KMC800SU五軸立式加工中心的研發(fā)與應用

科德數控股份有限公司 市場部策劃室

一、概述

從“嫦娥”“玉兔”相繼飛升著月，到“蛟龍”深潛、國產航母出海，“可上九天攬月、可下五洋捉鱉”已經從一個偉大的構想變?yōu)樽寚俗兊糜械讱獾默F實。中國的裝備制造業(yè)不斷提升，大國重器的不斷崛起，使得國家脊梁愈加剛毅。可以說裝備制造業(yè)代表著國家的綜合國力，是一個國家建設的基石，而數控機床作為“裝備工業(yè)的母機，智能制造的基礎”是一個國家制造業(yè)水平的象征，具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

在一般的機器制造中，機床所擔負的加工工作量占機器總制造工作量的40%-60%，機床在國民經濟現代化的建設中起著重大作用。當代世界各大強國尤其高度重視數控機床行業(yè)，一直在采取措施加以扶持和保護。其中五軸數控機床更是一種科技含量高、精密度高，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)療設備等行業(yè)都有著舉足輕重的影響力。目前世界最先進高端數控機床的核心技術還是基本掌握在德、日、美等少數發(fā)達國家的手里。可如今的國產五軸數控機床技術正在突破創(chuàng)新的飛速發(fā)展。隨著國內汽車、軍工、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化、高精度化、功能復合化、智能化等要求越來越高。國產五軸數控機床的研發(fā)與創(chuàng)造之路也愈發(fā)迅猛。

以往，隨著機床企業(yè)數量的不斷增加，我國機床企業(yè)一直處在“低端混戰(zhàn)”狀態(tài)，如何讓機床產業(yè)重振雄風，如何拉動機床產業(yè)進步？毋庸置疑，科技創(chuàng)新必然首當其沖。遼寧大連光洋科技集團有限公司的控股子公司科德數控股份有限公司深刻意識到產品的優(yōu)劣對企業(yè)的發(fā)展起著決定性的作用。自2008年創(chuàng)立以來，科德數控始終秉承“科技領先，厚德做事”的發(fā)展理念，以思維創(chuàng)新引導技術創(chuàng)新，以技術創(chuàng)新推動轉型發(fā)展，不斷研發(fā)生產出符合市場發(fā)展需求的產品。

如今的科德數控已成長為國內知名“機床和控制、反饋裝置及電機一體化”供應商，是專業(yè)配套自主化高檔數控系統(tǒng)和關鍵功能部件的高檔數控機床制造商，是目前國內各類五軸裝備最大的產銷基地。公司主營高端數控系統(tǒng)、各類五軸數控機床、工業(yè)機器人、數控功能部件、精密伺服驅動及電機、傳感器等產品。其中五軸立式加工中心已經出口到德國，開創(chuàng)了國產高檔五軸數控機床出口發(fā)達國家的先河。

在基于光洋集團所建立的“全技術鏈、全產業(yè)鏈、全人才鏈”的成套發(fā)展模式之中，還整合了光洋集團在自主化高檔數控系統(tǒng)、伺服驅動、電機、精密轉臺等關鍵功能部件方面的優(yōu)勢，科德數控打造出了以KMC系列五軸銑車復合立式加工中心為主打的一個又一個自主系列產品。目前，科德數控KMC系列五軸立式加工中心包括KMC400S、KMC600S、KMC800S、KMC1250S全系列型號產品。準確的市場定位加上精益求精的生產原則、過硬的生產技術......科德數控KMC系列五軸銑車復合立式加工中心正力爭充分地滿足用戶的加工需求，努力使機床得到用戶的認可與信賴，成為我國機床產業(yè)的“佼佼者”，見圖1。

二、產品性能介紹

數控機床在數字化控制下能夠實現工件與刀具間預定軌跡的相對運動，從而實現各種型面的加工。在實際應用中由于零件復雜程度越來越高，為了使加工件能夠在一次裝卡下完成盡可能多的加工表面，甚至完成復雜凹曲面和異形腔體的加工，因此誕生了五軸機床，即在傳統(tǒng)三坐標基礎上加入回轉坐標，以完成特殊工件和刀具間姿態(tài)調整的要求。五軸機床實現了工件和刀具間便利的姿態(tài)調整，除了可以避免干涉，還可以充分實現刀具更好的切削條件，包括規(guī)避刀尖點極低的實際切削線速度，還可以使用更短的刀具進行加工，提升系統(tǒng)剛性，減少刀具的數量，減少專用刀具的應用。由于五軸機床的控制和制造技術的復雜性，此類設備率先用于軍工制造領域，包括航空發(fā)動機，飛機結構件，艦船引擎，因而于五軸機床作為國家戰(zhàn)略物資被嚴格監(jiān)管和限制，由此還演繹出著名的“東芝事件”。

科德數控研發(fā)生產的KMC800S 系列五軸立式加工中心采用模塊化設計概念。具有更大的作業(yè)空間，更小的干涉，更強的切削剛度，更高的速度和精度，更緊湊的安裝空間及下述特點。

1. 改良的龍門框架及整機結構設計

KMC800S系列五軸立式加工中心的結構采用改良的龍門框架設計，三個軸在刀具上，兩個旋轉軸在工件上，達到最優(yōu)的主軸支撐;各軸的驅動和導軌都在加工區(qū)域之外的上方，不會受加工時產生的切屑等因素的影響，大大降低故障率;主軸內置于垂直的Z向滑枕中，借鑒立式坐標鏜的精典結構;主軸不會受到擺動的影響，所以刀具長度不會影響擺臂長度而影響擺動誤差，擁有更好的主軸剛性;數控回轉擺動工作臺實現雙壁支撐，Y軸采用四導軌支撐和位于中心的主驅動;A軸擺動角度為-130°～ +130°。環(huán)形刀庫與機床床身融為一體，結構簡單、節(jié)省空間，見圖2。

2. 人造理石床身

KMC800S系列五軸立式加工中心系列產品采用人造理石為床體主要材料。人造理石材料熱膨脹系數僅為鑄鐵的1/20，具有更好的環(huán)境適應性，更小的熱變形誤差;人造理石阻尼是鑄鐵的6倍，具有更好的吸收振動的能力，降低切削振動對機床傳動部件的影響;人造理石床身制造工藝采用常溫固化，沒有鑄鐵冷卻不均導致的內應力，是國際上精密機床優(yōu)選的床身材料，見圖3。

3. 直驅技術

KMC800S系列五軸立式加工中心采用直驅技術，加工中心的旋轉軸采用力矩電機替代傳統(tǒng)的齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動等機械傳動。通過力矩電機作為回轉坐標主要驅動技術。直驅技術具有動態(tài)響應能力好，無反向間隙，無傳動機械磨損等顯著優(yōu)勢。直驅技術已經成為當前國際上精密高速機床重要的技術路線。U型和MT型分別配置低速力矩電機和高速力矩電機，均實現了滿足銑削和車削要求的良好的精度和動態(tài)性能的表現，見圖4。

4. 雙驅技術和重心驅動

KMC800S系列五軸立式加工中心通過雙驅技術（KMC800標配，KMC400選配）實現搖籃式轉臺的重心驅動可以使機床得到更強勁、更平穩(wěn)的驅動，能夠有效地抑制振動，消除反向間隙，為用戶提供了理想的加工性能。

5. 激光干涉反饋

KMC800S系列五軸立式加工中心可以選配激光干涉反饋系統(tǒng)。該長度反饋系統(tǒng)支持下的全閉環(huán)控制可以將長度反饋系統(tǒng)提升至激光波長基準，自帶環(huán)境（溫度、氣壓）補償，可以控制工作臺定位精度達到0.5um，滿足用戶特殊的超高精度的要求，見圖5。

6. 高動態(tài)響應技術

科德在機床設計階段十分重視運動部件動態(tài)性能優(yōu)化，重視高剛度輕量化設計和機械運動部件的動力匹配。在機床訂單配置和調試階段，可以根據用戶特殊需求，配置更高扭矩慣量比的高性能電機及驅動，進一步進行機床每一個運動坐標的驅動參數的優(yōu)化，使機床的動態(tài)性能滿足用戶的需求，見圖6。

三、關鍵技術應用情況

數控技術是衡量一個國家制造業(yè)現代化程度的核心標志之一，在現代制造行業(yè)中，作為先進制造的核心設備，數控系統(tǒng)的功能和性能對制造業(yè)的自動化、集成化、柔性化及智能化起著至關重要的作用，以它為基礎平臺的相關技術水平高低已成為衡量一個國家的工業(yè)現代化水平的重要指標，如今我國機床制造業(yè)已具備了相當的實力，機械精度和可靠性方面在國際市場上都名列前茅。然而配套的五軸數控系統(tǒng)要么從國外進口，要么采用國內還不成熟的數控系統(tǒng)。總之五軸數控技術仍然是一個薄弱的環(huán)節(jié)。因此研究開發(fā)具有自主知識產權的數控系統(tǒng)具有重要意義。依托光洋集團自主研發(fā)、擁有自主知識產權的全數字總線開放式高檔數控系統(tǒng)，長期堅持踐行“產學研用”深度融合的戰(zhàn)略，與高校緊密合作，實現前沿創(chuàng)新，科德數控能專心致志于機床精度的提升，以完整的數控方案為用戶創(chuàng)造價值，科德五軸數控系統(tǒng)支持多個控制過程并發(fā)。即可以同時控制多個加工過程，可以是不同機床上的不同加工任務。也可以是單臺機床上多主軸上的不同加工任務，見圖7。

高端五軸數控系統(tǒng)三大基礎技術

1. 高速的信息交互——G-lNK光纖運動控制現場總線

采用100Mbps的高速光纖介質，將數控系統(tǒng)的控制指令送達每個伺服驅動裝置，并保證嚴格同步運行;并將包括機床各坐標位置、負載率、溫度等物理量傳回數控系統(tǒng)。

2. 精準的高頻度控制調度GRTK內核

實現每秒數千次的精確控制任務調度，使運動控制運算、邏輯控制運算、人機交互高效有序運行，對鐘響應延遲1/100，000秒，在GNC62中支持多核CPU。最大限度地充分利用高性能數控系統(tǒng)處理器運算資源。

3. 精密的位置，角度感知一一傳感細分技術

將來自直線/角度傳感器的信號進一步進行細分處理，進一步提取1vpp信號中包含有效精度的位置/角度信息，zui高提升物理分辨率達16384倍，細分處理程在1/5，000，000秒內瞬間完成。獨特的激光干涉全閉環(huán)控制技術。將長度反饋檢測精度提升到O.2 μ m，分變率提升到1 nm。為精密機床控制提供基礎技術保證。

四、成果應用及推廣

科德數控研制的五軸數控機床已經批量應用于國內的航天、航空、能源領域。部分導彈、航空發(fā)動機、大飛機、核電葉片等高精尖產品的制造線上均有科德數控的產品在運行，實現了替代進口的同時，科德數控的五軸機床和關鍵功能部件產品也已經實現了小批量出口德國，開創(chuàng)了全自主知識產權的高檔數控產品出口西方發(fā)達國家的先河。

未來，科德數控即將投入使用26萬平方米全球最大地下恒溫恒濕廠房，建成的新園區(qū)將使公司快速實現規(guī)模化生產，逐漸實現批量替代進口，進而讓中國設計制造的關鍵功能部件產品逐漸替代進口并擴大國際市場占有，用中國的高端五軸數控機床裝備中國工業(yè)，推動我國智能化制造產業(yè)實現跨越式發(fā)展。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 責編/楊鑫