國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)在不同構(gòu)型五軸機(jī)床上的應(yīng)用驗(yàn)證

王華僑，王宇飛，趙華軍，劉東青，張守明，高嵩，鄭武，王浩志

1. 華中科技大學(xué) 湖北武漢 430074

2. 廈門大學(xué) 福建廈門 361005

3. 湖北三江航天紅陽機(jī)電有限公司 湖北孝感 432000

4. 武漢華中數(shù)控股份有限公司 湖北武漢 430074

1 序言

華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848是全數(shù)字總線式高檔數(shù)控裝置，采用模塊化、開放式體系結(jié)構(gòu)，基于具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的NCUC工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具備多軸、多通道及同步軸同步等功能。華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848配套不同構(gòu)型五軸機(jī)床的操作界面如圖1所示，其界面設(shè)計(jì)友好、操作方便。HNC848在車銑復(fù)合加工中心、高速精密臥式加工中心、龍門五軸加工中心等高檔數(shù)控機(jī)床上均適用，在航空、航天、能源等大型企業(yè)中批量應(yīng)用，取得了良好的效果，加工效果達(dá)到國(guó)外知名數(shù)控系統(tǒng)水平，加工效率大大提高，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在航天領(lǐng)域的重大突破，打破了國(guó)外知名品牌數(shù)控系統(tǒng)的長(zhǎng)期壟斷局面。

圖1 華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848操作界面

2 NAS件及S件簡(jiǎn)介

NAS件是通過加工圓錐臺(tái)試件產(chǎn)生的面粗糙度、圓度、角度及尺寸精度等指標(biāo)，來檢驗(yàn)機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度，是目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)精度驗(yàn)收的常用方法。標(biāo)準(zhǔn)要求圓度0.1mm，同軸度0.1mm，角度公差30°±0.035°。

S件的主體是一個(gè)呈“S”形走向的扭曲曲面形成的等厚度緣條，曲面形狀復(fù)雜。使用立銑刀側(cè)刃加工時(shí)，刀具軸向必須連續(xù)變換，同時(shí)機(jī)床必須能完美執(zhí)行五軸聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)連續(xù)換向。加工中，機(jī)床進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)連續(xù)換向，能集中反應(yīng)機(jī)床的幾何精度、定位精度、動(dòng)態(tài)特性以及反向誤差等特性。切削完成后的S件對(duì)緣條型面尺寸精度要求較高，為±0.05mm，緣條厚度公差為±0.1mm，緣條表面粗糙度值Ra=3.2μm，總體技術(shù)難度較高。

3 大型六軸雙模式五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工中心應(yīng)用驗(yàn)證

3.1 總體結(jié)構(gòu)

大型六軸雙模式五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工中心（見圖2）采用高架式龍門結(jié)構(gòu)，固定式工作臺(tái)中間鑲嵌旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，橫梁沿左、右床身導(dǎo)軌水平縱向移動(dòng)（X軸）；橫梁上配置有溜板，銑頭滑枕既可隨銑頭溜板沿橫梁導(dǎo)軌水平橫向移動(dòng)（Y軸），也可沿溜板導(dǎo)軌垂直升降（Z軸）。雙擺角數(shù)控萬能銑頭的主軸隨銑頭擺動(dòng)體在垂直面內(nèi)繞X軸擺動(dòng)（A軸），隨銑頭叉形體在水平面內(nèi)繞Z軸回轉(zhuǎn)（C軸）；配備φ2000mm數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺(tái)（B軸），配備鏈?zhǔn)降稁?。?shù)控系統(tǒng)采用華中五軸數(shù)控系統(tǒng)HNC848，可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)。

圖2 大型六軸雙模式五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工中心

該銑頭主體方案采用A/C雙擺角銑頭（見圖3）與滑枕一體化結(jié)構(gòu)，C軸傳動(dòng)部分安裝在滑枕內(nèi)部，主運(yùn)動(dòng)由電主軸單元實(shí)現(xiàn)。銑頭的A、C軸驅(qū)動(dòng)采用德國(guó)IDAM力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，并且可通過液壓夾緊裝置將A、C軸鎖定在任意位置上；另外還采用HEIDENHAIN高精度角度編碼器，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)位置反饋。銑頭的A軸擺動(dòng)體內(nèi)安裝大功率高速電主軸，主軸功率52kW，最高轉(zhuǎn)速18000r/min。

圖3 A/C雙擺角銑頭

3.2 五坐標(biāo)編程后處理

大型六軸雙模式五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)龍門玻璃鋼加工中心機(jī)床結(jié)構(gòu)：X軸橫梁沿固定立柱床身導(dǎo)軌縱向運(yùn)動(dòng)，Y軸滑銑頭溜板沿橫梁導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)，Z軸滑枕式銑頭沿溜板導(dǎo)軌垂直運(yùn)動(dòng)，主軸頭為A/C雙擺角數(shù)控萬能銑頭。底座固定在地基上，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)B軸（先期設(shè)置為B軸，后由于與攻螺紋功能沖突，將B軸改為U軸）位于底座工作臺(tái)中部，六軸雙模式五坐標(biāo)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸如圖4所示。通過UG自帶的后置處理構(gòu)造器，配置此機(jī)床的后置處理，其中限制了C軸行程為－360°～360°，A軸行程為－110°～110°。若A、C軸超程，后置處理程序?qū)⒆詣?dòng)退刀并重新進(jìn)行刀具路徑處理，輸出接續(xù)程序?qū)崿F(xiàn)安全加工。

圖4 六軸雙模式五坐標(biāo)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸

3.3 綜合加工測(cè)試

（1）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)三坐標(biāo)立式與臥式綜合測(cè)試 針對(duì)五坐標(biāo)機(jī)床需同時(shí)加工立式和臥式兩種狀態(tài)的情況，需按照標(biāo)準(zhǔn)的三軸方圓試件進(jìn)行加工；另外增加了2處3°斜角檢測(cè)斜面的精度、4處圓孔檢測(cè)孔的位置度，圓孔中增加臺(tái)階孔，檢測(cè)兩孔的同軸度。經(jīng)加工及檢測(cè)，精度全部合格，實(shí)物如圖5所示。

圖5 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方圓試件測(cè)試實(shí)物

（2）NAS及S件加工測(cè)試 采用國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848控制六軸雙模式五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工中心進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試。各伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用配套國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)，采用RTCP五軸刀心編程控制，基于UG NX模式進(jìn)行雙模式五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)后處理開發(fā)，雙模式五軸聯(lián)動(dòng)自行切換，最終完成了NAS和S件測(cè)試（見圖6、圖7），經(jīng)過檢測(cè)全部合格。

圖6 NAS件測(cè)試

圖7 S件測(cè)試

4 大型七軸五聯(lián)動(dòng)立式車銑復(fù)合加工中心應(yīng)用驗(yàn)證

4.1 總體結(jié)構(gòu)

圖8為大型七軸五聯(lián)動(dòng)立式車銑復(fù)合加工中心，車削主軸箱沿橫梁水平移動(dòng)（X1軸），銑削主軸箱沿橫梁水平移動(dòng)（X2軸）；工作臺(tái)沿床身前后移動(dòng)（Y軸），擺動(dòng)頭固定于銑削主軸下方，繞Y軸旋轉(zhuǎn)（B軸）；車削滑枕在主軸箱內(nèi)上下移動(dòng)（Z1軸），銑削滑枕在主軸箱內(nèi)上下移動(dòng)（Z2軸）；回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（C軸）在車削工作時(shí)提供主切削力，在銑削工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度；橫梁沿龍門立柱上下運(yùn)動(dòng)（W軸）。采用華中數(shù)控HNC848全數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、B、C五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控控制和插補(bǔ)運(yùn)算功能，能夠保證在整個(gè)加工區(qū)域內(nèi)進(jìn)行車削、鏜削、鉆削及銑削加工。

圖8 大型七軸五聯(lián)動(dòng)立式車銑復(fù)合加工中心

4.2 綜合加工測(cè)試

（1）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)三軸銑削方圓試件加工測(cè)試 針對(duì)機(jī)床特點(diǎn)，對(duì)機(jī)械部分及數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并優(yōu)化加工基準(zhǔn)、數(shù)控程序，進(jìn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方圓試件三軸銑削加工測(cè)試（見圖9），切削成品經(jīng)過檢測(cè)，尺寸全部合格。

圖9 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方圓試件三軸銑削加工測(cè)試

（2）NAS件加工測(cè)試 針對(duì)NAS件標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行五軸側(cè)銑綜合測(cè)試。對(duì)數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期、加工刀具、數(shù)控程序、進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行最優(yōu)化摸索，加工NAS件（見圖10）。經(jīng)檢測(cè)，加工精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是從摸索的情況來看，機(jī)床在不同進(jìn)給速率和不同轉(zhuǎn)速下加工出的產(chǎn)品，其外表面粗糙度存在差異，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整功能還需要提高。

圖10 NAS件加工測(cè)試

（3）S件加工測(cè)試 S件加工測(cè)試如圖11所示，加工精度滿足使用要求，但是在平面處出現(xiàn)了小的凹痕。經(jīng)深入分析，原因是機(jī)床在閉環(huán)狀態(tài)下增益調(diào)不上，需要通過改善機(jī)械摩擦力進(jìn)行優(yōu)化。

圖11 S件加工測(cè)試

采用國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848，各伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)全部采用配套國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)，X、Y、Z三個(gè)線性軸進(jìn)給速度分別達(dá)到15m/min、12m/min、8m/min，復(fù)合擺頭5r/min，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)5r/min銑削和150r/min的車削控制。采用RTCP五軸刀心編程控制，完成了基于UG NX模式的五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)銑削+立式端面車削+臥式外圓車削的車銑復(fù)合自行切換，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)機(jī)床的安全自主可控。

采用力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)A/C主軸擺頭，配備HSK A63主軸刀柄，通過20kW的主軸電動(dòng)機(jī)及37N·m的恒扭矩進(jìn)行切削，既可以實(shí)現(xiàn)鋁合金、復(fù)合材料的高速精密切削，也可以實(shí)現(xiàn)不銹鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料的精密切削。

5 大型主軸復(fù)合擺動(dòng)式銑車復(fù)合加工中心應(yīng)用驗(yàn)證

5.1 總體結(jié)構(gòu)

大型主軸復(fù)合擺動(dòng)式銑車復(fù)合加工中心（見圖12）配備國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848，采用高精密光柵尺、圓鋼柵尺，全閉環(huán)位置反饋控制。機(jī)床床身、立柱、橫梁、滑座、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和主軸箱等主要基礎(chǔ)件及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件均采用鑄造結(jié)構(gòu)，確保機(jī)床具有高的剛度和良好的精度穩(wěn)定性。X、Y、Z直線軸均采用高精度直線導(dǎo)軌支承，移動(dòng)由伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)高精度滾珠絲桿來實(shí)現(xiàn)，對(duì)直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠采用雙層防護(hù)，以防止加工粉塵的污染。銑車復(fù)合旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)支承采用交叉滾子軸承，驅(qū)動(dòng)采用雙電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)變速齒輪箱驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)在車削工作時(shí)提供主切削力，在銑削工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度。主軸系統(tǒng)采用B軸擺動(dòng)頭，使主軸實(shí)現(xiàn)立、臥轉(zhuǎn)換（見圖13）。安裝車刀和旋轉(zhuǎn)刀具的主軸具有車、銑復(fù)合功能，可實(shí)現(xiàn)車、銑加工；主軸配備HSK A100高速銑削刀柄及CAPTO車削刀柄；設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到10000r/min；機(jī)床左側(cè)配備40把鏈?zhǔn)阶詣?dòng)換刀裝置，換刀時(shí)間＜5s。

圖12 大型主軸復(fù)合擺動(dòng)式銑車復(fù)合加工中心

圖13 主軸立臥轉(zhuǎn)換

5.2 綜合加工測(cè)試

針對(duì)該非正交坐標(biāo)系統(tǒng)的特種結(jié)構(gòu)形式五坐標(biāo)機(jī)床，通過主軸立式和臥式兩種方式同時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三軸方圓試件加工（見圖14），該方式可以通過檢測(cè)結(jié)果有效推測(cè)出擺動(dòng)頭的動(dòng)態(tài)擺動(dòng)精度，兩種狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果均合格。然后進(jìn)行NAS件及S件加工測(cè)試，試切的NAS件及S件（見圖15、圖16）均滿足精度指標(biāo)要求。

圖14 方圓試件立式及臥式加工

圖15 NAS件試切

圖16 S件試切

大型主軸復(fù)合擺動(dòng)式銑車復(fù)合加工中心采用國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848，各伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)全部采用配套國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)，X、Y、Z三個(gè)線性軸進(jìn)給速度分別達(dá)到15m/min、12m/min、10m/min，復(fù)合擺頭5r/min，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)5r/min銑削和200r/min的車削控制。采用RTCP五軸刀心編程控制，完成了基于UG NX模式的五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)銑削+立式端面車削+臥式外圓車削的車銑復(fù)合自行切換，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)機(jī)床的安全自主可控。采用力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)A/C主軸擺頭，配備HSK A100主軸刀柄，通過20kW的主軸電動(dòng)機(jī)及201N·m的恒扭矩進(jìn)行切削，既可以實(shí)現(xiàn)鋁合金、復(fù)合材料的高速精密切削，也可以實(shí)現(xiàn)不銹鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料的強(qiáng)力切削。所加工的NAS件和S件均檢測(cè)合格，滿足航空航天產(chǎn)品五軸聯(lián)動(dòng)加工需求。

6 橋式龍門搖籃式五軸加工中心應(yīng)用驗(yàn)證

圖17所示的搖籃式五軸加工中心采用雙立柱小龍門框架式結(jié)構(gòu)，配備國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848。機(jī)床X、Y、Z三軸行程分別≥1600mm、800mm、800mm；C軸－360°～360°連續(xù)；A軸－15°～110°連續(xù)；主軸最高轉(zhuǎn)速≥12000r/min；定位精度≤0.008mm；重復(fù)定位精度≤0.005mm；回轉(zhuǎn)軸定位精度10＂，重復(fù)定位精度7＂；傾斜軸定位精度12＂，重復(fù)定位精度8＂；快移速度≥24m/min。其加工的NAS件及S件（見圖18）經(jīng)檢測(cè)全部合格，滿足航空航天五軸小型零部件精密高效加工的需求。

圖17 搖籃式五軸加工中心

圖18 搖籃式五軸加工中心NAS件及S件加工測(cè)試

7 結(jié)束語

本文采用國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)在A/C擺頭五軸機(jī)床、單擺頭五軸機(jī)床、復(fù)合擺頭五軸機(jī)床、搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床四類典型五坐標(biāo)高檔機(jī)床上，分別加工測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方圓試件、NAS件及S件，均達(dá)到合格要求。結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)符合五軸機(jī)床的綜合性能測(cè)試指標(biāo)的要求，可以滿足各行業(yè)五軸高檔機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)需求。對(duì)標(biāo)國(guó)外部分進(jìn)口高檔數(shù)控系統(tǒng)的先進(jìn)功能，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在高速高精插補(bǔ)控制、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與碰撞控制、智能化加工控制、多軸聯(lián)動(dòng)高速高精插補(bǔ)控制、數(shù)控程序手動(dòng)操作控制、基于特征的循環(huán)編程、多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)剛性攻螺紋以及系統(tǒng)操作界面等方面，均可以達(dá)到國(guó)外高檔數(shù)控系統(tǒng)同等水平。