國產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控機床實操初探

摘 要：以作者在陜西西安參加2018首期“少年智造創(chuàng)客營”的小木雕工藝品設(shè)計和加工的經(jīng)歷，介紹了基于國產(chǎn)中望CAD 2017教育版軟件和HWATEC-5M160五軸聯(lián)動數(shù)控機床，進行產(chǎn)品設(shè)計、模擬仿真和實際加工的整個過程。期望能使讀者對國產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)有一個更加直觀的了解。

關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動數(shù)控機床；CAD軟件；零件建模；機械加工

中圖分類號：TG547 文獻標志碼：A

Abstract：The paper explains the whole process of design， simulation and actual make of a small handicraft work. The work was completed by means of ZhongWang CAD2017 education software and five-axis CNC machine tools， during the first ‘2018 Youth Intelligent Creation Camp held in Xian， Shaanxi Province. It is expected that the reader will have a more intuitive understanding of the technology of domestic five-axis CNC machine tools.

Keywords：five-axis CNC machine tool； CAD software； parts modeling； mechanical operation

0 引言

五軸聯(lián)動數(shù)控機床（5 Axis CNC Machine Tool）是一種高科技含量、高精密度的專門用于加工復雜曲面的機床。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)備等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力。

五軸聯(lián)動數(shù)控機床是指在一臺機床上至少有5個坐標軸（3個直線坐標和兩個旋轉(zhuǎn)坐標），而且可以在數(shù)控計算機系統(tǒng)的控制下同時協(xié)調(diào)運動進行加工。它的優(yōu)勢在于：可一次性完成零件的五面加工，減小重復裝夾次數(shù)，提高加工精度，節(jié)約時間。眾所周知，重新夾裝被加工件，對夾裝位置要求很高。多次裝夾需要重新尋找基準坐標，會影響加工的定位精度。用五軸聯(lián)動機床一次定位后可以完成對5個面位的加工，對于只要求加工5個面位及以下的零部件能一次完成全部加工。

五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)是由傳統(tǒng)三軸聯(lián)動技術(shù)外加兩個旋轉(zhuǎn)軸發(fā)展而來，是目前解決葉輪、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零部件加工的唯一手段。正是基于這個原因，中國制造強國戰(zhàn)略所制定的10年行動綱領(lǐng)——中國制造2025的高端裝備創(chuàng)新工程，對高檔數(shù)控機床提出了新的目標，要求研發(fā)具有高精密、高速、高效的高檔數(shù)控機床。

高科技裝備和人之間的關(guān)系，人是決定因素。作者認為要實現(xiàn)這個目標，首先需要越來越多的技術(shù)人員對五軸聯(lián)動數(shù)控機床有更多的了解，最好具備實際操作經(jīng)驗。由于大型的五軸數(shù)控機床因制造成本、維修費用高昂等原因，技術(shù)人員的機床綜合應(yīng)用能力得不到有效提升，創(chuàng)新性探索更是駐足不前。隨著國產(chǎn)CAD軟件平臺和五軸聯(lián)動數(shù)控機床的發(fā)展，尤其是小型五軸聯(lián)動數(shù)控機床的發(fā)展，為相關(guān)技術(shù)人才實際操作能力的培養(yǎng)提供了一個高效的實踐平臺。

1 五軸數(shù)控機床原理簡介

五軸機床是在原有三軸的加工中心發(fā)展而來。根據(jù)國際標準化組織ISO的規(guī)定，在描述數(shù)控機床的運動時，采用右手直角坐標系，其中平行于主軸的坐標軸定義為Z軸，繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)坐標分別為A、B、C。各坐標軸的運動可由工作臺，也可以由刀具的運動來實現(xiàn)，但方向均以刀具相對于工件的運動方向來定義。通常五軸聯(lián)動是指X、Y、Z、A、B、C中任意5個坐標的線性插補運動。換言之，五軸指X、Y、Z三個移動軸加任意兩個旋轉(zhuǎn)軸。五軸依據(jù)聯(lián)動軸擺動機構(gòu)不同，有工作臺搖籃式、立式主軸雙擺頭、臥式主軸雙擺頭、工作臺擺動式和工作臺主軸擺動5類，如圖1所示。

作者使用的是陜西華拓科技有限責任公司生產(chǎn)的HWATEC-5M160桌面式微型五軸聯(lián)動數(shù)控機床，如圖2所示。這是一款工作臺搖籃式五軸聯(lián)動數(shù)控機床，基于傳統(tǒng)三軸加工中心的基礎(chǔ)，加上搖籃式工作臺，變成3+2式的五軸聯(lián)動加工中心。聯(lián)動軸為X/Y/Z/A/C，Y軸方向B軸不旋轉(zhuǎn)。該機床采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的華拓開放式PC+I/O型多軸聯(lián)動（五軸聯(lián)動及以上）數(shù)控系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、搬運方便和操作靈活等優(yōu)點，主要用于加工生產(chǎn)各種微小型復雜零件，可以加工玉石、陶瓷、工程塑料、石墨、實木和有色金屬等多種材質(zhì)。

該機床的有效行程為：X軸160mm，Y軸195mm，Z軸175mm；工作臺尺寸F160mm；A軸：-110°～ 15°；C軸：0°～ 360°；定位精度≤0.02mm，重復定位精度≤0.01mm；外形尺寸940mm×960 mm×980 mm。

下面以一個六面體小木雕的加工為例，介紹軟件設(shè)計和機床加工的全工程，圖3給出了設(shè)計仿真和加工的全流程圖。其中，設(shè)計仿真軟件采用中望3D 2017教育版，它是一款圖形化編程軟件，易于掌握和使用。可以從官網(wǎng)上下載有效期為30天的試用版（http：//www.zwcad.com/download/）。加工機床采用前面介紹的五軸聯(lián)動數(shù)控機床。中望軟件系統(tǒng)和HWATEC系列機床可以無縫連接，使用起來簡單方便。

2 設(shè)計

2.1 零件建模

通過下列步驟設(shè)計并建立零件造型。

（1）打開中望軟件，創(chuàng)建新建項目，選則“零件/裝配”；

（2）選擇“造型”。選擇“六面體”并設(shè)置六面體的參數(shù)；根據(jù)需要在六面體上利用給出的工具設(shè)置倒角、圓角、打孔等操作，如圖4所示。

（3）建“草圖”，選擇設(shè)計圖案的平面，用給出的草圖工具設(shè)計要雕刻的圖案，如圖4（b）所示。

（4）返回主菜單，“添加胚料”。

2.2 工序選擇

（1）選擇加工方案（如圖5所示）。點鼠標右鍵選擇“工序”、 “插入工序”，選擇工序類型，作者選的是“2軸銑削”中的“輪廓”；選擇“刀具”，并根據(jù)將使用的刀具進行設(shè)置；設(shè)置輪廓切削的參數(shù)。

（2）選擇“參數(shù)”，如圖6所示。設(shè)置“坐標”，注意“公差和步進”中的“底部余量”必須設(shè)置為負數(shù)；“連接和進退刀”菜單中的“自動進刀和退刀”為“無”；

（3）設(shè)置“限制參數(shù)”；

（4）設(shè)置“特征”，新建→特征→輪廓，用鼠標點選需要加工的輪廓，最好選擇一筆能連下來的圖形為一個輪廓；

（5）重復步驟4，直至所有設(shè)計界面的所有圖案都被選中；

（6）設(shè)置“加工安全高度”；

（7）設(shè)置坐標系，創(chuàng)建坐標基準面。

2.3 軟件仿真

在“工序”選項，點擊鼠標右鍵“計算全部”后選擇“實體仿真”。圖7為實體加工仿真界面，這時可以看到模擬的加工軌跡。

至此，完成了加工對象的建模、實體加工仿真過程。檢查實體仿真無誤后，可以進入實際機床加工過程。

3 實際機床加工

3.1 輸出數(shù)據(jù)

（1）選擇設(shè)備。選擇在“設(shè)備”處用鼠標右鍵調(diào)取“設(shè)備管理器”，根據(jù)所使用機床設(shè)置設(shè)備參數(shù)。

（2）工序文件輸出。用鼠標右鍵在工序處選擇輸出，并根據(jù)機床要求，選擇相應(yīng)的輸出文件類型文件類型（CL格式——程序1，或NC格式——程序2）。

程序1 輸出的CL格式文件

$$ CAM-ID： ZW3D V15.1

PARTNO / '輪廓切削 2 1'

MACHIN/ZWPost，Anilam_Crusader

PPRINT / ‘Programmed by Administrator

PPRINT / ‘

TMARK/1

SEQNO/0，INCR，1

FROM/0.00000，0.00000，500.00000

$$ End startup sequence.

$$ Begin first tool sequence.

PPRINT / 'Tool 0 is 刀具 1.'

PPRINT / ‘SHAPE PARAMETERS

CUTTER/1.00000，0.10000，0.40000，0.10000，1000.00000，

0.00000，5.00000

TOOLNO/0，IN，0，MILL，OSETNO，0

SELECT/TOOL，0

LOADTL/0

SELECT/TOOL，0

SPINDL/RPM，1000，CLW

COOLNT/FLOOD

$$ End first tool sequence.

MULTAX/ON

$$ Begin new operation sequence.

PPRINT / 'Operation - 輪廓切削 2'

PPRINT / 'Tactic - 輪廓切削 2'

PPRINT / 'Plan - 零件005_CAM'

PPRINT / 'File - 零件005.Z3'

$$ End new operation sequence.

OPER_TYPE/MILLING，

RAPID

GOTO/8.00000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

RAPID

GOTO/-39.50000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

FEDRAT/MMPM，375.00000

SPINDL/RPM，1000，CLW

GOTO/-40.00000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

FEDRAT/MMPM，50.00000

GOTO/-42.50000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

FEDRAT/MMPM，250.00000

GOTO/-42.50000，-59.53507，-3.54201，1.00000，0.00000，0.00000

……

GOTO/-42.50000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

RAPID

GOTO/8.00000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

OPER_TYPE/OFF，

MULTAX/OFF

$$ Begin termination sequence.

SPINDL/OFF

COOLNT/OFF

PPRINT / ‘End of program.

REWIND

FINI

程序2 輸出的NC格式文件

%

O輪廓切削 2 2

N1G00G70G90

N2G29T1000X0Y0

N3T0

N4T0M08

N5G00X8.Y-59.6206Z-2.2367

N6X-39.5

N7G01X-40.F375.

N8X-42.5F50.

N9Y-59.5351Z-3.542F250.

N10Y-59.2799Z-4.8249

……

N54Y-59.6206Z-2.2367

N55G00X8.

N56M09

N57X0Y0

N58G29E

%

3.2 機床加工

將輸出將文件導入機床系統(tǒng)，進行機械加工，如圖8所示。

圖9中圓圈標出的是作者利用中望3D 2017教育版設(shè)計并利用HWATEC-5M160加工出來的六面帶圖案的六面體木雕小部件成品（經(jīng)過后期著色處理），其余是其他創(chuàng)作人員完成的作品。因為加工的是六面體，一次只能加工5個面，實際加工中進行了二次夾裝，與圖9左側(cè)仿真圖形相比，最終完成的產(chǎn)品達到了預(yù)期結(jié)果。首期“少年智造創(chuàng)客營”營期10天，每個人完成作品5件，如圖10所示。

結(jié)語

五軸聯(lián)動數(shù)控機床是高精度機床，其運動復雜、編程難度大，對操作人員的操作水平和經(jīng)驗都有較高的要求。小微型五軸聯(lián)動數(shù)控機床對于操作人員進行實踐加工訓練十分方便有效。本文對木雕部件的設(shè)計、仿真和加工全過程進行了介紹，期望使越來越多的人對國產(chǎn)五軸數(shù)控機床的設(shè)計和使用有一個較全面的了解，激發(fā)對五軸聯(lián)動設(shè)備的興趣，促進國產(chǎn)機械加工行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

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任沐華住址：陜西省西安市雁塔區(qū)太白南路二號南院69號樓。