五軸聯動數控工具磨床的研制與應用

凌秉達

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361006）

0 引言

在金屬切削加工領域，普通高速鋼刀具和焊接式硬質合金刀具將逐漸被整體硬質合金刀具和各種可轉位刀片所替代。與傳統高速鋼刀具相比，硬質合金刀具具有硬度高、脆性大等特點，因而對于工作曲面形狀較為復雜的硬質合金刀具，利用傳統加工方法一般難以滿足要求，需要采用數控工具磨床來進行加工［1］。

數控工具磨床，特別是多軸聯動數控工具磨床是高效、高質量磨削制造精密、復雜形狀刀具的關鍵設備，與數控銑削和車削相比，多軸工具磨削加工對編程系統的要求更高，特別是需要控制砂輪與工件接觸和所要求的工件精度標準參數。數控工具磨床也是各類數控機床中結構較復雜、自動化程度高、精度和可靠性要求高的機電一體化高技術產品，其研究開發具有相當的技術難度。

五軸聯動數控工具磨床是目前業界公認的精度和可靠度要求極高的工具機，目前全球也只有為數不多的廠商有此研發生產能力。廈門金鷺特種合金有限公司在引進消化國外先進數控工具磨床生產技術的基礎上，突破了關鍵核心技術，實現了該種設備的國產化，所研制的樣機的加工性能經測試達到了國外同類先進機床的水平。

1 工具磨床主要機械結構設計

1.1 磨床工作臺結構方案

通過對國內外機床工作臺的典型結構分析后發現，一般層疊式工作臺的優點是結構緊湊，而立柱式工作臺可以使剛度得到較好的保證。圖1為三坐標工作臺結構方案，它綜合了兩者的優點［2］。該方案布局合理，占用空間小，是比較合理的工具磨床工作臺結構。其中X軸、Y軸和Z軸的運動方向相互垂直，帶動砂輪的聯動進給和砂輪的更換和對刀；C軸是旋轉軸，控制工作頭的擺動；A軸是工作頭，控制刀具的旋轉角度；U軸是輔助軸，用于X/Y軸的運動補充；其中X軸、Y軸、Z軸、C軸和A軸是聯動軸，用程序控制砂輪組和刀具的相互運動位置，從而實現刀具的一次性磨削加工。各軸的位置關系如圖1所示。

圖1 工具磨床三坐標工作臺結構方案

1.2 砂輪主軸結構設計

砂輪主軸采用電主軸結構,電主軸將機床主軸與主軸電機融為一體，主軸由內裝式電機直接驅動，省去了皮帶、齒輪、聯軸器等中間變速和傳動裝置，其主軸部件結構緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應特性，有利于控制振動和噪聲；利用交流變頻技術，電主軸可以在額定轉速范圍內實現無級變速。

1.3 棒料輔助支撐機構

采用自動上料機構時，棒料的前端跳動量會較大，經常不能滿足刀具的加工要求。而且砂輪對棒料進行磨削時，在磨削力的作用下，棒料會有較大的撓曲變形，影響刀具的加工精度。通過增加輔助支撐后，撓曲變形減小了，刀具棒料的跳動值下降，磨削系統剛性也得到了較大的提升。利用三維建模軟件SolidWorks工具磨床進行詳細設計后，其裝配模型外觀如圖3所示。

圖2 棒料輔助支撐機構

圖3 數控工具磨床模型整體外觀圖

2 磨床數控系統設計

2.1 數控硬件系統

數控系統采用基于瑞士NUM AG集團出品的高階控制器Flexium68系列產品。Flexium系統應用先進的處理器來裝備了最新的NC內核，因此擁有更多的MIPS指令；更多的內存空間，NC內存可達60MB以上，PLC內存可達1 000 MB以上；采用標準化的通訊如CAN、以太網等總線控制方式；可控制多軸（多于200軸）、靈活擴展I/O點數以及使用IEC 61131-3標準編程［3］。

電氣部分采用CANopen總線控制，其系統圖、主操作面板和控制功能面板如圖4所示，擁有CAN協議的手輪，63個按鈕，2個倍率開關，1個三位鑰匙開關，急停按鈕等。

2.2 數控軟件系統

磨床數控軟件系統采用NUMROTOplus專業刀具加工軟件進行開發。簡化的編程系統使標準刀具的生產和修磨更加簡便，可為標準刀具設置默認參數，適用于Windows系統的編程環境，所有參數均配有輔助圖片并按真實刀具尺寸顯示圖像（如圖5所示），可提前計算加工時間并可以根據經驗對磨削余量、進給率等參數進行調整，進給率的設置不用考慮軸設置，并可以在磨削點進行計算，精度可達0.01 μm。

圖4 Flexium 68數控系統

圖5 銑刀參數化編程

軟件主要功能還包括有2D刀具模擬、3D刀具模擬加工、砂輪參數設置、機床碰撞干涉模擬、加工過程測量和磨削去除率計算等。在軟件系統中可根據加工刀具的類型選擇砂輪，設置砂輪參數、加工工藝過程及加工步驟等操作，實現對球頭立銑刀、圓弧刃立銑刀、直角頭立銑刀、錐形立銑刀、鉸刀、端銑刀等各類切削刀具的磨削加工。即使是最好的軟件和最佳的磨具有時也不能夠避免磨削時的碰撞。一個空轉的砂輪、砂輪芯軸或者安裝好的附加設備（尾座、支柱）都有可能是造成碰撞的原因（如圖6所示）。為了避免這種情況發生，NUMROTO和NUMROTO-3D軟件相互結合，可以提供一項集成的、全自動的碰撞檢測。

在下命令或者在傳輸CNC文檔的同時，整個磨削過程將受到碰撞檢測。如果系統認出一個碰撞，磨削過程將被終止，然后將出現相應的操作提示。此碰撞檢測也可以同加載器一起使用，這樣每一個工件都可以在測量后（探頭檢測），在磨削前進行碰撞的檢測。除了生產和修磨標準刀具的“普通”應用之外，軟件也涵蓋了許多特殊應用?？梢栽诨谏拜喖夹g參數的基礎上選擇最優化的加工速率。

用于加工硬質合金刀具的砂輪制造商通常會說明砂輪的最大比磨削去除率Qw′，它是在砂輪緣厚為1 mm的寬度上，以mm/s為單位詳細說明了砂輪磨削部位上每一個點的最大材料磨削去除率。實際上，有類似公式通過Qw′數值來計算加工速率。然而這些類似值并不總是正確的，最終用戶在大多數情況下往往通過“直覺”來選擇加工速率。一個不恰當的選擇將會導致不必要的較長加工時間（速率太低）或砂輪的較高磨損（速率太高）。

這些加工過程中的不確定因素可以通過加強的NUMROTO三維模擬功能來進行避免。在模擬中的每一個時間點和砂輪上的每一個磨削點都可以準確地確定有多少材料正在被磨削掉。該磨削余量可與Qw′數值對比，而Qw′數值通常記錄在每個砂輪的參數欄中?；谶@個對比，砂輪的邊緣受力部位激活以不同顏色顯示功能，還可對受力顏色進行調整。在圖7中，磨削余量比例超過編程峰值的區域以紅色動態顯示，而從綠色到藍色區域表示材料磨削去除率從較小到正常。

圖6 刀具加工過程碰撞干涉檢查模擬

圖7 砂輪磨削去除率模擬分析

NUMROTO能發現任何諸如此類的過載問題。從而使每一個步驟可在砂輪最大峰值線以下合理選擇最佳速率，編程人員能十分容易地進行調整。因此，砂輪不會超過磨削余量比率的最大峰值。從而保證了砂輪在最低磨損的狀態下達到最佳加工時間。

3 自制工具磨床的主要性能參數

所研制的五軸聯動數控工具磨床樣機的主要性能參數和技術指標如下：1）可加工刀具柄徑為2～20mm；刀具長度為50～200mm；刀具直徑為2～20 mm；2）電主軸為額定轉速6 000 r/min，額定功率4 410 W；3）工件旋轉軸為回轉精度達到±10″，重復精度達到±2″；4）X軸、Y軸和Z軸的靈敏度和重復定位精度＜2μm；各軸導軌平行度＜3 μm/100 mm以內；5）砂輪主軸徑向跳動＜2 μm；軸向跳動＜5 μm。

4 數控磨床加工性能評價

采用本自制的五軸聯動數控工具磨床試生產了幾種規格的平頭立銑刀、圓角頭立銑刀和鉆頭。通過ZOLLER刀具檢測機、工具顯微鏡和投影儀對刀具進行抽檢，從8種刀具中隨機各抽取5個樣品進行檢測，從結果數據可以看出，各個主要的參數都在規定值的上下限之間。由此可見，所研制的工具磨床完全能符合刀具的生產要求。

如圖8所示的試加工鉆頭的抽檢數據表，如表1所示。

圖8 試加工鉆頭外形圖

表1 試加工鉆頭抽檢的5組數據情況

5結語

在引進消化國外先進數控工具磨床生產技術的基礎上，采用三維建模軟件對五軸聯動數控工具磨床的機械結構部分進行建模、仿真分析和優化設計。借助Flexium68高階控制器系列產品和NUMROTOplus專業刀具開發軟件，研制了帶有友好人機界面、便攜手持單元，具有刀具參數化編程、刀具模擬加工、機床碰撞干涉檢驗、加工工藝規劃、加工過程測量和磨削去除率優化等功能的五軸聯動數控工具磨床?？蓪崿F對球頭立銑刀、圓弧刃立銑刀、直角頭立銑刀、錐形立銑刀、鉸刀、端銑刀等各類切削刀具的磨削加工。試加工結果表明，所研制的工具磨床完全能符合刀具的生產要求。

［1］ 崔建昆，范灝，奚偉辰，等.五軸聯動數控工具磨床工作臺運動方案與結構設計［J］.機械工程與自動化，2011（4）：209-211.

［2］ 楊國哲,王立平,郁鼎文,等.三坐標精密運動平臺底座的設計［J］.機械工程師，2005（7）：21-22.