五轴联动数控机床的结构和应用.pdf

机械制造与研究 杜玉湘 等 五轴联动数控机床的结构和应用 http M ZZHD chinajourna l net cn E mai l ZZHD chainajourna l net cn 5机械制造与自动化6 作者简介 杜玉湘 1977 女 山东临沂人 工程师 学士 主要从事数控技术工作 五轴联动数控机床的结构和应用 杜玉湘 陆启建 刘 LI U明 M I NG灯 DENG 南京四开电子企业有限公司 江苏 南京 210007 摘 要 介绍了五轴联动数控机床的几种结构及其特点和发展趋势 阐述了几种五轴联动机床 加工的加工造型 编程 CAD CAM 系统 及其优缺点 详细描述了五轴联动数控机床对数控系 统的要求及四开公司五轴联动数控系统的关键参数 列举了四开公司历年来参展的五轴联动 数控机床及现场加工工件的情况 关键词 五轴联动 加工中心 零传动 数控系统 中图分类号 TG659 文献标识码 A 文章编号 1671 5276 2008 03 0014 03 Structure andApplication of Five axis Linkage CNCM achine DU Yu x iang LU Q i jian LIU M ING deng Nanjing Sky E l ectroni c Enterprise Co Ltd Nanjing 210007 China Abstract This paper introduced several structures of fi ve axis CNC machines and the direction of the deve l opment of fi ve axis CNC machines it introduced several sculpts mach i ning by different five axis CNC machines and compared their programm ing methods CAD CAM system and characteristics The paper parti cularly described the requirements ofCNC system for fi ve axis CNC ma chines and the key parameters ofSKY fi ve axis CNC system In the end it introduced SKY fi ve axis CNC machines exh i bited these years and the accessori es processing by the mach i nes K ey words five axis MC direct drive CNC 0 前言 从 2002年开始 中国已成为世界机床消费第一大国 和机床进口第一大国 进出口逆差严重 中高档 大型 精 密 高速数控机床以及数控系统的进口依赖程度更加明 显 2005年 中高档与大型数控机床进口达到了 52亿美 元 2006年则增加到了 64亿美元 目前 中国进口高档 大型 精密和高速数控机床的比例达 80 以上 中国汽车 制造装备 70 以上和汽车发动机生产线 90 以上依赖进 口 而且几乎百分之百的中高档国产数控机床采用的数控 系统也都是依赖进口 五轴联动加工中心有高效率 高精度的特点 工件一 次装夹就可完成五面体的加工 如配置五轴联动的高档 数控系统 还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工 更 能够适合越来越复杂的高档 先进模具的加工以及汽车零 部件 飞机结构件等精密 复杂零件的加工 众所周知 发 达国家直到现在还在限制五轴联动数控系统和机床对中 国的出口 如果用户使用国外的数控系统 就必须签署严 格的定向使用协定 并接受检查 1 五轴联动数控加工中心的结构 五轴联动加工中心大多是 3 2的结构 即 x y z 三 个直线运动轴加上分别围绕 x y z轴旋转的 a b c三个 旋转轴中的两个旋转轴组成 这样 从大的方面分类 就有 x y z a b x y z a c x y z b c三种形式 由二个 旋转轴的组合形式来分 大体上有双转台式 转台加上摆头 式和双摆头式三种形式 这三种结构形式由于物理上的原 因 分别决定了机床的规格大小和加工对象的范围 其中 双转台结构的五轴联动机床由于在加工工件时 工件需要在两个旋转方向运动 所以只适合加工小型零件 如小型整体涡轮 叶轮 小型精密模具等 由于结构最为简 单 所以相对价格较为低廉 就应用来讲 这是数量最多的 一类五轴联动数控机床 图 1 图 1 双转台式五轴联动机床加工 汽车大灯 模具 转台加上摆头式结构的五轴联动机床由于转台可以 是 a轴 b轴或 c轴 摆头也是一样 可以分别是 a轴 b轴 或 c轴 所以转台加上摆头式结构的五轴联动机床可以有 14 机械制造与研究 杜玉湘 等 五轴联动数控机床的结构和应用 M achineBuildingAuto m ation Jun 2008 37 3 14 16 20 各种不同的组合 以适应不同的加工对象 如加工汽轮发 电机的叶片 需要 a轴加上 b轴 其中 a轴需要用尾座顶 尖配合顶住工件 如果工件较长同时直径又细 则需要两 头夹住并且拉伸工件来进行加工 当然这里一个必要条件 是两个转台必须严格同步旋转 再如加工如图 2所示零件 采用 c轴加上 b轴 由于 工件仅在 c轴上旋转运动 所以工件可以很小 也可以较 大 直径范围可由几十毫米至数千毫米 c轴转台的直径 也可以从 100 200mm至 2 3m 机床的规格 质量也从 几吨至十几吨甚至数十吨 这也是一类应用十分广泛的 五轴联动数控机床 其价格居中 随机器规格大小 精度和 性能的不同相差很大 双摆头式结构的五轴联动机床如图 3所示 由于结构本 身的原因 摆头中间一般有一个带有松拉刀结构的电主轴 所以双摆头自身的尺寸不容易做小 一般在 400 500 mm 图 2 C轴 B 轴五轴联动机床加工模具 左右 加上双摆头活动范围的需要 所以双摆头结构的五 轴联动机床的加工范围不宜太小 而是越大越好 一般为 龙门式或动梁龙门式 龙门的宽度在 2 000 3 000 mm以 上为好 图 3 双摆头式结构的五轴联动机床 早期的双摆头一般采用可调间隙的蜗轮蜗杆结构或 者可消除间隙的齿轮结构 机器的性能 刚性和精密度 往往由双摆头传动链的刚性来决定 即传动齿轮的间隙一 定是负值 传动齿轮在一定弹性变形状态下工作 其变形 量的大小取决于该传动环节的预加载荷 图 3 a 为西班 牙式双摆铣头 采用齿轮传动和鼠牙盘定位结构 刚性远 好于一般的双摆铣头 特别适合五面体的高效加工 比较新的五轴联动机床旋转轴的结构一般采用所谓 零传动0技术的扭矩电机 如瑞士的米克朗 德国的德马 吉等著名五轴联动加工中心产品品牌 零传动技术在旋 转轴中的应用 也许是解决其传动链刚性和精度的最理想 的技术路线 随着技术的发展 扭矩电机的制造成本大大 下降 市场价格也随之下降 这一进程将促使五轴联动机 床的制造技术大大地前进一步 图 3 b 为瑞士米克朗采 用扭矩电机技术的龙门式五轴联动加工中心 2 五轴联动机床加工的加工造型 编程 CAD CAM 系统 五轴加工一般不可能再用手工编程 编制加工程序必 须采用 CAD CAM 系统 经过几十年的发展 CAD CAM 技术在五轴联动 五面体加工等高端的应用也已经相当广 泛 在中国 引进的有关 CAD CAM 系统就有 Ci matron Delca m M astercam Unigraphics UG Solidege Solid works Pro Engineer和 OPEN M I ND 等 国内自主品牌的 CAD CAM 系统几乎只有北航海尔的 CAXA 系统 对于 五轴加工 根据不同的加工对象 这些系统各有所长 比如 说 在模具制造的五轴加工方面 Delca m的 Power m ill功能 模块在特征技术 后处理 干涉检查 加工循环和仿真切削 等方面都比较强大 操作使用方便 OPEN MDM I在五轴联 动加工方面也很有特色 针对不同的加工行业和加工对 象 好的 CAM 系统都有相应的软件包 专业专用 很难有 一种软件可以包打天下 3 五轴联动数控系统 由于 东芝事件0的深远影响 日本发那科在最近若 干年内五轴联动的数控系统都是不可能卖给中国的 近 年来 中国陆续推出五轴联动机床的厂家 如沈阳 大连 北京 济南 常州 桂林和齐齐哈尔等地的机床厂 越来越 多 各式五轴联动数控机床在北京 上海等国际机床展上 不断亮相 但是 这些五轴联动机床一个共同特点就是所 采用的数控系统基本上都是西门子的 840D 系统 而且 其中的功能大都是经过适当裁减的 即使 这样 配上 840D数控系统的五轴联动机床的用户也要接受他们的定 向使用审查而受其限制 15 机械制造与研究 杜玉湘 等 五轴联动数控机床的结构和应用 http M ZZHD chinajourna l net cn E mai l ZZHD chainajourna l net cn 5机械制造与自动化6 数控系统是数控机床的大脑 数控机床的性能和功能 除了机床本身的设计和制造品质以外 还取决于数控系统 的性能和功能 五轴联动数控机床更是如此 所以在中 国 解决高档数控系统 包含五轴联动数控系统 的自主 知识产权问题尤为重要 笔者认为 在目前阶段 高档数 控系统起码应该具备以下基本要素 1 多通道 多轴联动 五轴以上 2 刀具的空间补偿及优化功能 3 全闭环或 双闭环控制的能力 4 插补周期 1 000程序段 6 数据运算与交换的单位 1 nm 有心人应该注意到 在 2001年北京国际机床展上 南 京四开公司就推出了配有自主知识产权数控系统的五轴 联动数控机床 并在现场连续六天加工深水井泵的整体叶 轮 青铜材料 四开公司 SKY 系列高档数控系统的部分 主要技术指标如下 1 轴数 6轴 联动 加上主轴 可以 选择 8轴或 16轴 2 内部运算及交换数据分辩率 01001 Lm 即所谓的纳米插补 3 系统最小指令增量 0 1 Lm 4 段处理时间 BPT 0 1ms 5 5轴加工功能 三维空间刀 具半径和长度补偿 6 斜加工平面 钻斜孔和斜孔中退 刀功能 7 对倾斜轴的空间机械几何精度自动补偿 8 双 端驱动和重心推动功能 9 各种误差补偿 全行程直线补 偿 非线性弯曲补偿 双向螺距补偿 间隙补偿 过象限补 偿 刀具偏置和热膨胀 静摩擦和动摩擦补偿等 10 提前 预处理 前瞻控制 5 000程序段 FANUC16i数控系统为 600程序段 11 粗插补周期 2ms 12 细插补周期 0 1 ms 13 加工动态轨迹显示功能 14 进给轴或主轴的功率 显示及控制功能 15 加工时间的显示 四开公司的 SKY 高档数控系统最近获得了 2006年 江苏省科技厅成果转化项目 1 000万人民币无偿拨款的 支持 资金已经全部到账 4 四开公司连续推出多款五轴联动 数控机床 自 2001年以来 四开公司陆续推出了多款五轴联动 数控机床 a 在 2001年的北京国际机床展览会上 四开公司展 出了两台数控机床 一台是采用了零传动技术即采用直线 电机的数控车床 另一台是五轴联动的数控镗铣床 现场 加工了一种青铜材料的一个深井泵的整体叶轮 展会六 天 加工六天 b 在 2006年 2月份的上海国际机床展览会上 四开 公司展出了型号为 SKY80120的双转台型五轴联动高速 数控铣床 现场加工了一个足球的模型 c 在 2006年 5月份上海国际工模具展览会上和 2006年 6月份的北京国际机床展上 南京四开公司展出 了型号为 SKY5 70100的双转台型五轴联动高速数控铣 床 在现场加工了一个人头像的模型 图 4 其主要参数 为 x y 和 z 700 mm 1 000 mm 700 mm 行程 b 轴 c轴 d 在 2007年 4月份的北京国际机床展览会上 四开 公司展出了型号为 SKY12160的双摆头式五轴联动高速 图 4 采用 S KY5 70100型数控铣床的五轴联动 现场加工人头像 数控铣床 在现场加工 一个直径为 400 mm 的红色球体 上 主轴转速为 1 8万 r m in 刀具快速 精确地沿着球体 的法线高速加工中英文字体 图 5 图 5 SKY12160的双摆头式五轴联动高速数 控铣床在现场加工 在圆球上沿法线高速铣削 和雕刻中文及英文字符 e 在 2007年 11月份的上海中国工业博览会上 四开 公司展出了型号为 SKY16175的摆头加上转台式五轴联动 加工中心 该机床采用了四开公司的 SKY 2006N 高档数 控系统 具有中国自主知识产权 在会展上以五轴联动 方式加工一个 20世纪 50年代小轿车的汽车模型 图 6 引起轰动 上海东方卫视和新闻综合频道的报道给予了很 高的评价 该车的大小为 600mm 250mm 200mm 模型 的数据来源于网络 由四开公司的技术人员加以处理 形成 G代码 加工程序高达一个 GB 1GB 1 000MB即 100万 kB 以五轴联动 五面体的方式一次加工完成 5 结论 五轴联动机床的使用比三轴机床要复杂许多 使用成 本也高出许多 对编程 操作人员的要求也要高出许多 但 是为什么在全世界的范围内人们对五轴联动加工越来越 趋之若鹜呢 采用五轴联动机床加工的好处首先是可以做到复杂 工件的所谓 一次装卡 除了装卡面全部干完0的五面体 加工效果 有效解决因二次装卡带来误差的问题 其次是 可以做到刀具的恒线速切削 从而得到较高的切削效率和 下转第 20页 16 机械制造与研究 韦亮 等 基于逆向工程的牙周膜建模及有限元计算方法 http M ZZHD chinajourna l net cn E mai l ZZHD chainajourna l net cn 5机械制造与自动化6 大的建模功能 本例中的牙槽骨就是在 PART 模块中建 模 在 ASSEMBLY模块中与牙齿装配 最后进行布尔运算 所得到 在磨牙 牙周膜和牙槽骨的装配过程中 在各部 分上定义辅助平面和辅助轴线 通过约束关系使得最后装 配结果与实际相符合 该研究的意义在于 1 提供了一种新的正畸过程有 限元计算的方法 从建立模型方法上看 与 CT 重构相比 激光扫描在数据的准确性上程度更高 建立的模型与真实 牙齿更加接近 2 分别发挥了口腔正畸医生和工程设计 人员专长 正畸医生的优势在于对于正畸基础理论的掌 握和实际正畸操作的经验 而工程设计人员可以吸取正 畸医生的基础理论和实际经验 使计算与实际情况更加 接近 3 计算结果对正畸过程具有一定的参考价值 正 畸医生可根据结果对正畸力的大小和施加方向进行调 整 以保证获得最佳正畸效果并控制在病人可以承受的 范围内 参考文献 1 王霄 刘会霞 CAT I A逆向工程实用教程 M 北京 化学工 业出版社 2006 2 石亦平 周玉蓉 ABAQU S有限元分析实例详解 M 北京 机械工业出版社 2006 3 Thresher RW The stress analysis of human teeth J J B io mech 1973 6 5 443 449 4 Farah J W Photo elastic and finite element stress analysis of a re stored ax isymmetric first mo lar J J Biomech 1973 6 5 551 520 5 M cguinness NJ W ilson AN JonesML et al A stress analysis of the periodontal ligament under various orthodontic loadings J Eur JO rthod 1991 13 3 231 242 6 Andersen K M ortensen H T Pedersen E H et al Deter m ina tion of stress levels and profiles in the periodontal ligament by means of an i mproved three di mensional finite elementmodel for various types of orthodontic and natura l force J J BiomedEng 1991 13 293 303 7 M cGuinessN JP W i