1、五軸聯(lián)動數(shù)控機床百科名片五軸聯(lián)運數(shù)控機床五軸聯(lián)動數(shù)控機床是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復(fù)雜曲面的機床， 這種機床系統(tǒng)對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備 等等行業(yè)有著舉足輕重的影響力。 目前，五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)是解決葉輪、 葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機轉(zhuǎn)子、汽輪機轉(zhuǎn)子、大型柴油機曲軸等等加工的 唯一手段。目錄簡介五軸機床的種類五軸聯(lián)動加工中心國外五軸聯(lián)動數(shù)控機歷史及現(xiàn)狀五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)編輯本段簡介裝備制造業(yè)是一國工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供 重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達工業(yè)化國家，也無不高度重視。 近年來，隨著我國

2、國民經(jīng)濟迅速發(fā)展和國防建設(shè)的需要，對高檔的數(shù)控機床提出了迫 切的大量需求。機床是一個國家制造業(yè)水平的象征。而代表機床制造業(yè)最高境界的是 五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)，從某種意義上說，它反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。 長期以來，以美國為首的西方工業(yè)發(fā)達國家，一直把五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)作為重要 的戰(zhàn)略物資，實行出口許可證制度。特別是冷戰(zhàn)時期，對中國、前蘇聯(lián)等社會主義陣 營實行封鎖禁運。愛好軍事的朋友可能知道著名的東芝事件：上世紀末，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銃床，結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進螺旋 槳，上了幾個檔次，使美國間諜船的聲納監(jiān)聽不到潛艇的聲音了，所以美國以東芝公司違反了戰(zhàn)略物資

3、禁運政策，要懲處東芝公司。編輯本段五軸機床的種類有搖籃式、立式、臥式、 NC工作臺+NC分度頭、NC工作臺+90 B軸、NC工作1A軸、二軸NC主軸等。編輯本段五軸聯(lián)動加工中心五軸聯(lián)動加工中心有高效率、高精度的特點，工件一次裝夾就可完成五面體的加 工。若配以五軸聯(lián)動的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對復(fù)雜的空間曲面進行高精度加工，更 能夠適應(yīng)像汽車零部件、飛機結(jié)構(gòu)件等現(xiàn)代模具的加工。立式五軸加工中心的回轉(zhuǎn)軸 有兩種方式，一種是工作臺回轉(zhuǎn)軸，設(shè)置在床身上的工作臺可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸一般工作范圍 +30度至-120度。工作臺的中間還設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺，在圖 示的位置上環(huán)繞 Z軸回轉(zhuǎn)，定義為 C軸，C

4、軸都是360度回轉(zhuǎn)。這樣通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的五個面都可以由立式主軸進 行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001度，這樣又可以把工件細分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如與XYZ三直線軸實現(xiàn)聯(lián)動，就可加工出復(fù)雜的空間曲面，當然這需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。這種設(shè)置方 式的優(yōu)點是主軸的結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺 不能設(shè)計太大，承重也較小，特別是當A軸回轉(zhuǎn)大于等于 90度時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。另一種是依靠立式主軸頭的回轉(zhuǎn)。主軸前端是一個回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞 Z軸360度，成

5、為C軸，回轉(zhuǎn)頭上還有帶可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的 A軸，一般可達90度以上，實現(xiàn)上述同樣的功能。這種設(shè)置方式的優(yōu)點是主軸加工非常靈活，工作臺也可以設(shè)計的非常大，客機龐大的機身、巨大的發(fā)動機殼都可以在這類加 工中心上加工。這種設(shè)計還有一大優(yōu)點：我們在使用球面銃刀加工曲面時，當?shù)毒咧?心線垂直于加工面時，由于球面銃刀的頂點線速度為零，頂點切出的工件表面質(zhì)量會 很差，采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計，令主軸相對工件轉(zhuǎn)過一個角度，使球面銃刀避開頂點切 削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)非常受模具高精度曲面加 工的歡迎，這是工作臺回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。為了達到回轉(zhuǎn)的高精度，高檔的 回轉(zhuǎn)軸還配置了圓光柵尺反

6、饋，分度精度都在幾秒以內(nèi)，當然這類主軸的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)比 較復(fù)雜，制造成本也較高。編輯本段國外五軸聯(lián)動數(shù)控機歷史及現(xiàn)狀國外五軸聯(lián)動數(shù)控機床是為適應(yīng)多面體和曲面零件加工而出現(xiàn)的。隨著機床復(fù)合化技術(shù)的新發(fā)展，在數(shù)控車床的基礎(chǔ)上，又很快生產(chǎn)出了能進行銃削加工的車銃中心。五軸聯(lián)動數(shù)控機床的加工效率相當于兩臺三軸機床，有時甚至可以完全省去某些大型自動化生產(chǎn)線的投資，大大節(jié)約了占地空間和工作在不同制造單元之間的周轉(zhuǎn)運輸時間及費用。市場的需求推動了我國五軸聯(lián)動數(shù)控機床的發(fā)展，CIMT99 展覽會上國產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控機床第一次登上機床市場的舞臺。自江蘇多棱數(shù)控機床股份有限公司展出第一臺五軸聯(lián)動龍門加工中心以來，北京機

7、電研究院、北京第一機床廠、桂林機床 股份有限公司、濟南二機床集團有限公司等企業(yè)也相繼開發(fā)出五軸聯(lián)動數(shù)控機床。當前，國產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控機床在品種上已經(jīng)擁有立式、臥式、龍門式和落地式的加工中心，適應(yīng)不同大小尺寸的雜零件加工，加上五軸聯(lián)動銃床和大型鑲銃床以及車 銃中心等的開發(fā)，基本涵蓋了國內(nèi)市場的需求。精度上，北京機床研究所的高精度加 工中心、寧江機械集團股份有限公司的NJ25HMC40 臥式加工中心和交大昆機科技股份有限公司的TH61160臥式鍵銃加工中心都具有較高的精度，可與發(fā)達國家的產(chǎn)品相媲美。在產(chǎn)品市場銷售上，江蘇多棱、濟南二機床、北京機電研究院、寧江機床、 桂林機床、北京一機床等企業(yè)的產(chǎn)品已

8、獲得國內(nèi)市場的認同。編輯本段五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)裝備制造業(yè)是一國工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供 重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達工業(yè)化國家，也無不高度重視。 近年來，隨著我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展和國防建設(shè)的需要，對高檔的數(shù)控機床提出了急 迫的大量需求。機床是一個國家制造業(yè) 水平的象征。而代表機床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)，從某種意義上說，反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。長期以來，以 差曳為首的西方 工業(yè)發(fā)達國家,一直把五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實行出口許可證制度。特別是冷戰(zhàn)時期，對中國、前蘇聯(lián)等社會主義陣營實行封鎖禁運。愛好軍事的朋

9、友可能知道著名的東芝事件：上世紀末，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銃床，結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進螺旋槳，上了幾個檔次，使美國間蝶船的聲納監(jiān)聽不到潛艇的聲音了，所以美國以東芝公司違反了戰(zhàn)略物資禁運政策,要懲處東芝公司?；∶嫱馆喖庸し椒ㄑ芯繄D1弧面凸輪分度機構(gòu)由于弧面凸輪（圖1）工作曲面的 空間具有不可展特性，所以只能 通過兩個旋轉(zhuǎn)軸加工。無論是在 專用數(shù)控機床還是通用多坐標數(shù) 控機床上加工弧面凸輪，兩個旋 轉(zhuǎn)軸不但應(yīng)滿足嚙合傳動時的運 動要求，同時還應(yīng)保證其中心距 不變。大多數(shù)加工弧面凸輪的專 用數(shù)控機床除具備兩個旋轉(zhuǎn)坐標外，兩個回轉(zhuǎn)中心的距離是可調(diào) 的，以此來滿足不同中心距凸輪

10、 的加工要求。這種機床的優(yōu)點是 結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、成本低，缺點是加工范圍有限，只能采用范成法加工。對于通用五坐標數(shù)控機床，由于機床運動結(jié)構(gòu)和工裝的限制，加工弧面凸輪時是靠算法保證其中心距的。即除弧面凸輪所需的旋轉(zhuǎn)運動外還需兩個直線坐標 x、z進行位置補償，以保證刀具軸線始終通過理論回轉(zhuǎn)中心并和擺動中心重合。這種機 床的優(yōu)點是加工范圍幾乎不受限制，既可用范成法加工也可用靠刀法加工，缺點是 編程復(fù)雜、設(shè)備成本較高。對于專用五坐標數(shù)控機床，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合了上述兩種機床的優(yōu)點，所以在功 能和使用性能上都有了較大的改進。筆者現(xiàn)以五坐標機床為例，討論弧面凸輪的加 工方法和相關(guān)問題。1機床結(jié)構(gòu)及坐標系1

11、.通用五坐標數(shù)控機床通用臥式五坐標數(shù)控機床 （圖2）加工弧面凸輪時，將凸輪毛坯安裝在旋轉(zhuǎn)坐標A上用以描述凸輪轉(zhuǎn)角 。用兩個直線坐標x、z和旋轉(zhuǎn)坐標B合成刀具的擺動坐標 。若 以范成法加工凸輪，只要給出凸輪和刀具的任意角度坐標A、B以及這時刀具相對工件的補償坐標x、z就能精確地加工出弧面凸輪的輪廓曲面，這時為四軸聯(lián)動。若 以靠刀法加工凸輪，還應(yīng)在范成法的坐標基礎(chǔ)上再疊加一個由x、y合成的刀偏坐標，這時為五軸聯(lián)動。由于結(jié)構(gòu)的限制和為了防止刀具與工裝的干涉，凸輪中心一般無法和B軸中心重合，而有一個距離 D。為了編程方便，安裝時使A軸軸線經(jīng)過B軸 中心，即機床設(shè)定中心距為 0。圖2通用五坐標數(shù)控機床及

12、坐標系圖3專用五坐標數(shù)控機床及坐標系2.專用五坐標數(shù)控機床圖3是在通用五坐標數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一個W軸和數(shù)顯裝置的專用五坐標數(shù)控機床。這些裝置用于調(diào)整A軸和B軸之間的距離，可調(diào)范圍為 40280mm。由于機床的結(jié)構(gòu)和工裝設(shè)計保證了工件中心和B軸中心都通過主軸軸線，因此 z軸進給只用于控制加工凸輪的槽深而和其他參數(shù)無關(guān)，從而使操作和編程較為簡單。這種結(jié)構(gòu)的缺點是當凸輪中心距較大時，主軸懸伸較長，使主軸剛度降低。采用臥式結(jié)構(gòu)比采用立式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要是機床結(jié)構(gòu)相對簡單、剛性好和運動范圍 大，特別是在靠刀法加工時坐標變換簡單。這些特點對降低設(shè)計、制造成本，提高 加工效率和精度，快速換刀等非常有

13、利。2數(shù)學(xué)處理及編程圖4五坐標機床上的坐標變換圖4為五坐標機床上的坐標變換 示意。圖中O為刀具理論擺動中 心，O為B軸中心，刀具理論擺 動中心距為 C,機床實際中心距 為C,工件中心到B軸中心的距 離為Do考慮刀具擺動到任意位置 a時， 工件中心應(yīng)始終在以 O為圓心， 以C為半徑的圓弧上。而B軸中 心應(yīng)始終在以O(shè)為圓心，以R為 半徑的圓弧上。且有R=(C-C) 2+D2?由幾何關(guān)系可知，這時的 B軸中心相對于坐標系原點的坐標為x=D(cosB-1)-(C-C)sinBz=(C-C)(1-cosB)-DsinB可以看出補償值只與凸輪的中心距參數(shù)C、機床中心距 C、工件離B軸距離D和擺角B有關(guān)，而

14、與凸輪轉(zhuǎn)角)無關(guān)。實際應(yīng)用中，C、C和D為已知量，刀具擺角B由運動規(guī)律 B=B(A)確定，在加工過程中也為已知量。因此，通過兩個旋轉(zhuǎn)坐標和兩個直線坐標的四軸聯(lián)動控制，理論上可實現(xiàn)任意中心距凸輪的加工，不但可以用小中心距機床加工大中心距凸輪，也可以用大中心距機床加工小中心距凸輪。對于通用五坐標機床，一般有C=.o這時式(2)變?yōu)閤=-D+DcosB-CsinBz=C-DsinB-CcosB對于專用五坐標機床，一般有D=0 。這時式(2)變成 x=(C-C)sinBz=(C-C)(1-cosB)特殊情況，當調(diào)整機床使D=0且C=C時，恒有x=0、z=0o即凸輪加工變成兩軸聯(lián)動控制。將式(2)算法作

15、為一個專用模塊，放入由筆者開發(fā)研制的凸輪自動編程軟件一DoctorCAM 1.0凸輪自動編程系統(tǒng)中即可自動實現(xiàn)坐標的轉(zhuǎn)換，該變換不影響該 系統(tǒng)中的靠刀算法、偏心算法、進給速度修正、凸輪曲面修型和計算誤差控制等功 能。3應(yīng)用實例現(xiàn)有待加工弧面凸輪型號為 ：SJH350.8,其參數(shù)為：中心距350mm,分度數(shù)8,動靜比 135 /225 ； I型，左旋，槽深 48mm,滾子直徑90mm,蝸弧半徑197mm,凸輪寬度 250mm。該凸輪在專用五坐標機床上加工，由于凸輪中心距為 300mm ,大于機床最 大可調(diào)范圍40280mm,所以不能直接加工。另外，當機床中心距調(diào)至大于200mm時，由于結(jié)構(gòu)的特點

16、刀具至主軸端面的長度將大于300mm，主軸懸長將大于 500mm,機床主軸剛度將明顯變差、 加工振動過大， 對加工非常不利?？紤]到主軸剛度的要求，在不產(chǎn)生運動干涉的前提下調(diào)整機床中心距到200mm。這時的 C=200mm,9通用Z躺圖5運動規(guī)律及補償坐標曲線C=350mm ,根據(jù)公式(4) 即可求出任意 A時刻的B、x和z坐標。圖5為SJH350.8凸輪分 別在通用五坐標機床 (D=400mm , C=0)和專用 五坐標機床(D=0 ,C=200mm)上加工時，凸輪運動規(guī)律曲線及 x、z 補償坐標的對比情況。實際切削結(jié)果表明：該方 法擴大了機床的原有加工范圍，使機床原設(shè)計的中心距參數(shù)范圍由40280mm擴大到幾乎不受限制而只與機床的運動干涉有關(guān)。通過對該方法的靈活應(yīng)用還可以調(diào)整加工參數(shù)使機床剛度和加工效率得到提高。在上例中由于選擇了 200mm而非280mm的機床中心距，使主軸懸伸縮短了 80mm,從而使加工時間縮短了近30%、