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木工机床 2010 No 2 五轴联动数控木工机床的运动原理与结构特点 The p rincip le ofmovem ent and the feature of construction fo r five di m ensions jo intmo tion NC woodwo rking m achinery 马岩 王毅亮 罗阁 东北林业大学林业与木材加工机械工程技术中心 哈尔滨150040 摘 要 五轴联动数控木工机床是我国木工机械企业开发标志性产品 其意义远远大于实际市场需 求的意义 本文在综述数控五轴加工中心的基础上 指出五维多轴联动的基本定义 介绍常 见需要五轴联动数控木工机床加工的产品 分析其需要加工的原因 并总结出五轴联动数控 木工机床的运动原理 典型结构与特点 指出五维多轴联动的技术难点 着重介绍编程软件 PITAGORA的高动态特性和分别有前置处理和后置处理功能 为国产五维多轴联动数控木工 加工中心研制成功提供参考 关键词 五维 木工机床 联动 加工中心 中图分类号 TS642 五轴联动数控机床系统对一个国家的航空 航天 军事 科研 精密器械 高精医疗设备等行业 有着举足轻重的影响力 对于木工机械行业同样 如此 国际上把五轴联动数控技术作为一个国家 工业化水平的标志 在我国木工机械行业 五轴 联动数控木工机床的水平可以代表这个木工机械 企业数控机床的制造水平 因此 开发五轴联动 数控木工机床是我国木工机械企业开发的标志性 产品 其意义远远大于实际市场需求的意义 1 五轴联动数控木工机床是标志性产品 60年代末 苏联迫切需要高精度机床加工螺 旋桨 消除潜艇噪音 1979年底 苏联克格勃经过 精心策划通过东芝公司和康士堡公司同意向苏联 提供四台MBP 11OS型五维九轴联动数控大型 船用螺旋桨铣床 此项合同成交额达37亿日元 这种高约10米 宽22米 重250吨的铣床 可以精 确地加工出巨大的螺旋桨 使潜艇推进器发出的 噪音大大降低 克格勃从日本东芝机械公司成功 走私了一批高科技大型铣床等高技术产品 大大 降低了苏联潜艇噪音 使美国海军核潜艇难以追 踪苏联潜艇 在此之后 高性能的数控机床是 巴 黎统筹委员会 由北约国家和日本等15国组成 严格限制的产品 禁止向苏联 东欧等共产主义国 家出口 直到现在 美国仍然严格限制多维多轴 联动以上级别的数控机床对中国的出口 图1 需要五轴联动数控木工机床加工的螺旋桨 5 Design and Research设计与研究 WOODWORKI NG MACH I NERY 2 五维多轴联动的基本定义 通常的数控机床都是三维的 从数学意义上 分类 维数是指机床在运动过程中所涉及的坐标 系 轴数是指有几根代刀具的主轴 不包括次要的 轴 联动是指可以同时运动并参与插补维数的主 轴数 同动是可以同时运动的主轴数 例如 有6 根主轴 可以同时运动 没有互锁 但仅能在三维 内实现同时运动并完成插补 这个数控机床是三 维联动六主轴同动数控机床 仅是具有xyz三个 直线运动坐标的六根轴的三维数控机床 即三轴 联动数控机床 在通常的定义中 许多人把主轴 的个数与机床运动的维数搞混 把联动和同动搞 混 把几个轴作为衡量数控机床水平是不严密的 本文的 五轴联动 是简称 严格地讲应该是五维 多轴联动数控机床 现在多数五轴联动数控木工 机床实际上是五维联动四轴数控木工机床 当年 国内的第一台数控镂铣机有5个主轴 厂家声称开 发出5轴联动 实际是五个轴一起动 的数控镂铣 机 实际上那台机床是二维半联动的五轴同动数 控镂铣机 五维数控机床一般是指五个数字控制系统在 五个坐标轴系内同时完成运动和插补的机床 通 常必须具有xyz三个直线运动坐标外 另外还有两 个回转运动轴坐标 数控机床的联动是指三个直线运动坐标x y z和A B C三个转动中任意个坐标的组合 通常 我们定义 绕x y z轴的旋转坐标分别为A B C 轴 具体位置关系见图2 一般它们都采用线性插 补运动实现联动 在实际工程中 这些数控轴却不一定全部都 同时参与插补和实现联动 其中有多少数控轴可 以同时参与位置点计算和插补计算的就叫几维联 动 通常被我们称为几轴联动 于是 我们就会听 到这种讲法 5轴4联动数控机床 四维联动5轴 数控机床 5轴联动9轴数控机床 五维联动9轴 数控机床 等等 其实 我们行业的所谓 五轴联 动数控木工机床 绝大多数应该通称是5轴3联 动的数控木工机床 真正五维联动4轴数控木工 机床极少 国内仅有北京机电研究院 北京第一 机床厂 桂林机床股份有限公司 济南二机床集团 图2 六个坐标的定义方法 有限公司等企业开发了五轴联动数控机床 3 木制品行业需要五轴联动数控木工机床加工 的产品 在木制品加工行业 有大量的产品加工是非 常困难的 这些产品都必须采用五轴联动数控木 工机床加工 下图是常见的需要五轴联动数控木 工机床加工的产品 图3 常见需要五轴联动数控木工机床加工的产品 4 需要五轴联动数控木工机床加工的原因 由于许多产品的结构特殊 采用通用刀具 在 三坐标的情况下 没有办法加工 通常出现下列 情况的结构 必须采用五轴联动数控木工机床加 工 在实现加工的过程中 必须有效的避免刀具 干涉 这时 采用五轴联动数控木工机床加工 绕 6 设计与研究Design and Research 木工机床 2010 No 2 过干涉的加工面 见图 4a 对于特殊的直纹曲面类零件 必须采用成型侧 铣方式一刀成型的特殊表面 螺旋上升的表面等 必 须采用五轴联动数控木工机床加工 见图 4b 对一般立体型面的零件 特别是较为平坦的 大型表面 可用大直径端铣刀端面贴近表面进行 加工 但表面和机床主轴形成多个角度 机床要求 连续加工 则必须采用五轴联动数控木工机床加 工 见图 4c 为了保证加工零件的精度 在许多场合要求 一次装卡对工件上的多个空间表面进行多面 多 工序加工 这样加工的零件误差仅仅是机床的误 差 这样可以保证非常高的形位误差 在需要这 样加工的场合 需要采用五轴联动数控木工机床 加工 见图 4d 采用五轴联动数控木工机床加工时 刀具相 对于工件表面可处于最有效的切削状态 零件表 面上的误差分布均匀 特别是模具加工时 这些要 求尤为重要 见图 4e 在某些加工场合 采用五轴联动数控木工机 床加工可采用较特殊尺寸的刀具避开干涉进行加 工 见图 4f 图4 采用五轴联动数控木工机床加工的形面 5 五轴联动数控木工机床的运动原理 五轴联动数控木工机床的运动原理就是要使 机床刀具与需要加工的零件按照图纸需要的曲面 实现五轴相对联动完成刀具的包络运动 从而使 刀头的切削刃部分始终沿着所需加工的曲面的切 面方向按预定的轨迹移动 使曲面加工达到理想 的切削状态 或实现零件任意角度 在一定的可加 工的范围内 的加工 对于五轴联动数控木工机床的运动原理必须 从它的机构简图进行讨论 见图5 不论什么结构 的五轴联动数控木工机床 从机构简图进行讨论 其原理是一样的 在图5中 Hx是O1从它的任意 位置相对O点的移动 Hy是O2从它的任意位置 相对O1点的移动 Hz是O3从它的任意位置相对 O2点的移动 Ha是O4 从它的任意位置相对O4 点的转动 Hb是O5 从它的任意位置相对O5点的 转动 Haoffset是O4从它的任意位置相对O3点的插 补 Hboffset是O5从它的任意位置相对O4 点的插 补 7 Design and Research设计与研究 WOODWORKI NG MACH I NERY 图5 五轴联动数控木工机床的运动简图 6 五轴联动数控木工机床的典型结构与特点 6 1立式和卧式五轴联动数控木工加工中心 五轴联动数控木工机床通常称为加工中心 一般分为立式加工中心和卧式加工中心2种 立 式加工中心通常特征是主轴为垂直状态的加工中 心 卧式加工中心通常特征是主轴为水平状态的 加工中心 五轴联动数控加工中心的主要功能和 优点就是工件一次安装后能完成除安装面以外的 其余五个面的加工 具体结构件图6 6 2两个回转坐标轴的布局分类 在实际中 最常见的机床结构见图7 这种结 构由铣头执行两个回转坐标运动的典型布局 图 8是铣头两个回转坐标运动的五轴联动数控木工 加工中心 这是一种最常见的加工中心 尤其是 五轴联动数控木工加工中心 经常采用这种结构 在金属加工机床中 经常采用由工作台执行两个 回转坐标运动的典型布局 见图9的典型布置 当然 还有分别由铣头和工作台各执行一个回转 坐标运动的典型布局 这2种布置在五轴联动数 控木工加工中心不多见 6 3回转铣头结构分类 在五轴联动数控木工加工中心的主轴布置 中 采用图9布置形式的最多 这是因为木工机械 多为多刀加工 而常用的是4把刀 这种4把刀 自动换位加工的方法 可以完成绝大多数加工工 序 为了保证受力均匀 往往采用对称式 内置 式 回转铣头布置结构 有时 木工机械的刀具位 置需要悬臂 采用内置式容易干涉 这时 往往采 用偏置式结构 具体2种结构见图11 五轴联动数控木工加工中心的主轴布置中主 要传动类型有 齿轮式传动方式 蜗轮蜗杆传动方 式 直接同步带传动 力矩电机驱动等 五轴联动 数控木工加工中心的主轴布置中多采用前两种传 动方式 采用齿轮式传动方式的机械传动效率 高 传动可靠性好 采用蜗轮蜗杆传动方式的传 动级数少 易达到大减速比 结构紧凑 简单 具有 自锁性 受力状况好 五轴联动数控木工加工中心主要具有高效 率 高精度的特点 工件一次装夹就可完成五面体 的加工 减少二次装夹带来的重复定位误差 五 轴联动数控木工加工中心可以对家具复杂的空间 8 设计与研究Design and Research 木工机床 2010 No 2 图6 常见的立式加工中心和卧式加工中心 图7 五维多轴联动的数控木工加工中心 异面 曲面进行高精度加工 尤其适宜加工高档 图8 铣头两个回转坐标运动五轴数控木工加工中心 图9 工作台执行两个回转坐标运动的典型布局 图10 分别由铣头和工作台各执行一个 回转坐标运动的典型布局 椅子 沙发结构件等 在实际木制品加工中 铸造零件的木型加工 是五轴联动数控木工加工中心需要完成的主要任 务 绝大多数五轴联动数控木工加工中心的用户 是大型机床厂铸造车间的木型加工必备设备 图 13是大型机床厂铸造车间木型加工常用的五轴联 动数控木工加工中心 9 Design and Research设计与研究 WOODWORKI NG MACH I NERY 7 五维多轴联动的技术难点 三维联动数控机床的数控系统非常成熟 价 格便宜 内部电路设计集成化高 是绝大多数数 控机床的首选 如果实现四维联动 甚至五维联 动在数控编程的过程中是非常困难的 五维的数 学抽象本身就非常困难 每个五维坐标点的计算 在机床运动学求解的过程中 计算量非常大 特 别是角度计算在计算机的处理中有许多数学问题 非常棘手 许多机床的五维处理多采用三维联动 的组合 形成近似的五维联动 但这样的处理在 加工速度上极慢 加工精度低到不可容忍的程度 好在多数产品除了汽轮机叶片和潜水艇螺旋桨以 外 真正需要五维多轴联动的产品极少 由于木 制品精度低 从误差分析根本用不到五维多轴联 动 图11 对称式 内置式 和偏置式回转铣头结构 图12 高档椅子的复杂性面加工 国际领先的木工机械生产商 巴吉 BAC2 CI 公司在第十二届国际家具配件 材料及木制品 展览会上亮相的就是6轴同动5维双台面数控木 工加工中心机 巴吉公司独特开发的编程软件PI2 TAGORA的高动态特性将仿真效果发挥到极致 因此机器性能得到极大提高 机器完美的设计非 常适合实木零配件加工 编程软件PITAGORA的分别具有高动态特性 的前置处理和后置处理功能 前置处理是在计算 机辅助制造过程中 将木制品零件的CAD设计 构 造成可以进行数控加工的模型 通过CAM软件模 块计算产生刀位轨迹的过程点轨迹数据库 然后 调用后置处理数据库 将前置计算所得的刀位轨 迹数据转换成具体机床的程序代码 控制数控机 床加工 后置处理过程的原则是解释执行 即每 读出刀位数据文件中的一个完整的记录行 就根 据所选机床进行坐标变换或文件代码转换 生成 一个完整的数控程序段 并写到数控程序文件中 直到刀位数据文件结束 8 结束语 通过对发达国家五轴联动数控木工加工中心 的分析 可以说 中国木工机械已经进入开发五轴 联动数控木工加工中心的一个新时代 中国木工 机械的辉煌时代即将到来 虽然五轴联动数控木 工加工中心技术难度相当大 但通过产学研和技 术引进 科学合理地应对所有的技术难题 在竞争 中取胜 在危机中壮大自己 在五轴联动数控木工 加工中心开发中实现企业成为行业龙头的梦想 针对自己企业的特点 把国产五轴联动数控木工 加工中心研制成功 01 设计与研究Design and Research 木工机床 2010 No 2 图13 常见的五轴联动数控木工加工中心 图14 编程软件PITAGORA的高动态仿真特性 参考文献 1 马岩 我国家具加工机械数控技术的开发方向与 应
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