計，運送料時間與加工時間重（chóng）合，卸料到第二隻工件加工間隔小於6s。有效提升工作（zuò）效率，探索更加科學合理的上下料模式，為用戶創造時間和效益價值。

（6）智能化（huà）是（shì）時代的大（dà）勢（shì）所趨，BPX5D采用總線式控製係統，可根據智能工廠及雲（yún）技術（shù）應（yīng）用（yòng）需求，基於WINDOWS操作平台任意搭配3D模擬磨削軟（ruǎn）件（jiàn）、也可采用美國開源數字控製器擴展嵌入式工業觸摸屏，具有更佳的智能操作體驗及友好的操作界麵。

圖（tú）3 北平刀具磨削軟件3D模擬（nǐ）

（7）雲端控製技術，可進行生產線聯機、實現磨削加（jiā）工、自動檢測、激光打標等工（gōng）序集成的自動化生（shēng）產，可進行實時（shí）數（shù）據采集，遠程診斷、維護（hù）、檢測、管理等（děng）工作。順應兩化融合的新時代趨勢，讓工廠的管理更加智能，更加便捷。

圖4 北平（píng）智慧雲工廠

圖5 北平無人值守刀具車間（jiān）

（8）THK高（gāo）精密級滾柱直線導軌、滾珠（zhū）絲杆支撐軸承、連軸器均采用高精密（mì）級產品，可有效保證滾珠絲杆的響應速率及加工（gōng）精度。

（9）專用的彈性砂輪法蘭，與磨軸（zhóu）內孔彈性連（lián）接及端麵同（tóng）時定（dìng）位，保證砂輪的磨削剛性及精度。高精度電主軸（zhóu）配備適應創新（xīn）工藝的德國氣（qì）簾密封技術、配置高精度主軸，前三後二（èr）的軸承配置，保證主軸的高剛性和精度穩定性的同時，提高了工作效率，工件表麵粗糙度達到Ra0.1um。

四、成果應（yīng）用及推廣情況

台州北平機床（chuáng）有限公司專注五軸數控工具磨床、數控內外圓磨削中心、立式磨床、機器人、口（kǒu）罩生產（chǎn）線等（děng）高（gāo）端智能裝備的研發與製造，是國家高新（xīn）技術企業、浙江省疫情防（fáng）控重點（diǎn）保障物資生產企業。參與國家科技重大專項-04專項“精密（mì）刀具五軸磨削柔性製造單元的研製與示範應用”課題研究任務，自主研發磨床產品服務國防軍工（gōng）、航空航天、3C精密刀具等領（lǐng）域，是實現國產高端磨削裝備核心技術自主可控、進口替代的專業數控磨床企業。

BPX5D高精度五軸數控工具磨床的（de）研製成功，增強了本公司（sī）的機床製造能力和市場競爭力，縮小了與國際先進水平的差距。高效率生產高精度刀具（jù）的數控五軸磨床，是國內磨床生產廠家提（tí）高市場競爭力的關鍵。04專項課（kè）題機床即將驗收（shōu）結題。目前，已有1000多台北平機床高精度五軸數控工具磨床服務於株洲鑽石、山（shān）特（tè）維克、住（zhù）友電工、恒鋒刀具、常州創（chuàng）偉等（děng）行業知名企業（yè），加工精度（dù）和（hé）效率獲（huò）得用戶（hù）企業的廣泛好評。

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