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BPX5D五軸數控工具磨床的研發與應用

2020-11-30 來源：台州北平機床有限公司作者：-

一、概述

機床裝備是國家（jiā）製造業的基礎（chǔ），高端數控機床裝備的技（jì）術創新從未停步。高精度數控機床廣泛應用於國防軍工、航空航天（tiān）、精（jīng）密醫療器械、3C、汽車、模具等重點工業和新興產業，高精度機床作為（wéi）工業生（shēng）產母機，堪稱“製造業的靈魂”。多年來，歐美（měi）發達國家對我國實（shí）行持續的（de）技術封鎖，突破封鎖、實現核心（xīn）技（jì）術自主可控是亟待解決的重點難題，也是中華民族崛起和複興的重要保障。

“工（gōng）欲善（shàn）其事（shì），必先利其器”，隨（suí）著新技術、新材料的不斷出現，對產品應用（yòng）過（guò）程中（zhōng）的加工精度和表麵粗糙度提出了更高的要求，人們對（duì）現代工（gōng）業產品的外表及內在精度要求的不斷提高是促使現代機床向著高精高速化發展的內在源動力，優良的產品不僅是企業增強核心競爭（zhēng）力、提高產品附加值（zhí）的重要保證（zhèng），也是時代發（fā）展（zhǎn）的大勢。

高精度刀具是高品質產品製（zhì）造（zào）的根本保障，也是工具磨床製造業發展的內在動力。高精度（dù）數控五軸工具磨床是數控磨床（chuáng）的優秀（xiù）代表，在（zài）解（jiě）決葉（yè）輪（lún）、葉片、船用螺旋槳、大型柴油機曲軸等複雜曲麵的機械零部件加工方麵具有獨特優勢。

當前國產五（wǔ）軸（zhóu）數控磨床境況堪憂，低端同質化（huà）競爭，中端價格混戰，高端領域失守。高精度五軸數控工具（jù）磨床是刀具生產過程（chéng）中的（de）核心設備，國內高端應用市場中（zhōng），高（gāo）精度（dù）刀具有6成以（yǐ）上來自進口，五（wǔ）軸數控工具磨（mó）床（chuáng）的進口占（zhàn）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）產企業協同創新，對於突破（pò）高端五軸數控工（gōng）具磨床核心技術的境（jìng）外封鎖（suǒ），進一步實現設備及刀具（jù）產業的核心（xīn）技術自主可控（kòng）和進口替代具有重要意義，集中產業優勢資源進行（háng）卡（kǎ）脖子（zǐ）技術的專項突破（pò）勢在必行，是補全高（gāo）端磨床產業鏈，實現高端製造核心技術自主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提升（shēng）逐步實（shí）現的，在崛起過程中，國內市場對於五（wǔ）軸數控工具磨床的加工精度（dù）以及加工效率提出了更（gèng）高的技術要求：生產刀具的尺寸及形位公差要小於0.005mm；國外高端數控工具磨床（chuáng）如：瑞士ROLLOMATIC、德國WALTER、澳（ào）大利亞ANCA、德（dé）國（guó） SCAACA、VOLLME等，有著極高的加工精度和（hé）生產（chǎn）效率，在運行穩定性方麵的表現尤為出（chū）色（sè），贏得全球高精密工具生產企業的青睞，這些數據表現源自（zì）其背後眾多核（hé）心（xīn）技術的（de）支撐。國產（chǎn）高（gāo）端磨床和高精密刀具要想實（shí）現進口替代還有很多核心技術需要攻克，協同創新依然任重道遠。

目前國（guó）內高（gāo）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（dà）連科德等（děng），國內進口產品主（zhǔ）要包括瑞士ROLLOMATIC、德國WALTER、澳大利亞ANCA、德國SAACKE、VOLLME、美國STAR等。其主要技術（shù）參數對比如下（xià）表：

國內外工具磨床技術參數（shù）對比表

數控工具磨床的技術關鍵在於：機床的精（jīng）度、機床（chuáng）運（yùn）行的可靠性與穩定性，加工效率及五軸聯動伺服（fú）控製技術、與機械部分高度適配的磨削軟件。北平機床（chuáng）自2008年來，一（yī）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（guó）同行和數（shù）控係（xì）統供應商開展深度合作創新，五軸（zhóu）聯動伺服控製係（xì）統的自主化程度大步推進，已逐（zhú）步實（shí）現進口替代。通過多（duō）年不斷的創（chuàng）新研發，北平機（jī）床擁有自（zì）主軟件著作權的磨削軟件5款，全麵涵蓋工具磨削、外圓磨削、絲（sī）錐生產，北平（píng）機床的五軸（zhóu）數控工具磨床、數控外圓磨床、數控絲錐生產線、工業機器人（rén）廣泛應（yīng）用（yòng）於國防軍工、航空航天、汽車（chē）、3C以及精密刀具/零件生產企業。

BPX5D五軸數控工具磨床是北平技術攻關團隊為滿足用戶高（gāo）效加工（gōng）高精密刀具的需求（qiú），借（jiè）力歐（ōu）洲技術支持團隊（duì）在已開發（fā）的五軸（zhóu）數控工具磨床BPX5的基（jī）礎上持續進行（háng）多項技術創新，自主研發生產的成果。BPX5D應用了多項發明（míng）專利，其主要技術指標達到國內領（lǐng）先，國際先進水平，該項目的研（yán）製（zhì）成功，不僅提升了我國此（cǐ）類數控高端裝備的水平，也打破了國外（wài）在高端數控工具磨床領域的壟斷和封鎖，為企業開拓（tuò）了新的產品市（shì）場，同時取得了良好的（de）經濟和社會效益。

二、產品性能介紹

BPX5D數控工（gōng）具磨床（chuáng）具有高精度、高剛性、五軸聯動、高效率等特點，機（jī）床配置直線/直驅電（diàn）機（jī），覆蓋（gài）直線軸伺服控製技術、精密測（cè）量（liàng）技術（shù）、計算（suàn）機軟件（jiàn）技術（shù）、複雜刀（dāo）具設計（jì）技術等多維度學科，是多種核心支撐技術（shù）的有機結合（hé），是一款典型的（de）高檔數控工具磨床：

圖1 BPX5D高精度五軸數控（kòng）工具磨床

BPX5D高精度五軸數（shù）控工具磨床，八軸五聯動配（pèi）置：擁有5個伺服主軸及（jí）3個直角坐標係（xì）機（jī）械手伺服軸，所有直線軸（zhóu）均采用直（zhí）線（xiàn）電機配置高精度直（zhí）線光柵，所有旋轉軸（zhóu）均采用直驅電機（jī）配（pèi）置高精度（dù）圓光柵，工件（jiàn）軸采用精（jīng）密級彈性（xìng）筒夾，搭配高精度輔助支（zhī）撐裝（zhuāng）置有效（xiào）地保證（zhèng）刀具的加工精度。高可靠性的直（zhí）角機（jī）械（xiè）手機構（gòu）可實現（xiàn）大批量無人化生產，高精度配置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（xiū）磨高質量（liàng）刀（dāo）具提供更（gèng）加專業化、智能化的磨（mó）削解決方案。BPX5D高精度五（wǔ）軸數控工（gōng）具磨床在應用中表現出色，其加工精度、加工（gōng）效率等均達到了國際（jì）先進水平（píng），主要技術參數如下：

加工工件（jiàn）長度：200mm；

工件直徑範圍：1~16/25mm；

工（gōng）件炳部（bù）直（zhí）徑（jìng）範圍：3~25mm；

X軸（工件（jiàn）水平移（yí）動（dòng））：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（xuán）轉)：任（rèn）意；

直線軸最大運行速度：20m/min；

直線軸分辨率：0.0001mm；

直（zhí）線軸重複定位精度：0.00046mm；

直線軸定位精度：0.0016mm；

旋轉軸（zhóu）分辨率：0.0001°；

旋轉軸定位精（jīng）度：5”；

砂輪主軸功率：12.5/20/37kW；

主軸轉速：10000 r/min（MAX）；

砂輪最大直徑：150mm；

自動裝卸料：三軸機械手。

三、新技（jì）術應用情況

高端五軸工具磨床應具備以下幾大特點：高精度、高剛性，極（jí）佳的可操作性、出色的機床運行穩定性（xìng）和加工可靠性，實現柔性化、無人化生產。

BPX5D高精度五軸工具磨床，配套BP/SYNTEC智能刀具數控係統，交流（liú）伺服單元驅動，具有多軸（zhóu）控製功能，實現五軸（zhóu）聯（lián）動，以提高機床加工精度為目標，研究五軸工具磨床的總體結構設計技術（shù），工件（jiàn）輔助支撐（chēng）結構設計技（jì）術、砂輪自動動平（píng）衡技術、自動（dòng）上下料係統設計技術等；對五軸磨床數控係統和關（guān）鍵功能部件進行應（yīng）用驗證，研究五軸磨床數控係統的可移植性和關鍵功能部件的可靠性。

BPX5D是北（běi）平整（zhěng）合德（dé）國、美國技（jì）術團隊後全（quán）新開發的擁有較（jiào）高水準的數控（kòng）工具磨床，通過新結構機製和各種吸振，抗溫升（shēng）處理（lǐ），有效（xiào）提升磨削效率和工件的加工精度。其（qí）技術（shù）創新點如下：

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

（2）精準的定位（wèi）和夾持是高精度（dù）加工的基本保障，機床（chuáng）采用高精密高剛性可調夾持係統和精密筒夾，夾持更為安全、精準。同時在不影響高（gāo）精度磨削及砂輪幹涉（shè）的位置，裝夾工件（jiàn）前（qián）端配置（zhì）雙托架，靠近筒夾處托架為一托一壓，用於調整裝夾精度，保證工件形位公差，遠離筒夾處托架為（wéi）下托式，用於提（tí）高工件磨削剛性，保證工件的尺寸公差。兩托架的使用可極大（dà）提（tí）高磨削（xuē）效率，同時保證工件的加工粗糙（cāo）度和精度（dù）。

（3）采用計量級天然（rán）花崗石床身，機床吸振、抗熱變（biàn）形等性（xìng）能更出色，定位高端磨床，形成了具有（yǒu）北平機床特色的技術創新體係，進一步提高機床剛性及穩定性。

（4）機床裝有北（běi）平刀具磨削軟件。軟件內嵌具有各種類型（xíng）標準刀具的形狀、尺（chǐ）寸，用戶（hù）隻需輸入刀（dāo）具的相關參數，軟件自動生成刀具的加工程序並進行（háng）刀具的模擬加工，一次（cì）裝夾完成全部工序，保證刀（dāo）具（jù）加工的柔性化、高（gāo）效率。機床配備3D工件自動探測係統，用於自（zì）動定位（wèi）探測工件，獲取工件加工（gōng）的各項必需參數。

圖2 北平自研刀具磨削軟件

（5）總線式控製係統，絕對值伺服電機驅動，各軸上無須硬件上的限位開關，極大地（dì）減少了機床開機的回零時間和（hé）電器方麵的隱性故障。雙通（tōng）道數控係統控製工件自動（dòng）上下料裝置，內置三軸機械手，安全有效的防撞係統，簡易編程及靈活的（de）操作，可（kě）輕鬆實現小批量（liàng）、無人化生產。機械手采用（yòng）一上一卸的（de）雙夾爪設計，運（yùn）送料時間與加工時間重合，卸料到第二隻工件加工間隔小於6s。有效提升工作效（xiào）率，探索更加科學合（hé）理（lǐ）的上下料模（mó）式，為用戶（hù）創造時間（jiān）和（hé）效益價值。

（6）智能化是時代的大勢所趨，BPX5D采用總線式控製（zhì）係統（tǒng），可根據智能工廠及雲技術應用（yòng）需（xū）求，基於WINDOWS操作（zuò）平台任意搭配3D模擬磨削軟件、也可采用美國開源數字控製器擴展嵌入式工業觸（chù）摸（mō）屏，具（jù）有更佳（jiā）的智能操作（zuò）體（tǐ）驗（yàn）及友好的操作界麵。

圖3 北（běi）平刀具磨削軟件3D模（mó）擬

（7）雲端控製技術，可進行（háng）生產線（xiàn）聯機、實現（xiàn）磨削加工、自動檢（jiǎn）測（cè）、激光打標等工序集成的自動化生產，可進（jìn）行實時數據采集，遠程診斷、維護、檢測、管理等工作。順應兩化融合的（de）新時代趨勢，讓工（gōng）廠的管理更加智能（néng），更加便捷。

圖4 北平智慧雲工廠（chǎng）

圖5 北平無人（rén）值守刀具（jù）車間

（8）THK高精密級滾（gǔn）柱直線導軌、滾珠絲杆（gǎn）支撐（chēng）軸承、連軸器均采用高精（jīng）密級產品（pǐn），可有效保證滾珠絲杆的響應速率及加工精度。

（9）專（zhuān）用（yòng）的彈性砂輪法蘭，與磨軸內孔彈性連（lián）接及端麵同時定位，保證砂輪的磨削（xuē）剛性及精度。高精度電主軸配備適應創新工藝的德國氣簾密封技術、配置高精度主軸，前三後二的軸承配置，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（jiàn）表麵粗糙（cāo）度達到Ra0.1um。

四、成果應用及推廣情況（kuàng）

台州北（běi）平機床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（chuáng）、機器人（rén）、口罩生產線等高端智能裝（zhuāng）備的研發與製造，是國家高新（xīn）技術企業、浙（zhè）江省疫情防控重點保障物資生產（chǎn）企業。參與國家科技重大專項-04專（zhuān）項“精密刀具五軸磨削柔性製造單元（yuán）的研製（zhì）與（yǔ）示範應用”課題研究任務，自主研（yán）發磨床產品服務國防軍工、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（zì）主（zhǔ）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（chuáng）的研製成功，增強了本公司的機床製造能力和（hé）市場競爭力（lì），縮小了與國際先進水平的差距。高效率生產高精度刀具的（de）數控五軸磨床，是國（guó）內磨床生產廠家提高市場競爭力的關鍵。04專項課題（tí）機床即將驗（yàn）收結題。目前（qián），已有1000多台北平機床高（gāo）精度（dù）五（wǔ）軸數控（kòng）工具（jù）磨床服務於株洲鑽石、山特（tè）維克、住友電（diàn）工、恒（héng）鋒刀具、常州創偉等行業知（zhī）名企業，加工精（jīng）度和（hé）效率獲得用戶企業（yè）的廣泛好評。

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