五軸數(shù)控技術(shù)的發(fā)展對機床工業(yè)的影響

金福民，管建峰

(1.江蘇振東港口機械制造有限公司，江蘇常熟215000;2.常熟理工學院，江蘇常熟215500)

0 引言

在社會經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，人們對生活中的一些日常電子用品或是對輪船、飛機等領(lǐng)域產(chǎn)品在性能和外觀上都有了新的要求，為了迎合市場需求，提升產(chǎn)品性能，設(shè)計者在產(chǎn)品設(shè)計時其零件的復雜程度越來越高，對零件和產(chǎn)品的精度也有了更嚴格的要求，殘酷的市場競爭在一定程度上壓縮了產(chǎn)品的研發(fā)時間，以往單純的水平和垂直方向的機床加工已經(jīng)滿足不了設(shè)計和生產(chǎn)的需求，SNK 五軸數(shù)控加工中心的出現(xiàn)很好地解決了連續(xù)、平滑、曲面復雜的加工難題［1］，零件的精密度和復雜度難題在這里都迎刃而解。這種新型加工技術(shù)把電腦控制、高性能伺服技術(shù)和精密加工技術(shù)三位合一，這些特性在醫(yī)療、航空、航天、軍事等領(lǐng)域中都起到了舉足輕重的影響，有效地提高了制造業(yè)的生產(chǎn)水平和企業(yè)在國際上的綜合競爭能力［2］。

圖1 呈現(xiàn)的是最常見的需要五軸數(shù)控加工中心處理的零件:

圖1 典型五軸聯(lián)動數(shù)控加工零件

正是因為五軸加工中心的加工能力非常強，對其機床本身的機械和數(shù)字控制系統(tǒng)都有非常高的需求，上世紀末，西方發(fā)達國家在這方面投入大量人力物力，同時嚴格控制五軸機床的技術(shù)及出口，讓其成為整個國家具有戰(zhàn)略意義的產(chǎn)品。

1 五軸數(shù)控加工的特點

五軸數(shù)控加工機床在工作時是圍繞五個方向來進行的，在具體操作中，它在X、Y、Z 三個線性軸的基礎(chǔ)上根據(jù)加工需要配合A、B、C 三個旋轉(zhuǎn)軸中的任意兩個來工作，圖2 所呈現(xiàn)的就是它的工作情況。

加工刀片與加工對象之間的相對位置以及刀片軸向與加工對象的方位只要是在機床本身的加工行程之內(nèi)，隨便哪個方位的加工都可以實現(xiàn)。刀片在工作時能夠從任何傾斜角度走刀至任何加工位置，也就是說，從理論上來看，不管多么復雜、多么怪異的形狀都可以通過它來得到實現(xiàn)。綜合來看，這種加工具備了下列特性［3］:

圖2 空間六自由度示意圖

1)在原有的三維直線工作軌跡上再增添兩個主向的旋轉(zhuǎn)工作，原先一般三軸數(shù)控設(shè)備不能實現(xiàn)的加工在這種有機的組合下得以實現(xiàn)。

2)一刀定江山的側(cè)銑加工方法適用在直紋面類的加工時，其工作效率和加工后的表面光滑度和精度都能在原來的加工方式上得到有效提高。

3)大直徑端銑刀其端面可以緊貼工件表面展開工作，在走刀數(shù)量和殘余高度都大大縮減的同時，其加工速度和精度也得到了很好的保障，完全可以搞定大型工件的平表加工。

4)因為它的多軸工作原理，工件在加工時只需要裝夾一次就能夠?qū)崿F(xiàn)其所有加工內(nèi)容，工件各個不同表面的相互位置度大大提升。

5)五軸機床刀片工作最好的工藝條件是通過回轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)的，在靈活的運刀工作中，工件在整個工作中其刀片與加工面之間的位置全程都在最好的切削狀態(tài)下，平穩(wěn)了其受力情況，有效保證工件與刀片產(chǎn)生干涉，如此一來，分布在加工面上的誤差也就非常均勻了。

在現(xiàn)階段，航用葉輪、葉片和柴油機曲軸等一些型狀復雜或是精度要求非常高的加工工作中，五軸那非常霸氣的加工性能被充分發(fā)揮出來。

2 五軸數(shù)控技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

從全球范圍來看，日本和一些歐美國家在上世紀末著手于這項技能的研發(fā)，如今它們已然代表著這個領(lǐng)域最先進的標準，其重點概括為:速度、精度高，實現(xiàn)了操作的環(huán)保、智能、復合化［5］。

它最大限度地縮減了因旋轉(zhuǎn)軸工作產(chǎn)生的非線性誤差［6］，另外，日本和德國生產(chǎn)的一些該類機床在硬件和加工性能方面都取得了世界第一的好成績。正是因為越來越先進的PLC 和芯片投入到五軸數(shù)控機床中，該機床整體結(jié)構(gòu)日趨簡單的同時卻實現(xiàn)了日益強大的加工性能。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

相對于以上這些發(fā)達國家，中國涉入數(shù)控加工行業(yè)的時間較晚，整體上還處于低水平階段。在政府的扶持下，國內(nèi)一些企業(yè)和研究單位共同努力，在近十年內(nèi)獲得了很大的進步［7］。現(xiàn)階段五軸數(shù)控銑和大型的數(shù)控鏜銑機床正在追隨市場腳步開發(fā)，已基本適合中國市場需要［8］。以廣州數(shù)控設(shè)備有限公司和濟南二機床廠為代表的設(shè)備生產(chǎn)廠商在五軸數(shù)控機床領(lǐng)域不斷刷新國內(nèi)該行業(yè)的技術(shù)至高點，個別項目現(xiàn)已達到國際同類產(chǎn)品的較前排名。［9］。

但相比于國外的一些先進技術(shù)，我國五軸數(shù)控機床還存在著以下不足之處:第一，機床在性能和功能上都還有提升的空間。第二，因為研發(fā)時間不長，其系列化還有缺陷，實際操作驗證不足。第三，占據(jù)市場的比率不高，昴貴的硬件費用及復雜的機床結(jié)構(gòu)成為該行業(yè)研發(fā)的難點［10］。正是在這些因素的限制之下，國產(chǎn)機床高性能方面還處于實驗時間段內(nèi)。要想真正躋身世界制造強國，只能通過繼續(xù)深入自主創(chuàng)新的研發(fā)工作掌握核心數(shù)控系統(tǒng)才可以實現(xiàn)這個目標［11］。

2.3 五軸數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

機床的加工功能在各類機、電、氣、光、液最新技術(shù)的應(yīng)用下不斷更新?lián)Q代，日益強大起來。綜合國內(nèi)外各項先進的五軸加工技術(shù)，大家不難看出該行業(yè)正朝著下列方向成長［12］:微型銑床通過控制系統(tǒng)得以落實其運動控制;空間樣條曲線的離散插補算法基于銑床平臺應(yīng)運而生，它同時被使用在五軸銑床的蝴蝶曲線加工計算辦法上;仿真加工(比方說復雜的人臉模型加工)。

3 五軸數(shù)控技術(shù)進一步發(fā)展和推廣的難點及阻力

雖然大家對該項技術(shù)的加工優(yōu)勢和加工重要性都有了深刻的認識，但目前來說，縱觀國際社會，它在工業(yè)加工中的應(yīng)用還存在著下列難題:

3.1 五軸數(shù)控編程抽象、操作困難

編程數(shù)據(jù)本身的抽象程度極大地考驗著編程人員的想象力，這些特點使相應(yīng)的程序也變得非常復雜，通常只能通過多次實踐才能讓程序編制者和機床操作者積累到必要的知識和技能，而這類人員的匱乏也成為該項技術(shù)推廣的阻力之一。

3.2 刀具半徑補償困難

五軸數(shù)控機床使用的NC 程序其刀片長度補償功能依舊有效，但其半徑補償卻早就無效了。這導致用圓柱銑刀加工時，不同規(guī)格的刀片需要有不同的加工程序。

3.3 購置機床需大量投資

五軸數(shù)控加工中心的價格相對于以往的三軸數(shù)控加工中心高三到五成，除了實打?qū)嵉馁Y金費用以外，與之配套的系統(tǒng)軟件和后置處理器也要不斷升級。

4 五軸數(shù)控技術(shù)對機床工業(yè)的影響

在整個機床工業(yè)中，五軸數(shù)控加工技術(shù)難度較高，其在制造業(yè)中的適應(yīng)領(lǐng)域也最為廣泛。在機床上拓展五軸數(shù)控功能，能大幅提升其加工性能，更有利于系統(tǒng)的深入集成。實踐表明，一臺五軸數(shù)控加工中心的工作效率等同于兩臺普通機床，更有甚者，在它的工作下，一些大型的自動化流水線都能省掉，如此一來，工廠在設(shè)備投入的空間和資金上都能得以縮減，零件的生產(chǎn)周期和費用也都能大幅減少，有效地降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。說它掀起了機床工業(yè)的革命性進程一點也不為過，它也勢必會成為數(shù)控機床的發(fā)展主流。

5 結(jié)語

自新中國成立以來，經(jīng)過幾代人的努力，中國的機床制造產(chǎn)業(yè)在精度和性能上均達到了世界領(lǐng)先水平，但五軸數(shù)控機床卻沒有自主生產(chǎn)能力，只能從國外引進，國內(nèi)的各大高校仍然是研發(fā)的前沿力量，通過和各大制造廠商的聯(lián)合研究，一定能推動五軸數(shù)控產(chǎn)業(yè)的成長。

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