KMC800SU五軸立式加工中心的研發(fā)與應(yīng)用

科德數(shù)控股份有限公司 市場(chǎng)部策劃室

一、概述

從“嫦娥”“玉兔”相繼飛升著月，到“蛟龍”深潛、國(guó)產(chǎn)航母出海，“可上九天攬?jiān)?、可下五洋捉鱉”已經(jīng)從一個(gè)偉大的構(gòu)想變?yōu)樽寚?guó)人變得有底氣的現(xiàn)實(shí)。中國(guó)的裝備制造業(yè)不斷提升，大國(guó)重器的不斷崛起，使得國(guó)家脊梁愈加剛毅?？梢哉f(shuō)裝備制造業(yè)代表著國(guó)家的綜合國(guó)力，是一個(gè)國(guó)家建設(shè)的基石，而數(shù)控機(jī)床作為“裝備工業(yè)的母機(jī)，智能制造的基礎(chǔ)”是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的象征，具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

在一般的機(jī)器制造中，機(jī)床所擔(dān)負(fù)的加工工作量占機(jī)器總制造工作量的40%-60%，機(jī)床在國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的建設(shè)中起著重大作用。當(dāng)代世界各大強(qiáng)國(guó)尤其高度重視數(shù)控機(jī)床行業(yè)，一直在采取措施加以扶持和保護(hù)。其中五軸數(shù)控機(jī)床更是一種科技含量高、精密度高，專門(mén)用于加工復(fù)雜曲面的機(jī)床，這種機(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)備等行業(yè)都有著舉足輕重的影響力。目前世界最先進(jìn)高端數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)還是基本掌握在德、日、美等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的手里?？扇缃竦膰?guó)產(chǎn)五軸數(shù)控機(jī)床技術(shù)正在突破創(chuàng)新的飛速發(fā)展。隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)、軍工、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工的高速化、高精度化、功能復(fù)合化、智能化等要求越來(lái)越高。國(guó)產(chǎn)五軸數(shù)控機(jī)床的研發(fā)與創(chuàng)造之路也愈發(fā)迅猛。

以往，隨著機(jī)床企業(yè)數(shù)量的不斷增加，我國(guó)機(jī)床企業(yè)一直處在“低端混戰(zhàn)”狀態(tài)，如何讓機(jī)床產(chǎn)業(yè)重振雄風(fēng)，如何拉動(dòng)機(jī)床產(chǎn)業(yè)進(jìn)步？毋庸置疑，科技創(chuàng)新必然首當(dāng)其沖。遼寧大連光洋科技集團(tuán)有限公司的控股子公司科德數(shù)控股份有限公司深刻意識(shí)到產(chǎn)品的優(yōu)劣對(duì)企業(yè)的發(fā)展起著決定性的作用。自2008年創(chuàng)立以來(lái)，科德數(shù)控始終秉承“科技領(lǐng)先，厚德做事”的發(fā)展理念，以思維創(chuàng)新引導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新，以技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)轉(zhuǎn)型發(fā)展，不斷研發(fā)生產(chǎn)出符合市場(chǎng)發(fā)展需求的產(chǎn)品。

如今的科德數(shù)控已成長(zhǎng)為國(guó)內(nèi)知名“機(jī)床和控制、反饋裝置及電機(jī)一體化”供應(yīng)商，是專業(yè)配套自主化高檔數(shù)控系統(tǒng)和關(guān)鍵功能部件的高檔數(shù)控機(jī)床制造商，是目前國(guó)內(nèi)各類五軸裝備最大的產(chǎn)銷(xiāo)基地。公司主營(yíng)高端數(shù)控系統(tǒng)、各類五軸數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控功能部件、精密伺服驅(qū)動(dòng)及電機(jī)、傳感器等產(chǎn)品。其中五軸立式加工中心已經(jīng)出口到德國(guó)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)產(chǎn)高檔五軸數(shù)控機(jī)床出口發(fā)達(dá)國(guó)家的先河。

在基于光洋集團(tuán)所建立的“全技術(shù)鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈、全人才鏈”的成套發(fā)展模式之中，還整合了光洋集團(tuán)在自主化高檔數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、電機(jī)、精密轉(zhuǎn)臺(tái)等關(guān)鍵功能部件方面的優(yōu)勢(shì)，科德數(shù)控打造出了以KMC系列五軸銑車(chē)復(fù)合立式加工中心為主打的一個(gè)又一個(gè)自主系列產(chǎn)品。目前，科德數(shù)控KMC系列五軸立式加工中心包括KMC400S、KMC600S、KMC800S、KMC1250S全系列型號(hào)產(chǎn)品。準(zhǔn)確的市場(chǎng)定位加上精益求精的生產(chǎn)原則、過(guò)硬的生產(chǎn)技術(shù)......科德數(shù)控KMC系列五軸銑車(chē)復(fù)合立式加工中心正力爭(zhēng)充分地滿足用戶的加工需求，努力使機(jī)床得到用戶的認(rèn)可與信賴，成為我國(guó)機(jī)床產(chǎn)業(yè)的“佼佼者”，見(jiàn)圖1。

二、產(chǎn)品性能介紹

數(shù)控機(jī)床在數(shù)字化控制下能夠?qū)崿F(xiàn)工件與刀具間預(yù)定軌跡的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各種型面的加工。在實(shí)際應(yīng)用中由于零件復(fù)雜程度越來(lái)越高，為了使加工件能夠在一次裝卡下完成盡可能多的加工表面，甚至完成復(fù)雜凹曲面和異形腔體的加工，因此誕生了五軸機(jī)床，即在傳統(tǒng)三坐標(biāo)基礎(chǔ)上加入回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，以完成特殊工件和刀具間姿態(tài)調(diào)整的要求。五軸機(jī)床實(shí)現(xiàn)了工件和刀具間便利的姿態(tài)調(diào)整，除了可以避免干涉，還可以充分實(shí)現(xiàn)刀具更好的切削條件，包括規(guī)避刀尖點(diǎn)極低的實(shí)際切削線速度，還可以使用更短的刀具進(jìn)行加工，提升系統(tǒng)剛性，減少刀具的數(shù)量，減少專用刀具的應(yīng)用。由于五軸機(jī)床的控制和制造技術(shù)的復(fù)雜性，此類設(shè)備率先用于軍工制造領(lǐng)域，包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，艦船引擎，因而于五軸機(jī)床作為國(guó)家戰(zhàn)略物資被嚴(yán)格監(jiān)管和限制，由此還演繹出著名的“東芝事件”。

科德數(shù)控研發(fā)生產(chǎn)的KMC800S 系列五軸立式加工中心采用模塊化設(shè)計(jì)概念。具有更大的作業(yè)空間，更小的干涉，更強(qiáng)的切削剛度，更高的速度和精度，更緊湊的安裝空間及下述特點(diǎn)。

1. 改良的龍門(mén)框架及整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

KMC800S系列五軸立式加工中心的結(jié)構(gòu)采用改良的龍門(mén)框架設(shè)計(jì)，三個(gè)軸在刀具上，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在工件上，達(dá)到最優(yōu)的主軸支撐;各軸的驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)軌都在加工區(qū)域之外的上方，不會(huì)受加工時(shí)產(chǎn)生的切屑等因素的影響，大大降低故障率;主軸內(nèi)置于垂直的Z向滑枕中，借鑒立式坐標(biāo)鏜的精典結(jié)構(gòu);主軸不會(huì)受到擺動(dòng)的影響，所以刀具長(zhǎng)度不會(huì)影響擺臂長(zhǎng)度而影響擺動(dòng)誤差，擁有更好的主軸剛性;數(shù)控回轉(zhuǎn)擺動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙壁支撐，Y軸采用四導(dǎo)軌支撐和位于中心的主驅(qū)動(dòng);A軸擺動(dòng)角度為-130°～ +130°。環(huán)形刀庫(kù)與機(jī)床床身融為一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省空間，見(jiàn)圖2。

2. 人造理石床身

KMC800S系列五軸立式加工中心系列產(chǎn)品采用人造理石為床體主要材料。人造理石材料熱膨脹系數(shù)僅為鑄鐵的1/20，具有更好的環(huán)境適應(yīng)性，更小的熱變形誤差;人造理石阻尼是鑄鐵的6倍，具有更好的吸收振動(dòng)的能力，降低切削振動(dòng)對(duì)機(jī)床傳動(dòng)部件的影響;人造理石床身制造工藝采用常溫固化，沒(méi)有鑄鐵冷卻不均導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力，是國(guó)際上精密機(jī)床優(yōu)選的床身材料，見(jiàn)圖3。

3. 直驅(qū)技術(shù)

KMC800S系列五軸立式加工中心采用直驅(qū)技術(shù)，加工中心的旋轉(zhuǎn)軸采用力矩電機(jī)替代傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)等機(jī)械傳動(dòng)。通過(guò)力矩電機(jī)作為回轉(zhuǎn)坐標(biāo)主要驅(qū)動(dòng)技術(shù)。直驅(qū)技術(shù)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力好，無(wú)反向間隙，無(wú)傳動(dòng)機(jī)械磨損等顯著優(yōu)勢(shì)。直驅(qū)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際上精密高速機(jī)床重要的技術(shù)路線。U型和MT型分別配置低速力矩電機(jī)和高速力矩電機(jī)，均實(shí)現(xiàn)了滿足銑削和車(chē)削要求的良好的精度和動(dòng)態(tài)性能的表現(xiàn)，見(jiàn)圖4。

4. 雙驅(qū)技術(shù)和重心驅(qū)動(dòng)

KMC800S系列五軸立式加工中心通過(guò)雙驅(qū)技術(shù)（KMC800標(biāo)配，KMC400選配）實(shí)現(xiàn)搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)的重心驅(qū)動(dòng)可以使機(jī)床得到更強(qiáng)勁、更平穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)，能夠有效地抑制振動(dòng)，消除反向間隙，為用戶提供了理想的加工性能。

5. 激光干涉反饋

KMC800S系列五軸立式加工中心可以選配激光干涉反饋系統(tǒng)。該長(zhǎng)度反饋系統(tǒng)支持下的全閉環(huán)控制可以將長(zhǎng)度反饋系統(tǒng)提升至激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)，自帶環(huán)境（溫度、氣壓）補(bǔ)償，可以控制工作臺(tái)定位精度達(dá)到0.5um，滿足用戶特殊的超高精度的要求，見(jiàn)圖5。

6. 高動(dòng)態(tài)響應(yīng)技術(shù)

科德在機(jī)床設(shè)計(jì)階段十分重視運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化，重視高剛度輕量化設(shè)計(jì)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力匹配。在機(jī)床訂單配置和調(diào)試階段，可以根據(jù)用戶特殊需求，配置更高扭矩慣量比的高性能電機(jī)及驅(qū)動(dòng)，進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)床每一個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化，使機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能滿足用戶的需求，見(jiàn)圖6。

三、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用情況

數(shù)控技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志之一，在現(xiàn)代制造行業(yè)中，作為先進(jìn)制造的核心設(shè)備，數(shù)控系統(tǒng)的功能和性能對(duì)制造業(yè)的自動(dòng)化、集成化、柔性化及智能化起著至關(guān)重要的作用，以它為基礎(chǔ)平臺(tái)的相關(guān)技術(shù)水平高低已成為衡量一個(gè)國(guó)家的工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要指標(biāo)，如今我國(guó)機(jī)床制造業(yè)已具備了相當(dāng)?shù)膶?shí)力，機(jī)械精度和可靠性方面在國(guó)際市場(chǎng)上都名列前茅。然而配套的五軸數(shù)控系統(tǒng)要么從國(guó)外進(jìn)口，要么采用國(guó)內(nèi)還不成熟的數(shù)控系統(tǒng)?？傊遢S數(shù)控技術(shù)仍然是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)。因此研究開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)具有重要意義。依托光洋集團(tuán)自主研發(fā)、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字總線開(kāi)放式高檔數(shù)控系統(tǒng)，長(zhǎng)期堅(jiān)持踐行“產(chǎn)學(xué)研用”深度融合的戰(zhàn)略，與高校緊密合作，實(shí)現(xiàn)前沿創(chuàng)新，科德數(shù)控能專心致志于機(jī)床精度的提升，以完整的數(shù)控方案為用戶創(chuàng)造價(jià)值，科德五軸數(shù)控系統(tǒng)支持多個(gè)控制過(guò)程并發(fā)。即可以同時(shí)控制多個(gè)加工過(guò)程，可以是不同機(jī)床上的不同加工任務(wù)。也可以是單臺(tái)機(jī)床上多主軸上的不同加工任務(wù)，見(jiàn)圖7。

高端五軸數(shù)控系統(tǒng)三大基礎(chǔ)技術(shù)

1. 高速的信息交互——G-lNK光纖運(yùn)動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)總線

采用100Mbps的高速光纖介質(zhì)，將數(shù)控系統(tǒng)的控制指令送達(dá)每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)裝置，并保證嚴(yán)格同步運(yùn)行;并將包括機(jī)床各坐標(biāo)位置、負(fù)載率、溫度等物理量傳回?cái)?shù)控系統(tǒng)。

2. 精準(zhǔn)的高頻度控制調(diào)度GRTK內(nèi)核

實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)千次的精確控制任務(wù)調(diào)度，使運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算、邏輯控制運(yùn)算、人機(jī)交互高效有序運(yùn)行，對(duì)鐘響應(yīng)延遲1/100，000秒，在GNC62中支持多核CPU。最大限度地充分利用高性能數(shù)控系統(tǒng)處理器運(yùn)算資源。

3. 精密的位置，角度感知一一傳感細(xì)分技術(shù)

將來(lái)自直線/角度傳感器的信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)分處理，進(jìn)一步提取1vpp信號(hào)中包含有效精度的位置/角度信息，zui高提升物理分辨率達(dá)16384倍，細(xì)分處理程在1/5，000，000秒內(nèi)瞬間完成。獨(dú)特的激光干涉全閉環(huán)控制技術(shù)。將長(zhǎng)度反饋檢測(cè)精度提升到O.2 μ m，分變率提升到1 nm。為精密機(jī)床控制提供基礎(chǔ)技術(shù)保證。

四、成果應(yīng)用及推廣

科德數(shù)控研制的五軸數(shù)控機(jī)床已經(jīng)批量應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的航天、航空、能源領(lǐng)域。部分導(dǎo)彈、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、大飛機(jī)、核電葉片等高精尖產(chǎn)品的制造線上均有科德數(shù)控的產(chǎn)品在運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了替代進(jìn)口的同時(shí)，科德數(shù)控的五軸機(jī)床和關(guān)鍵功能部件產(chǎn)品也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量出口德國(guó)，開(kāi)創(chuàng)了全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高檔數(shù)控產(chǎn)品出口西方發(fā)達(dá)國(guó)家的先河。

未來(lái)，科德數(shù)控即將投入使用26萬(wàn)平方米全球最大地下恒溫恒濕廠房，建成的新園區(qū)將使公司快速實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，逐漸實(shí)現(xiàn)批量替代進(jìn)口，進(jìn)而讓中國(guó)設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵功能部件產(chǎn)品逐漸替代進(jìn)口并擴(kuò)大國(guó)際市場(chǎng)占有，用中國(guó)的高端五軸數(shù)控機(jī)床裝備中國(guó)工業(yè)，推動(dòng)我國(guó)智能化制造產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 責(zé)編/楊鑫