五軸數控技術的發展對機床工業的影響

金福民，管建峰

(1.江蘇振東港口機械制造有限公司，江蘇常熟215000;2.常熟理工學院，江蘇常熟215500)

0 引言

在社會經濟高速發展的今天，人們對生活中的一些日常電子用品或是對輪船、飛機等領域產品在性能和外觀上都有了新的要求，為了迎合市場需求，提升產品性能，設計者在產品設計時其零件的復雜程度越來越高，對零件和產品的精度也有了更嚴格的要求，殘酷的市場競爭在一定程度上壓縮了產品的研發時間，以往單純的水平和垂直方向的機床加工已經滿足不了設計和生產的需求，SNK 五軸數控加工中心的出現很好地解決了連續、平滑、曲面復雜的加工難題［1］，零件的精密度和復雜度難題在這里都迎刃而解。這種新型加工技術把電腦控制、高性能伺服技術和精密加工技術三位合一，這些特性在醫療、航空、航天、軍事等領域中都起到了舉足輕重的影響，有效地提高了制造業的生產水平和企業在國際上的綜合競爭能力［2］。

圖1 呈現的是最常見的需要五軸數控加工中心處理的零件:

圖1 典型五軸聯動數控加工零件

正是因為五軸加工中心的加工能力非常強，對其機床本身的機械和數字控制系統都有非常高的需求，上世紀末，西方發達國家在這方面投入大量人力物力，同時嚴格控制五軸機床的技術及出口，讓其成為整個國家具有戰略意義的產品。

1 五軸數控加工的特點

五軸數控加工機床在工作時是圍繞五個方向來進行的，在具體操作中，它在X、Y、Z 三個線性軸的基礎上根據加工需要配合A、B、C 三個旋轉軸中的任意兩個來工作，圖2 所呈現的就是它的工作情況。

加工刀片與加工對象之間的相對位置以及刀片軸向與加工對象的方位只要是在機床本身的加工行程之內，隨便哪個方位的加工都可以實現。刀片在工作時能夠從任何傾斜角度走刀至任何加工位置，也就是說，從理論上來看，不管多么復雜、多么怪異的形狀都可以通過它來得到實現。綜合來看，這種加工具備了下列特性［3］:

圖2 空間六自由度示意圖

1)在原有的三維直線工作軌跡上再增添兩個主向的旋轉工作，原先一般三軸數控設備不能實現的加工在這種有機的組合下得以實現。

2)一刀定江山的側銑加工方法適用在直紋面類的加工時，其工作效率和加工后的表面光滑度和精度都能在原來的加工方式上得到有效提高。

3)大直徑端銑刀其端面可以緊貼工件表面展開工作，在走刀數量和殘余高度都大大縮減的同時，其加工速度和精度也得到了很好的保障，完全可以搞定大型工件的平表加工。

4)因為它的多軸工作原理，工件在加工時只需要裝夾一次就能夠實現其所有加工內容，工件各個不同表面的相互位置度大大提升。

5)五軸機床刀片工作最好的工藝條件是通過回轉運動來實現的，在靈活的運刀工作中，工件在整個工作中其刀片與加工面之間的位置全程都在最好的切削狀態下，平穩了其受力情況，有效保證工件與刀片產生干涉，如此一來，分布在加工面上的誤差也就非常均勻了。

在現階段，航用葉輪、葉片和柴油機曲軸等一些型狀復雜或是精度要求非常高的加工工作中，五軸那非常霸氣的加工性能被充分發揮出來。

2 五軸數控技術國內外發展現狀

2.1 國外發展現狀

從全球范圍來看，日本和一些歐美國家在上世紀末著手于這項技能的研發，如今它們已然代表著這個領域最先進的標準，其重點概括為:速度、精度高，實現了操作的環保、智能、復合化［5］。

它最大限度地縮減了因旋轉軸工作產生的非線性誤差［6］，另外，日本和德國生產的一些該類機床在硬件和加工性能方面都取得了世界第一的好成績。正是因為越來越先進的PLC 和芯片投入到五軸數控機床中，該機床整體結構日趨簡單的同時卻實現了日益強大的加工性能。

2.2 國內發展現狀

相對于以上這些發達國家，中國涉入數控加工行業的時間較晚，整體上還處于低水平階段。在政府的扶持下，國內一些企業和研究單位共同努力，在近十年內獲得了很大的進步［7］。現階段五軸數控銑和大型的數控鏜銑機床正在追隨市場腳步開發，已基本適合中國市場需要［8］。以廣州數控設備有限公司和濟南二機床廠為代表的設備生產廠商在五軸數控機床領域不斷刷新國內該行業的技術至高點，個別項目現已達到國際同類產品的較前排名。［9］。

但相比于國外的一些先進技術，我國五軸數控機床還存在著以下不足之處:第一，機床在性能和功能上都還有提升的空間。第二，因為研發時間不長，其系列化還有缺陷，實際操作驗證不足。第三，占據市場的比率不高，昴貴的硬件費用及復雜的機床結構成為該行業研發的難點［10］。正是在這些因素的限制之下，國產機床高性能方面還處于實驗時間段內。要想真正躋身世界制造強國，只能通過繼續深入自主創新的研發工作掌握核心數控系統才可以實現這個目標［11］。

2.3 五軸數控技術發展趨勢

機床的加工功能在各類機、電、氣、光、液最新技術的應用下不斷更新換代，日益強大起來。綜合國內外各項先進的五軸加工技術，大家不難看出該行業正朝著下列方向成長［12］:微型銑床通過控制系統得以落實其運動控制;空間樣條曲線的離散插補算法基于銑床平臺應運而生，它同時被使用在五軸銑床的蝴蝶曲線加工計算辦法上;仿真加工(比方說復雜的人臉模型加工)。

3 五軸數控技術進一步發展和推廣的難點及阻力

雖然大家對該項技術的加工優勢和加工重要性都有了深刻的認識，但目前來說，縱觀國際社會，它在工業加工中的應用還存在著下列難題:

3.1 五軸數控編程抽象、操作困難

編程數據本身的抽象程度極大地考驗著編程人員的想象力，這些特點使相應的程序也變得非常復雜，通常只能通過多次實踐才能讓程序編制者和機床操作者積累到必要的知識和技能，而這類人員的匱乏也成為該項技術推廣的阻力之一。

3.2 刀具半徑補償困難

五軸數控機床使用的NC 程序其刀片長度補償功能依舊有效，但其半徑補償卻早就無效了。這導致用圓柱銑刀加工時，不同規格的刀片需要有不同的加工程序。

3.3 購置機床需大量投資

五軸數控加工中心的價格相對于以往的三軸數控加工中心高三到五成，除了實打實的資金費用以外，與之配套的系統軟件和后置處理器也要不斷升級。

4 五軸數控技術對機床工業的影響

在整個機床工業中，五軸數控加工技術難度較高，其在制造業中的適應領域也最為廣泛。在機床上拓展五軸數控功能，能大幅提升其加工性能，更有利于系統的深入集成。實踐表明，一臺五軸數控加工中心的工作效率等同于兩臺普通機床，更有甚者，在它的工作下，一些大型的自動化流水線都能省掉，如此一來，工廠在設備投入的空間和資金上都能得以縮減，零件的生產周期和費用也都能大幅減少，有效地降低了產品的生產成本。說它掀起了機床工業的革命性進程一點也不為過，它也勢必會成為數控機床的發展主流。

5 結語

自新中國成立以來，經過幾代人的努力，中國的機床制造產業在精度和性能上均達到了世界領先水平，但五軸數控機床卻沒有自主生產能力，只能從國外引進，國內的各大高校仍然是研發的前沿力量，通過和各大制造廠商的聯合研究，一定能推動五軸數控產業的成長。

［1］蘇會林，董長雙. 數控技術的發展與展望［J］. 機械研究與應用，2005，18(6):25 －26.

［2］韓立洋. 經濟型五軸數控雕刻機關鍵技術的研究［D］.蘇州:蘇州大學，2010.

［3］Werkmeister J B. Design and fabrication of the MesoMill:a five-axis milling machine for meso-scaled parts［D］. Boston:Massachusetts Institute of Technology，2004.

［4］林勝. 5 軸數控機床發展與應用［J］. 航空精密制造技術，2005，41(4):1 －5.

［5］Ozturk E，Budak E. Modeling of 5-axis Milling Processes［J］. Machining Science and Technology:An International Journal，2007，11(3):287 －311.

［6］張慧敏. 五軸聯動數控機床的設計［J］. 機床與液壓，2010，38(8):8 －10.

［7］孫濤. 六軸飛機裝配鉆銑機數控系統的研究與實現［D］. 南京:南京航空航天大學，2012.

［8］Jun C S，Cha K，Lee Y S. Optimizing tool orientations for 5-axis machining by configuration － space search method.［J］. Computer-Aided Design，2003，35(06):549 － 566.

［9］奚雅成，林九強. 西門子數控系統概述［J］. 制造技術與機床，2005(2):100 －102.

［10］孫杰. 數控機床技術發展趨勢［J］. 內蒙古科技與經濟，2007(22):76 －77.

［11］張金霞. 基于80486 的銑床數控系統設計與實現［D］.南京:南京航空航天大學，2006.

［12］鄭冬喜，鄒傳平. 淺析數控機床的發展趨勢及國內形勢［J］. 科技資訊，2006(1):32.