五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心的組成、結(jié)構(gòu)與功能
0引言依托于傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)的三軸聯(lián)動(dòng)加工 設(shè)備沒(méi)有加工任意復(fù)雜曲面的能力,對(duì)于復(fù)雜的工 件一般需要分塊來(lái)進(jìn)行加工，造成完整的復(fù)雜工件 加工時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、需要多臺(tái)設(shè)備和多個(gè)人員 配合才能完成。具有明顯的不足之處。五軸聯(lián)動(dòng)技 術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)于快速加工具有任意復(fù)雜曲面的工件 給出了非常好的解決方法。五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù),采用三 個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并行運(yùn)動(dòng)，可以完成任 意空間曲面的加工，而且具有一次裝夾、多面自動(dòng) 加工、復(fù)雜型面一次成型、與CAD/CAM/CAPP緊密 結(jié)合等優(yōu)勢(shì)，尤其在加工周期和加工質(zhì)量方面有了 可靠保證[1]。加工中心(Machining Center, MC)是適應(yīng)省力、省 時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)換刀數(shù) 控機(jī)床，綜合加工能力強(qiáng)，工件一次裝夾后能完成較 多的加工內(nèi)容，加工精度較高，就中等加工難度的批 量零件，其效率是普通機(jī)床的5至10倍，特別是它 能完成許多普通機(jī)床不能完成的加工，對(duì)形狀復(fù)雜, 精度要求高，小批量多品種生產(chǎn)更為適用剛。五軸聯(lián)動(dòng)精工加工中心結(jié)合了上述五軸聯(lián)動(dòng) 技術(shù)和加工中心設(shè)備，具有高效率、高精度的特點(diǎn)； 是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、通 信技術(shù)、電動(dòng)與拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測(cè)量及傳 感技術(shù)、遠(yuǎn)程診斷技術(shù)、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)品。1五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的組成與結(jié)構(gòu)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心由五軸聯(lián)動(dòng)精工系統(tǒng)和五軸機(jī)床加工中心兩部分組成。1) 精工系統(tǒng)軟控系統(tǒng)是精工加工中心的核心，其性能直接 影響精工加工中心的加工效率、精度、可操作性等 關(guān)鍵指標(biāo)。5MC850-A型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心采用華 拓科技自主研發(fā)的PC+I/0開(kāi)放式HWATEC-5M-1 型五軸聯(lián)動(dòng)精工系統(tǒng)。該精工系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的 NC+PC和PC+NC結(jié)構(gòu)，采用開(kāi)放式的PC+I/0結(jié) 構(gòu)，全部精工核心功能(插補(bǔ)功能、加減速功能、實(shí) 時(shí)控制功能、輔助I/O控制功能)均由運(yùn)行在PC硬 件平臺(tái)上的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，借用現(xiàn)有的通用操作系統(tǒng) 平臺(tái)（如Windows、Linux、Vxworks等），在高級(jí)語(yǔ)言 應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件（如 Visual C++、Visual Basic、C# 等） 支持下，通過(guò)安裝在PC主板擴(kuò)展槽上的通訊接口 和I/O板卡對(duì)伺服系統(tǒng)和機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制， 具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、可二次開(kāi)發(fā)、與平臺(tái)無(wú)關(guān)性、 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)操作方式等開(kāi)放式軟件化特征％相對(duì)于 傳統(tǒng)嵌入式精工系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：① 軟、硬件開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，可以完成各種擴(kuò)展的 高級(jí)組合控制和在線(xiàn)檢測(cè)功能；② 與市場(chǎng)上成熟的CAD、CAPP、CAM軟件的有 效鏈接接口功能；③ 可方便的實(shí)現(xiàn)針對(duì)精工機(jī)床整體的遠(yuǎn)程狀 態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷功能；④ 支持遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程技術(shù)支持等 功能；⑤ 操作平臺(tái)采用通用Windows操作系統(tǒng)，操作 簡(jiǎn)單、靈活、方便；⑥ 具有極強(qiáng)的遠(yuǎn)程通訊、圖形處理、多媒體處 理功能，并具有良好的外圍設(shè)備接口；精工系統(tǒng)操作界面如圖2所示。在系統(tǒng)可靠性方面，由于開(kāi)放式、軟件化精工 系統(tǒng)采用的是成熟的通用PC標(biāo)準(zhǔn)硬件來(lái)完成非常 復(fù)雜的功能，與傳統(tǒng)封閉式精工系統(tǒng)采用定制產(chǎn)品 只能完成簡(jiǎn)單功能相比，可靠性是有更高的保證 的。2) 五軸機(jī)床加工中心運(yùn)動(dòng)軸。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的運(yùn)動(dòng)軸大多是3+2的結(jié)構(gòu)，即X, Y, Z三個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸加上分別X， Y，Z軸旋轉(zhuǎn)的A，B, C三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸中的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸 組成。這樣，從大的方面分類(lèi),就有了 X，Y，Z, A, B; X，Y, Z, A, C; X, Y, Z, B, C三種形式，由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸 的組合形式來(lái)分，大體上有雙轉(zhuǎn)臺(tái)式、單轉(zhuǎn)臺(tái)加單 擺頭式和雙擺頭式三種形式，如圖3所示。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心采用雙 轉(zhuǎn)臺(tái)式又丫,乙人，(：形式，見(jiàn)圖33)。五軸聯(lián)動(dòng)可加 工工件尺寸可達(dá)$250x250,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，性?xún)r(jià) 比優(yōu)勢(shì)明顯。自動(dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置使加工中心裝夾 工件后能盡可能多的完成同一工件不同部位的加 工要求，并盡可能減少加工中心的非故障停機(jī)時(shí) 間，達(dá)到縮短產(chǎn)品制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度 等目標(biāo)。對(duì)自動(dòng)換刀裝置的基本要求主要是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、功能可靠、交換迅速[51。自動(dòng)換刀裝置將工件加 工的不同工序集中在一起，是加工中心的重要組成 部分，它的性能直接影響加工效率的高低。常見(jiàn)的自動(dòng)換刀裝置有斗笠式刀庫(kù)、圓盤(pán)式刀 庫(kù)、鏈?zhǔn)降稁?kù)。5MC850-A型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心采用 圓盤(pán)式刀庫(kù)，可容納24把刀，換刀時(shí)間在1.5 s以 內(nèi)，如圖4所示。圓盤(pán)式刀庫(kù)利用機(jī)械手臂換刀，較 斗笠式刀庫(kù)整體移動(dòng)提高了換刀效率，較鏈?zhǔn)降稁?kù) 經(jīng)濟(jì)實(shí)用。另外，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心還 包含Z向主軸升降運(yùn)動(dòng)液氮平衡系統(tǒng)、自動(dòng)潤(rùn)滑系 統(tǒng)、冷卻液循環(huán)系統(tǒng)等，為高效率、高精度加工提供 輔助功能及結(jié)構(gòu)上的保證。2五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的功能五軸聯(lián)動(dòng)加工中心適合加工工序多、要求高、 需要多種類(lèi)型的普通機(jī)床和多種刀具夾具經(jīng)過(guò)多 次裝夾調(diào)試才能完成加工的復(fù)雜曲面工件。例如發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、離合器殼體、葉輪、螺旋槳、醫(yī)用人工關(guān) 節(jié)、頭像、頭盔模型等等，如圖5所示，這些工件在 普通機(jī)床上是幾乎不可能完成的任務(wù)，而五軸聯(lián)動(dòng) 加工中心對(duì)于這些工件的加工具備天然的優(yōu)勢(shì)。 5MC850-A型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心可勝任上述工件中加工工序多、精度要求較高的中小型復(fù)雜曲面工件加工，是一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的立鐵加工中心。其 主要指標(biāo)如下：(1) 行程:X 800mm，Y 500mm, Z 700mm，A 傾斜 軸-110。~110。，C 旋轉(zhuǎn)軸 ±360。(2) XY工作臺(tái)載荷600kg(3) 轉(zhuǎn)臺(tái)重量300kg，臺(tái)面尺寸<D250(4) X, Y, Z直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸重復(fù)定位精度矣5 |xm(5 )X, Y, Z直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸定位精度在10 |x m(6 )A，C回轉(zhuǎn)軸重復(fù)定位精度彡4"(7) A個(gè)讀斗軸定位精度矣60" ; C旋轉(zhuǎn)軸定位精 度名15"(8) 傾斜軸0°載荷140kg;0~90。范圍內(nèi)允許 載荷70kg，切削扭力l〇〇〇N-m(9)主軸最高轉(zhuǎn)速8000rev/min，快速定位速 度多 10m/min(10) BT40-24圓盤(pán)刀庫(kù)，可容納24把刀，換刀 時(shí)間矣1.5sec(11) 系統(tǒng)分辨率0.1 |x m(12) 進(jìn)給速度前瞻控制(預(yù)讀5000行）另外，具備開(kāi)放式PC+I/0體系結(jié)構(gòu)精工系統(tǒng) 的5MC850-A型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心可以方便的與 CAD/CAM/CAPP軟件進(jìn)行對(duì)接，形成CAD /CAM /CAPP /CNC —體化產(chǎn)品;在完成基本的運(yùn)動(dòng)控制和 加工中心輔助控制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件加工的同時(shí)，還可 以便捷的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程技術(shù)支持及生產(chǎn)調(diào)度服務(wù)，這些 優(yōu)勢(shì)使5MC850-A型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心可以作為 關(guān)鍵設(shè)備和基本單元應(yīng)用于更高層面的柔性制造 系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)或敏捷制造系統(tǒng)。3結(jié)論五軸聯(lián)動(dòng)精工加工中心由五軸聯(lián)動(dòng)精工系統(tǒng) 和五軸機(jī)床加工中心組成，適合加工工序多、要求 高的復(fù)雜曲面工件，具有高效率、高精度的特點(diǎn)，是解決葉輪、葉片、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)、曲軸等等復(fù)雜曲 面零件加工的重要手段。對(duì)國(guó)家的航空、航天、軍 事、科研、精密儀器、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)具有舉足輕重 的作用。