五轴联动数控机床技术现状与发展趋势.docx

y=BiitnB五轴联动数控机床技术现状与发展趋势梁铖 口刘建群广东工业大学机械电子学院广州510006摘要：介绍五轴联动数控机床在工业加工中的优势和重要性，从国内、国外两个方面阐述目前五轴联动数控机床 发展的现状，最后从目前机床工亚发展动态出发展望五轴联动数控机床的发展趋势。关键词:五轴联动数控机床技术现状发展趋势中图分类号:T-1文献标识码:A文章编号：1000-4998(2010)01 -0005 -03Abstract: The advantages and importance of five - axis CNC machine tools in industrial machining are presented. The status quo of development of five - axis CNC machine tools at home and abroad is described and their developing prospect given.Key Words: Five - axis CNC Machine Tools Technology Status Developing Trends71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 数控机床是制造装备业的工作母机，是实现先进 制造技术和装备现代化的基石，是保证高技术产业发 展和国防军工现代化的战略装备。随着工业化的发展， 五轴联动数控机床被认为是航空航天、船舶、精密仪 器、发电等行业加工关键部件的最重要加工工具。作为 难度最大、应用范围最广的数控机床技术，五轴联动数 控机床在加工方面有着其不可替代的优点11能够 加工一般三轴联动机床不能加工或者无法一次装夹加 工完成的连续光滑的自由曲面。例如航空发动机转子、 大型发电机转子、大型船舶螺旋桨等。由于五轴联动数 控机床在加工过程中刀具相对于工件的角度可以随时 调整，避免了刀具的加工干涉，因此五轴联动数控机床 可以完成三轴联动机床不能完成的许多复杂的加工。 可以提高自由空间曲面的加工精度、加工效率和加工 质量。相对于三轴数控机床加工一般的型腔复杂的工 件，五轴数控机床可以在一次装夹中完成加工,并且由 于五轴数控机床加工时可以随时调整位姿角，五轴数控 机床可以以更好的角度加工工件，避免了多次装夹，大 大提髙了加工效率、加工质量和加工精度。符合机床 发展的趋势。在零件加工过程中，大量的时间被消耗在 搬运工件、上下料、安装调整等时间上，为了尽可能减少 这些时间，人们希望可以用一台机床完成尽量多的加 工。五轴数控机床可以完成数台三轴数控机床才能完成 的加工任务,大大节省了占地空间和工件在不同加工单 元之间运转的时间和花费。五轴联动数控机床的重要作 用使其成为当今机床工业发展的热点和重点。1五轴联动数控机床国内外现状1. 1 五轴联动数控机床实现五轴联动的基本结构 五轴联动数控机床除了可以实现尤/r/z轴的运动，还需要实现两个轴的回转。以立式加工中心为例 子，立式五轴加工中心的回转头有两种实现方式 工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以绕X轴转 动，定义为4轴。工作台的中间还设有一个回转台绕 Z轴转动，定义为C轴。这样通过轴和C轴的组 合，固定在工作台上的工件除了底面，其余五面可以由 加工中心的主轴进行加工。这种设置方式的优点是主 轴比较简单，主轴刚性好，制造成本低，缺点是工作台 不能设置太大，承重较小。依靠主轴头的回转。主轴 前端是一个回转头，这个回转头一方面可以绕Z轴旋 转360,成为C轴，另一方面可以錢X轴旋转，成为4 轴。这种设置方式的优点是主轴头比较灵活，可以加工 例如大型客机机体等大型零件，因此在大型龙门机床 上应用较广。由于这种设置在切削过程中使得主轴 相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保 证一定的线速度，可提髙表面切削精度，所以这种结构 非常受高精度曲面加工的欢迎。除了上述两种结构外， 卧式加工中心还有通过工作台旋转和主轴头摆动相结 合等实现五轴联动的结构。1.2 国外五轴联动数控机床研究现状当前国外五轴联动数控机床以欧美、日本为代 表，这些国家的五轴联动数控机床代表了当今五轴联 动数控机床发展的最髙水平。目前国外著名机床厂五 轴联动数控机床技术发展重点可归结为：高速、高精 度、环保、智能、复合化。力矩电机在国外作为回转坐 标驱动装置的广泛使用，使得国外机床进给机构实现 了高速、低损耗、高精度、高效率的目标|5DMG公司 的DMC165在配上了旋转工作台后，可以进行五轴联 动的数控加工。该机床的最高转速可达到30 000 r/ min,由于采用高性能直线电机驱动，其最快移动可达 到90m/min，加速度2 g。而作为复合机床的代表，德国DMG公司的GMX2501inear五轴车铣复合中心和 DMU80P/H五轴车铣复合中心、韩国Doosan公司 PUMA MX2500ST九轴控制五轴车铣复合中心、瑞士威 力铭-马科黛尔公司的W-508MT八轴控制五轴联 动铣车复合中心、瑞士宝美技术公司展出的S192bl和 S191FrL-R五轴车铣复合中心等，在CIMT2007上也 得到了广泛的关注。新的机床技术在五轴联动机床上 的使用,使得五轴联动机床在结构上越来越简单，在性 能、功能上却越来越优秀|61。最近为了避免叉式主轴头 在主轴发生微小偏摆时，C轴必须转动很大角度的情 况，德国Zimmermann公司设计出了种M3ABC性主 轴头，这种主轴头增加了一个弧形导轨，因而多了一个 B坐标。所以，它是一种具有4、B、C三个回转坐标 头，除有约正负40的偏摆角限制外，还有其它位置限 制。这种铣头将迄今为止各种结构方案的所有优点都 结合在一起了。具体优点如下：刚性非常好、结构紧凑； 有/1、B、C三个坐标；偏转范围大；C轴转动不受限制。 这种设计使得五轴联动数控机床在加工时精度更高。 1.3 国内五轴联动数控机床研究现状由于我国工业基础薄弱，国外同类产品的技术封 锁，国内五轴联动数控机床相对于国外整体水平还较 低，具体体现在关键功能还不能自主研发或者与国外 同类产品比，稳定性、精度等相差较大。但是在国家相 关政策的支持及相关企业、学校等部门的努力下，我国 五轴数控机床技术也得到了飞快的发展，逐渐形成了 较为成熟的产品。从CIMT2007展会上所展机床情况来 看，我国五轴联动数控机床已经形成了品种多样、技术 成熟、拥有自主技术知识产权的特点151。沈阳机床展出 了适合于航空工业钛合金和铝合金机框加工的主轴 /I、B轴摆动的VMC25100u五轴立式加工中心和 GMC1230u五轴龙门高速加工中心，这类产品长期以 来一直依靠国外进口，是国外限制出口的髙科技产品， 这是我国五轴联动数控机床产业的一重大突破。济南 二机床展出的XHSV2525X6000型五轴龙门移动式髙 速镗铣加工中心，工作台尺寸为6 000 mm X 2 500 mm, X/Y/Z 轴行程为 6 000 mm/2 500 mm/1 250 mm,进给速度0 20 000 mm/min,快速进给40 m/min, 摆动回转铣主轴0 24 000 r/min,功率40 kW,刀库容 量20。这个产品是本届展会中规格最大的五轴联动加 工中心，表明我国在高档大型、重型数控机床的研发上 也取得了最新进展。1/o2016_“十五”期间，中国五轴数控机床在发展上取得了一 定的成果，主要可归结为5点1781:取得了一些原创性 的成果。有齐齐哈尔二机床集团联合清华大学、哈尔滨 电机厂有限公司研制的XNZD2415大型龙门式五柚联 动混联机床在我国并联五轴联动数控机床方面取得了 一个重要的突破，并在哈尔滨电机厂水分厂两年的运用 中获得了较高的评价。对五轴数控机床的技术创新取 得了突破。例如齐齐哈尔二机床自主研制的髙速五轴数 控铣床,通过技术的引进消化，掌握了铣头内油雾冷却、 横梁预应力反变形控制等关键技术,并利用谐波传动原 理，开发出4/C摆角铣头，满足了大型水泵叶片曲面 加工的精度要求；沈阳机床集团通过与国外联合设计， 攻克了动力驱动单元、大直径大通孔的高速强力主轴、 刀架、热平衡、精度补偿等多项关键技术，高性能车铣复 合机床刀库和机械手换刀装置完全具有自主知识产权。 主轴最高转速为70 000 r/min，可满足形状复杂的大型 回转体零件如飞机发动机主轴、起落架、船用发动机活 塞等的高速高效加工;北京机电院髙技术股份公司为东 方汽轮机厂研制出五轴叶片加工中心系列产品,在对大 型叶片加工工艺研究的基础上，给出了最佳刀心距的求 解方法，设计出了回转轴的新型消除间隙机构和机构平 衡系统，首创提出自由组合弹簧，使得平衡效果达到 80%。功能部件研究开发步伐加快。北京机床研究所 开发的电主轴和分离传动式高速主轴单元，以及洛阳轴 承研究所研制的多种内装式电主轴单元,使我国在髙速 主轴单元技术上日趋成熟;清华大学在直线伺服电动机 研究上取得重要的成果，其研发的高响应直线电机和髙 推力直线电机伺服系统具有所用专用电源稳定可靠的 优点。在控制系统、构建高推力永磁直线交流电机全数 字伺服驱动控制的软硬件平台、伺服控制方面也取得了 很大的突破;通过自主创新以及与国内外的技术合作， 目前国内已经有多家机床生产企业掌握了 4/C轴复 合摆角铣头的设计制造技术,开发出不同结构的五轴联 动数控机床,北京机电院高技术股份有限公司还开发了 力矩电机直接驱动的4/C轴复合摆角铣头。由力矩 电机直接驱动的数控转台和刀库研制成功。通过对 HSK工具系统的研究分析,开发了 UJSHSK工具系统 的专家知识系统,建立了 HSK工具系统综合实验性能 数据库，开发出HSK刀柄技术及相关产品，并使开发的 HSK工具系统达到了同类进口技术产品的技术水平。尽管我国在五轴数控机床技术上已经取得了一定 的成果，但是我们必须看到我们和国外同类产品的差 距，只有走自主研发，不断创新的道路，我国五轴联动 数控机床技术才能得到真正的提高，我们有理由相信 国家重大专项的启动必然会带动我国髙档机床技术的 又一次飞跃。2五轴联动数控机床的发展趋势从国内外五轴联动数控机床的研究现状，我们可以很 淸晰地看到当今五轴联动数控机床的发展趋势为卜12|:1)高速、高效率。现代加工工业高效率、低成本、髙机械制造48卷第S4S期质量的要求使得欧美日等国热衷于髙速甚至超高速机床 的研究。随着机床技术的发展|61，髙速机床主要功能部件 髙速电主轴单元、高速进给机构、高性能数控以及伺服系 统都得到了突破，髙速机床应用范围越来越广，目前直线 电机驱动的主轴转速可达15 000-100 000 r/min,进给 运动部件快速移动速度60 120 m/min。切削进给速 度60 m/min.最高加速度10 g02) 高可靠性。五轴联动数控机床加工表面比较复 杂，一般要求其平均无故障时间在20 000 h以上，且有 多种报替和防护措施,减少由于故障造成的损失。国外 驱动装置平均无故障时间可以达到30 000 h。3) 高精度。随着CAM系统的发展，机床加工精度 得到了大幅度的提升|131,日本FANUC公司设计的一 款超精密加工机床加工精度0.001 jrni,其特有的往复 运动单元,能够超精密微细加工凹槽。4) 复合化。与以往单纯追求高速主轴和进给机构 不同，当今市场对于个性化的要求日益强烈，交货日期 也在不断缩短，因此五轴加工中心更趋向于小规模，甚 至单件生产。为了满足这一要求,机床厂商需要开发出 复合程度更高的复合机床，上文中提到的五轴车铣复 合加工中心就是这一趋势的重要例子。5) 智能化、网络化、柔性化。智能化包含在机床控 制的各个方面|141,主要有自适应控制技术、故障诊断 装置，智能化数字伺服驱动装置等 网络诊断、远程控 制，网络设计等技术的兴起使五轴联动数控机床向网 络化发展。6) 绿色化。干切削或半干切削技术已经得到了较 快的发展M51，在欧洲已经有大概10% -15%的加工采 用了干切削或半干切削技术。3总结五轴联动数控机床已经成为当今加工工业最重要 的加工工具，随着工业化的深人，五轴联动数控机床必 将应用于更加广泛的领域，我国只有紧跟世界机床发铁路用工程2纵列16轴线，每轴双桥四轮，共64轮，在不久前的第十届B1CES 上,徐工带来了有别传统意义上工程机械产品的TY900型运梁车。该 产品主要用于接收提梁机运来的整孔预制箱梁，然后将其运输到桥 燊架设工位。它采用了包括无级变速、激光测距等在内的多项先进技 术，可实现遥控操作，为安全施工提供了良好的解决方案。此前，工程机械领域内，并没有专门服务于铁路领域的产品，铁 路用的工程机械产品多属于特种机械。工程机械产品用于道路建设 的专用设备仅限于公路领域，沥青拌合站、混凝土拌合站、摊铺机、压 路机、平地机等,公路建设所需产品几乎一应俱全。前些年，南车时代等铁路设备制造企业开始进军工程机械市场，展的步伐，深入研究，不断加大自主创新的力度，才能在新的机床工业发展中不断前进。参考文献1 范超毅.透过CIMT2007看五轴联动加工机床的发展J. 机床与液压，2008,36(8):66 - 169.2 林胜.五轴数控机床发展及应用J.航空精密制造技术， 2005,41 (4) ：1 -6.3 蕊阳.机床工业亟须发展五轴数控技术J.机电新产品 导报，2003(4) :44 - 46.4 匿名.我国数控机床技术发展与展望J】.机械工程师， 2007(2) ：2-10.5 中国机床工具工业协会市场部.CIMT梢品荟萃J,世界 制造技术与装备市场,2007(2) :84-92.6 沈福金.更加灵巧的铣头J,世界制造技术与装备市场， 2008(4)：83.7 杨红华.数控机床技术发展现状U.湖南农机,2008(5): 188 - 189.8 李东茹.我国数控技术发展与展望J.世界制造技术与 装备市场,2006(1 ):30 - 35.9 郑东喜,郎传平.浅析数控机床的发