解析多軸多刀數(shù)控技術研究進展

張現(xiàn)磊

隨著中國工業(yè)、軍事工業(yè)的快速發(fā)展，對于數(shù)控技術提出了新的要求。當前，多軸多刀數(shù)控技術已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的前沿科技領域。通常而言，多軸多刀數(shù)控技術指的是具有四軸以上、兩把以上刀具的數(shù)控加工技術。在當前，這種數(shù)控技術的研究方興未艾。在本文中，筆者結合自身的理論知識，首先分析了多軸多刀數(shù)控技術的基本原理，然后分析了該數(shù)控技術的設備、程序編制等。

一、多軸多刀數(shù)控技術的基本技術原理

多軸多刀數(shù)控技術的最直接，同時也是最有效的載體是多軸數(shù)控加工中心，這個數(shù)控加工中心主要包括數(shù)控裝置、輸入裝置和伺服裝置等。多軸多刀數(shù)控技術的基本技術原理是：把數(shù)控機床中的數(shù)控裝置、伺服裝置和工藝參數(shù)等，轉換成數(shù)字信息，然后以編成相應的程序代碼輸入到機床控制系統(tǒng)之中，由控制系統(tǒng)負責處理這些程序代碼，最后安裝伺服系統(tǒng)的指令完成控制機床各個部件協(xié)調(diào)的動作，完成各種零部件的加工生產(chǎn)。

二、多軸多刀數(shù)控技術的設備

在數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)界來說，在世界范圍內(nèi)，美國、德國和日本等國家在復合加工機床、數(shù)控機床與工業(yè)機器人、并聯(lián)機床和數(shù)控加工刀具的結合方面的研究成果比較大。其中，德國的DS公司、意大利的COMAU等公司研發(fā)的平動機床，等都是當前世界上比較先進的并聯(lián)機床。

而對于中國的數(shù)控機床的發(fā)展來說，隨著改革開放經(jīng)濟的快速發(fā)展，也有了30多年的跌宕起伏的發(fā)展史，當前已經(jīng)進入到了成熟時期。在世紀之處的幾年例，中國金屬切削機床的產(chǎn)量的粘平均增長率達到了19%左右，而同時期的數(shù)控機床的產(chǎn)量更是比同期提高了33個百分點，由此可以看出，數(shù)控機床的增長速度要比金屬切削機床的增長速度快。

當前，中國還是新興的數(shù)控機床市場國家，其它的國家比如韓國等，以及中國的臺灣地區(qū)也是新興的數(shù)控機床市場，在這些國家和地區(qū)，多軸多刀數(shù)控機床的生產(chǎn)方面具備很強的實例，而且市場相當廣闊。比如中國的廣州數(shù)控、北京機床廠、大連機床廠等，以及韓國的斗山數(shù)控，在數(shù)控系統(tǒng)、多軸多刀數(shù)控機床方面均有了技術比較先進的產(chǎn)品，有效滿足了所在地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)的需要。但是這些新興市場國家在高端多軸多刀數(shù)控機床研究方面卻無法與傳統(tǒng)的數(shù)控機床技術研究強國相比，比如沒有的辛辛那提公司、德國的西門子公司和日本的FANUC公司等。

在1990年，中國的燕山大學研制出了中國的第一臺并聯(lián)機器人實驗樣機，而七年之后，東北大學研制出中國的第一臺平移自由度并聯(lián)機床樣機。一年之后，也就是在1998年，清華大學和天津大學共同研發(fā)出并聯(lián)機床VAMTIY。這些數(shù)控機床設備主要以提高加工的精度為主要的設計目標，同時也能夠應用于其他的葉片類、大型模具等復雜曲面零件的加工生產(chǎn)，其中，具有自主知識產(chǎn)權的當屬大型龍門式五軸聯(lián)動混聯(lián)機床。

三、多軸多刀數(shù)控機床的程序編制

從形式上來分類，多軸多刀數(shù)控技術主要分為三種：第一種是手動編程，第二種是自動編程，第三種是仿真技術。

手動編程。多軸多刀數(shù)據(jù)編程的缺點是顯而易見的，比如編程的速度比較慢、不能用于復雜結構零件的編程、編程的耗時比較長等。不過，應當注意的是，手動編程也具有程序短小、可修改性非常強和可用標準參考方程曲線等優(yōu)勢，比如拋物線、擺線等。該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環(huán)球市場信息導報》雜志http：//www.ems86.com總第539期2014年第07期-----轉載須注名來源現(xiàn)階段，很多多軸多刀的加工手法都是應手動編程來完成的，比如圓周上鉆等。下面筆者將通過一個實例來介紹手動編程程序：

#1=60

#2=7

#3=2

#4=2.3398823/180

#5=21

#6=23

While#4LE#3

#7=360/#6*[#4-7]*#2

#8 = #2* COS（ #4）#11 = #2* SIN（ #4）

G88G89G90X[#18]Y[#8]Z[#6]R[#7]F300

#5= #5+ 1

ENDW

G120

G91G28Z1

M15

M30

自動編程。通過上文中的分析，我們知道手動編程具有容易出錯、不適用于復雜零件編程的缺點，而且編程的工作量也比較大，但是應用了計算機技術的自動編程，由于具有編程速度快等優(yōu)勢，受到業(yè)界的廣泛歡迎。當前，越來越多的企業(yè)認識到，自動編程技術具有高精度、該效率等特點，不僅可以應用于復雜零件的編程，而且性能也比較高。但是，當前由于技術條件的限制，這種編程技術要想真正發(fā)揮其性能，還需要性能優(yōu)良的CAD/CAM軟件。

現(xiàn)階段，中國國內(nèi)應用比較廣泛的CAD/CAM軟件主要包括：Pro/ENGINeer、UG和CATIA軟件等。這些軟件普遍應用于工作站或者微機平臺上。但是這些軟件的價格通常比較昂貴，因此在一定程度上限制了該技術的應用和推廣。

隨著我國經(jīng)濟技術的快速發(fā)展，我國的CAD/CAM技術取得了比較大的進步，比如高華CAD等，相比國外的技術軟件，這些軟件的價格相對來說比較便宜，因此符合我國的基本國情，從而占領了大年的大部分市場份額。由此我們也可以看出，我國在這方面的發(fā)展，無論從技術研究水平，還是從市場推廣方面來說，都與西方發(fā)達國家有著不小的差距。

國外的CAD/CAM技術軟件出現(xiàn)的時間比較早，而且研發(fā)和利用的時間相對來說比較長，比如UG等公司都是CAM行業(yè)的領軍企業(yè)，生產(chǎn)的都是世界范圍內(nèi)的頂級差異，可高效仿真刀具和機床的運動。當前，這些公司的產(chǎn)品在我國已經(jīng)占領了一部分的市場份額。因此，無論從技術研發(fā)角度，還是從市場開發(fā)層面看，我國的CAD/CAM軟件的前景都不是特別的樂觀，特別是在五軸數(shù)控機床研究方面，中國的企業(yè)做的還不是很好，存在不少的問題和缺陷等。

自動仿真技術。數(shù)控加工生產(chǎn)中的仿真技術是利用計算機軟件來模擬數(shù)控加工生產(chǎn)的過程，然后把加工過程和結構通過數(shù)字、圖形和圖表等方式展示出來，通過計算機展示出來，從而為人們的判斷、驗證和控制加工過程提供合理的方法。現(xiàn)階段，數(shù)控加工仿真技術主要包括兩個方面，一是幾何仿真技術，二是力學仿真技術。

當前，雖然主流的三維軟件均有三維仿真功能，但是由于多軸加工生產(chǎn)具有復雜性的特征，所以無法徹底消除零件與刀具、刀具與工作臺等之間的碰撞，其控制方法和技術還有待完善。

多軸多刀數(shù)控技術的發(fā)展趨勢。 多軸多刀數(shù)控技術的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，高精度與高速度；其次，高柔性化與復合化；再次，多功能化；第四，智能化；第五，自動仿真技術。通盤考慮干涉、避讓檢查等約束條件，結合幾何仿真與力學仿真技術的自動仿真技術。

多軸多刀數(shù)控機床技術屬于高科技前沿科技領域，現(xiàn)階段，中國在這方面的研發(fā)水平和市場推廣做得還不是很好。但是，其成為數(shù)控技術的發(fā)展方向所在，因此必須重視這方面的研發(fā)。在文本中，筆者從多軸多刀數(shù)控技術的概念、基本技術原理和設備、數(shù)控編程等方面對其做了系統(tǒng)的分析。

（作者單位：山東華宇工學院）