五軸聯(lián)動(dòng)加工中心

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1、精品文檔，僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床 百科名片 五軸聯(lián)運(yùn)數(shù)控機(jī)床 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)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(jī)床，這種機(jī)床系統(tǒng)對一個(gè)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(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等等加工的唯一手段。 目錄 簡介 五軸機(jī)床的種類 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心 國外五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)歷史及現(xiàn)狀 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)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

2、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(dá)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(jì)迅速發(fā)展和國防建設(shè)的需要，對高檔的數(shù)控機(jī)床提出了迫切的大量需求。機(jī)床是一個(gè)國家制造業(yè)水平的象征。而代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，從某種意義上說，它反映了一個(gè)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(dá)國家，一直把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實(shí)行出口許可證制度。特別是冷戰(zhàn)時(shí)期，對中國、前蘇聯(lián)等社會(huì)主義陣營實(shí)行封鎖禁運(yùn)。愛好軍事的朋友可能知道著名的“東芝事件”：上世紀(jì)末，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床，結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進(jìn)螺

3、旋槳，上了幾個(gè)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)略物資禁運(yùn)政策，要懲處東芝公司。 編輯本段 五軸機(jī)床的種類 　　有搖籃式、立式、臥式、NC工作臺(tái)+NC分度頭、NC工作臺(tái)+90B軸、NC工作臺(tái)+45B軸、NC工作臺(tái)+ 通用臥式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床 [1] A軸、二軸NC 主軸等。 編輯本段 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心 　　五軸聯(lián)動(dòng)加工中心有高效率、高精度的特點(diǎn)，工件一次裝夾就可完成五面體的加工。若配以五軸聯(lián)動(dòng)的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行高精度加工，更能夠適應(yīng)像汽車零部件、飛機(jī)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，

4、一種是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸，設(shè)置在床身上的工作臺(tái)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(tái)的中間還設(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)，在圖示的位置上環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C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(tái)上的工件除了底面之外，其余的五個(gè)面都可以由立式主軸進(jìn)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(xì)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(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，就可加工出復(fù)雜的空間曲面，當(dāng)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(diǎn)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(tái)不能設(shè)計(jì)

5、太大，承重也較小，特別是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)大于等于90度時(shí)，工件切削時(shí)會(huì)對工作臺(tái)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(gè)回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞Z軸360度，成為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(dá)90度以上，實(shí)現(xiàn)上述同樣的功能。這種設(shè)置方式的優(yōu)點(diǎn)是主軸加工非常靈活，工作臺(tái)也可以設(shè)計(jì)的非常大，客機(jī)龐大的機(jī)身、巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)殼都可以在這類加工中心上加工。這種設(shè)計(jì)還有一大優(yōu)點(diǎn)：我們在使用球面銑刀加工曲面時(shí)，當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時(shí)，由于球面銑刀的頂點(diǎn)線速度為零，頂點(diǎn)切出的工件表面質(zhì)量會(huì)很差，采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)，令主軸相對工件轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，使球面銑刀避開頂點(diǎn)切削，保證有一定

6、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(tái)回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。為了達(dá)到回轉(zhuǎn)的高精度，高檔的回轉(zhuǎn)軸還配置了圓光柵尺反饋，分度精度都在幾秒以內(nèi)，當(dāng)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(dòng)數(shù)控機(jī)歷史及現(xiàn)狀 　　國外五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是為適應(yīng)多面體和曲面零件加工而出現(xiàn)的。隨著機(jī)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(jìn)行銑削加工的車銑中心。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的加工效率相當(dāng)于兩臺(tái)三軸機(jī)床，有時(shí)甚至可以完全省去某些大型自動(dòng)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(yùn)輸時(shí)間及費(fèi)用。市場的需求

7、推動(dòng)了我國五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，CIMT99 展覽會(huì)上國產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床第一次登上機(jī)床市場的舞臺(tái)。自江蘇多棱數(shù)控機(jī)床股份有限公司展出第一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心以來，北京機(jī)電研究院、北京第一機(jī)床廠、桂林機(jī)床股份有限公司、濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司等企業(yè)也相繼開發(fā)出五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。 　　當(dāng)前，國產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)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(dòng)銑床和大型鏜銑床以及車銑中心等的開發(fā)，基本涵蓋了國內(nèi)市場的需求。精度上，北京機(jī)床研究所的高精度加工中心、寧江機(jī)械集團(tuán)股份有限公司的NJ25HMC40 臥式加工中心和交大昆機(jī)科技股份有限公司

8、的TH61160 臥式鏜銑加工中心都具有較高的精度，可與發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品相媲美。在產(chǎn)品市場銷售上，江蘇多棱、濟(jì)南二機(jī)床、北京機(jī)電研究院、寧江機(jī)床、桂林機(jī)床、北京一機(jī)床等企業(yè)的產(chǎn)品已獲得國內(nèi)市場的認(rèn)同。 編輯本段 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)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(dá)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(jì)迅速發(fā)展和國防建設(shè)的需要，對高檔的數(shù)控機(jī)床提出了急迫的大量需求。機(jī)床是一個(gè)國家制造業(yè)水平的象征。而代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，從某種意義上說，反映了一個(gè)國家的工業(yè)發(fā)展水

9、平狀況。 　　長期以來，以美國為首的西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家，一直把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實(shí)行出口許可證制度。特別是冷戰(zhàn)時(shí)期，對中國、前蘇聯(lián)等社會(huì)主義陣營實(shí)行封鎖禁運(yùn)。愛好軍事的朋友可能知道著名的“東芝事件”：上世紀(jì)末，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床，結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進(jìn)螺旋槳，上了幾個(gè)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(yùn)政策，要懲處東芝公司。 弧面凸輪加工方法研究 圖1 弧面凸輪分度機(jī)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(gè)旋轉(zhuǎn)軸加工。無論是在專用數(shù)控機(jī)床還是通用

10、多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床上加工弧面凸輪，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸不但應(yīng)滿足嚙合傳動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)要求，同時(shí)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(jī)床除具備兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)外，兩個(gè)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的加工要求。這種機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、成本低，缺點(diǎn)是加工范圍有限，只能采用范成法加工。 對于通用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床，由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和工裝的限制，加工弧面凸輪時(shí)是靠算法保證其中心距的。即除弧面凸輪所需的q～t旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外還需兩個(gè)直線坐標(biāo)x、z進(jìn)行位置補(bǔ)償，以保證刀具軸線始終通過理論回轉(zhuǎn)中心并和擺動(dòng)中心重合。這種機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是編程

11、復(fù)雜、設(shè)備成本較高。 對于專用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合了上述兩種機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，所以在功能和使用性能上都有了較大的改進(jìn)。筆者現(xiàn)以五坐標(biāo)機(jī)床為例，討論弧面凸輪的加工方法和相關(guān)問題。 1 機(jī)床結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系 1. 通用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床 通用臥式五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床(圖2)加工弧面凸輪時(shí)，將凸輪毛坯安裝在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)A上用以描述凸輪轉(zhuǎn)角q。用兩個(gè)直線坐標(biāo)x、z和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)B合成刀具的擺動(dòng)坐標(biāo)t。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(biāo)A、B以及這時(shí)刀具相對工件的補(bǔ)償坐標(biāo)x、z就能精確地加工出弧面凸輪的輪廓曲面，這時(shí)為四軸聯(lián)動(dòng)。若以靠刀法加工凸輪，還應(yīng)在范成法的坐標(biāo)基礎(chǔ)上再疊加一個(gè)由x

12、、y合成的刀偏坐標(biāo)，這時(shí)為五軸聯(lián)動(dòng)。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(gè)距離D。為了編程方便，安裝時(shí)使A軸軸線經(jīng)過B軸中心，即機(jī)床設(shè)定中心距為0。 圖2 通用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床及坐標(biāo)系 圖3 專用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床及坐標(biāo)系 2. 專用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床 圖3是在通用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)W軸和數(shù)顯裝置的專用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)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40～280mm。由于機(jī)床的結(jié)構(gòu)和工裝設(shè)計(jì)保證了工件中心和B軸中心都通過主軸軸線，因此z軸進(jìn)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

13、。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是當(dāng)凸輪中心距較大時(shí)，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(diǎn)主要是機(jī)床結(jié)構(gòu)相對簡單、剛性好和運(yùn)動(dòng)范圍大，特別是在靠刀法加工時(shí)坐標(biāo)變換簡單。這些特點(diǎn)對降低設(shè)計(jì)、制造成本，提高加工效率和精度，快速換刀等非常有利。 2 數(shù)學(xué)處理及編程 圖4 五坐標(biāo)機(jī)床上的坐標(biāo)變換 圖4為五坐標(biāo)機(jī)床上的坐標(biāo)變換示意。圖中O為刀具理論擺動(dòng)中心，O為B軸中心，刀具理論擺動(dòng)中心距為C，機(jī)床實(shí)際中心距為C，工件中心到B軸中心的距離為D。 考慮刀具擺動(dòng)到任意位置a時(shí)，工件中心應(yīng)始終在以O(shè)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

14、 R=[(C-C)2+D2] (1) 由幾何關(guān)系可知，這時(shí)的B軸中心相對于坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)為 { x=D(cosB-1)-(C-C)sinB z=(C-C)(1-cosB)-DsinB (2) 可以看出補(bǔ)償值只與凸輪的中心距參數(shù)C、機(jī)床中心距C、工件離B軸距離D 和擺角B有關(guān)，而與凸輪轉(zhuǎn)角) 無關(guān)。 實(shí)際應(yīng)用中，C、C和D 為已知量，刀具擺角B由運(yùn)動(dòng)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(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)和兩個(gè)直線坐標(biāo)的四軸聯(lián)動(dòng)控制，理論上可實(shí)現(xiàn)任意中心距凸輪的加工，不但可以用小中心距機(jī)床加工大中心距凸輪，也可以用大中心距機(jī)床加工小中心距凸輪。對于通用五

15、坐標(biāo)機(jī)床，一般有C=.。這時(shí)式(2)變?yōu)? { x=-D+DcosB-CsinB z=C-DsinB-CcosB (3) 對于專用五坐標(biāo)機(jī)床，一般有D=0。這時(shí)式(2)變成 { x=(C-C)sinB z=(C-C)(1-cosB) (4) 特殊情況，當(dāng)調(diào)整機(jī)床使D=0且C=C 時(shí)，恒有x=0、z=0。即凸輪加工變成兩軸聯(lián)動(dòng)控制。將式(2)算法作為一個(gè)專用模塊，放入由筆者開發(fā)研制的凸輪自動(dòng)編程軟件—DoctorCAM 1.0凸輪自動(dòng)編程系統(tǒng)中即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)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(jìn)給速度修正、凸輪曲面修型和計(jì)算誤差控制等功能。 3

16、應(yīng)用實(shí)例 現(xiàn)有待加工弧面凸輪型號(hào)為:SJH350.8，其參數(shù)為:中心距350mm，分度數(shù)8，動(dòng)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(biāo)機(jī)床上加工，由于凸輪中心距為300mm，大于機(jī)床最大可調(diào)范圍40～280mm，所以不能直接加工。 另外，當(dāng)機(jī)床中心距調(diào)至大于200mm 時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)刀具至主軸端面的長度將大于300mm，主軸懸長將大于500mm，機(jī)床主軸剛度將明顯變差、加工振動(dòng)過大，對加工非常不利。 考慮到主軸剛度的要求，在不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉的前提下調(diào)整機(jī)床中心距到200mm。這時(shí)的C=200mm，C=

17、350mm，根據(jù)公式(4)即可求出任意A時(shí)刻的B、x和z坐標(biāo)。 圖5 運(yùn)動(dòng)規(guī)律及補(bǔ)償坐標(biāo)曲線 圖5為SJH350.8凸輪分別在通用五坐標(biāo)機(jī)床(D=400mm，C=0)和專用五坐標(biāo)機(jī)床( D=0，C=200mm)上加工時(shí)，凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線及x、z補(bǔ)償坐標(biāo)的對比情況。 實(shí)際切削結(jié)果表明:該方法擴(kuò)大了機(jī)床的原有加工范圍，使機(jī)床原設(shè)計(jì)的中心距參數(shù)范圍由40～280mm 擴(kuò)大到幾乎不受限制而只與機(jī)床的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jī)床中心距，使主軸懸伸縮短了80mm，從而使加工時(shí)間縮短了近30%、加工表面質(zhì)量提高一個(gè)等級。因此，使機(jī)床功能得以擴(kuò)展，使用更為靈活。 對于大分度角和多頭弧面凸輪的加工，由于分度角較大，要求刀具的擺角也較大，這時(shí)容易出現(xiàn)A軸箱體或工裝與刀具或主軸干涉的現(xiàn)象。通過適當(dāng)調(diào)整D參數(shù)或通過工件掉頭兩次加工的方法也可以達(dá)到擴(kuò)大機(jī)床加工范圍的效果。 4 結(jié)論 使用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工弧面凸輪，不但可以實(shí)現(xiàn)靠刀法加工，而且還可以通過多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制調(diào)整數(shù)控機(jī)床的加工范圍和參數(shù)。 根據(jù)各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系編制出程序軟件。通過靈活運(yùn)用，可以充分發(fā)揮機(jī)床的功能，提高機(jī)床的效率，從而加工出高質(zhì)量的弧面凸輪。 【精品文檔】第 7 頁