國產華中數控系統在不同構型五軸機床上的應用驗證

王華僑，王宇飛，趙華軍，劉東青，張守明，高嵩，鄭武，王浩志

1. 華中科技大學 湖北武漢 430074

2. 廈門大學 福建廈門 361005

3. 湖北三江航天紅陽機電有限公司 湖北孝感 432000

4. 武漢華中數控股份有限公司 湖北武漢 430074

1 序言

華中數控系統HNC848是全數字總線式高檔數控裝置，采用模塊化、開放式體系結構，基于具有自主知識產權的NCUC工業現場總線技術，具備多軸、多通道及同步軸同步等功能。華中數控系統HNC848配套不同構型五軸機床的操作界面如圖1所示，其界面設計友好、操作方便。HNC848在車銑復合加工中心、高速精密臥式加工中心、龍門五軸加工中心等高檔數控機床上均適用，在航空、航天、能源等大型企業中批量應用，取得了良好的效果，加工效果達到國外知名數控系統水平，加工效率大大提高，實現了國產數控系統在航天領域的重大突破，打破了國外知名品牌數控系統的長期壟斷局面。

圖1 華中數控系統HNC848操作界面

2 NAS件及S件簡介

NAS件是通過加工圓錐臺試件產生的面粗糙度、圓度、角度及尺寸精度等指標，來檢驗機床的動態精度，是目前國內外數控機床動態精度驗收的常用方法。標準要求圓度0.1mm，同軸度0.1mm，角度公差30°±0.035°。

S件的主體是一個呈“S”形走向的扭曲曲面形成的等厚度緣條，曲面形狀復雜。使用立銑刀側刃加工時，刀具軸向必須連續變換，同時機床必須能完美執行五軸聯動的坐標連續換向。加工中，機床進行五軸聯動的坐標連續換向，能集中反應機床的幾何精度、定位精度、動態特性以及反向誤差等特性。切削完成后的S件對緣條型面尺寸精度要求較高，為±0.05mm，緣條厚度公差為±0.1mm，緣條表面粗糙度值Ra=3.2μm，總體技術難度較高。

3 大型六軸雙模式五坐標聯動加工中心應用驗證

3.1 總體結構

大型六軸雙模式五坐標聯動加工中心（見圖2）采用高架式龍門結構，固定式工作臺中間鑲嵌旋轉工作臺，橫梁沿左、右床身導軌水平縱向移動（X軸）；橫梁上配置有溜板，銑頭滑枕既可隨銑頭溜板沿橫梁導軌水平橫向移動（Y軸），也可沿溜板導軌垂直升降（Z軸）。雙擺角數控萬能銑頭的主軸隨銑頭擺動體在垂直面內繞X軸擺動（A軸），隨銑頭叉形體在水平面內繞Z軸回轉（C軸）；配備φ2000mm數控分度轉臺（B軸），配備鏈式刀庫。數控系統采用華中五軸數控系統HNC848，可實現五軸聯動。

圖2 大型六軸雙模式五坐標聯動加工中心

該銑頭主體方案采用A/C雙擺角銑頭（見圖3）與滑枕一體化結構，C軸傳動部分安裝在滑枕內部，主運動由電主軸單元實現。銑頭的A、C軸驅動采用德國IDAM力矩電動機直接驅動技術，并且可通過液壓夾緊裝置將A、C軸鎖定在任意位置上；另外還采用HEIDENHAIN高精度角度編碼器，實現全閉環位置反饋。銑頭的A軸擺動體內安裝大功率高速電主軸，主軸功率52kW，最高轉速18000r/min。

圖3 A/C雙擺角銑頭

3.2 五坐標編程后處理

大型六軸雙模式五坐標聯動龍門玻璃鋼加工中心機床結構：X軸橫梁沿固定立柱床身導軌縱向運動，Y軸滑銑頭溜板沿橫梁導軌往復運動，Z軸滑枕式銑頭沿溜板導軌垂直運動，主軸頭為A/C雙擺角數控萬能銑頭。底座固定在地基上，回轉工作臺B軸（先期設置為B軸，后由于與攻螺紋功能沖突，將B軸改為U軸）位于底座工作臺中部，六軸雙模式五坐標機床運動軸如圖4所示。通過UG自帶的后置處理構造器，配置此機床的后置處理，其中限制了C軸行程為－360°～360°，A軸行程為－110°～110°。若A、C軸超程，后置處理程序將自動退刀并重新進行刀具路徑處理，輸出接續程序實現安全加工。

圖4 六軸雙模式五坐標機床運動軸

3.3 綜合加工測試

（1）國家標準三坐標立式與臥式綜合測試 針對五坐標機床需同時加工立式和臥式兩種狀態的情況，需按照標準的三軸方圓試件進行加工；另外增加了2處3°斜角檢測斜面的精度、4處圓孔檢測孔的位置度，圓孔中增加臺階孔，檢測兩孔的同軸度。經加工及檢測，精度全部合格，實物如圖5所示。

圖5 國家標準方圓試件測試實物

（2）NAS及S件加工測試 采用國產華中數控系統HNC848控制六軸雙模式五坐標聯動加工中心進行應用測試。各伺服驅動電動機采用配套國產電動機，采用RTCP五軸刀心編程控制，基于UG NX模式進行雙模式五坐標聯動后處理開發，雙模式五軸聯動自行切換，最終完成了NAS和S件測試（見圖6、圖7），經過檢測全部合格。

圖6 NAS件測試

圖7 S件測試

4 大型七軸五聯動立式車銑復合加工中心應用驗證

4.1 總體結構

圖8為大型七軸五聯動立式車銑復合加工中心，車削主軸箱沿橫梁水平移動（X1軸），銑削主軸箱沿橫梁水平移動（X2軸）；工作臺沿床身前后移動（Y軸），擺動頭固定于銑削主軸下方，繞Y軸旋轉（B軸）；車削滑枕在主軸箱內上下移動（Z1軸），銑削滑枕在主軸箱內上下移動（Z2軸）；回轉工作臺（C軸）在車削工作時提供主切削力，在銑削工作時可實現數控旋轉分度；橫梁沿龍門立柱上下運動（W軸）。采用華中數控HNC848全數字數控系統，能實現X、Y、Z、B、C五軸聯動的數控控制和插補運算功能，能夠保證在整個加工區域內進行車削、鏜削、鉆削及銑削加工。

圖8 大型七軸五聯動立式車銑復合加工中心

4.2 綜合加工測試

（1）國家標準三軸銑削方圓試件加工測試 針對機床特點，對機械部分及數控系統進行優化，并優化加工基準、數控程序，進行國家標準方圓試件三軸銑削加工測試（見圖9），切削成品經過檢測，尺寸全部合格。

圖9 國家標準方圓試件三軸銑削加工測試

（2）NAS件加工測試 針對NAS件標準要求，進行五軸側銑綜合測試。對數控系統插補周期、加工刀具、數控程序、進給量和主軸轉速進行最優化摸索，加工NAS件（見圖10）。經檢測，加工精度滿足標準要求，但是從摸索的情況來看，機床在不同進給速率和不同轉速下加工出的產品，其外表面粗糙度存在差異，動態自適應調整功能還需要提高。

圖10 NAS件加工測試

（3）S件加工測試 S件加工測試如圖11所示，加工精度滿足使用要求，但是在平面處出現了小的凹痕。經深入分析，原因是機床在閉環狀態下增益調不上，需要通過改善機械摩擦力進行優化。

圖11 S件加工測試

采用國產華中數控系統HNC848，各伺服驅動電動機全部采用配套國產電動機，X、Y、Z三個線性軸進給速度分別達到15m/min、12m/min、8m/min，復合擺頭5r/min，實現回轉工作臺5r/min銑削和150r/min的車削控制。采用RTCP五軸刀心編程控制，完成了基于UG NX模式的五坐標聯動銑削+立式端面車削+臥式外圓車削的車銑復合自行切換，實現了國產機床的安全自主可控。

采用力矩電動機直接驅動A/C主軸擺頭，配備HSK A63主軸刀柄，通過20kW的主軸電動機及37N·m的恒扭矩進行切削，既可以實現鋁合金、復合材料的高速精密切削，也可以實現不銹鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料的精密切削。

5 大型主軸復合擺動式銑車復合加工中心應用驗證

5.1 總體結構

大型主軸復合擺動式銑車復合加工中心（見圖12）配備國產華中數控系統HNC848，采用高精密光柵尺、圓鋼柵尺，全閉環位置反饋控制。機床床身、立柱、橫梁、滑座、旋轉工作臺和主軸箱等主要基礎件及關鍵結構件均采用鑄造結構，確保機床具有高的剛度和良好的精度穩定性。X、Y、Z直線軸均采用高精度直線導軌支承，移動由伺服電動機帶動高精度滾珠絲桿來實現，對直線導軌和滾珠絲杠采用雙層防護，以防止加工粉塵的污染。銑車復合旋轉工作臺支承采用交叉滾子軸承，驅動采用雙電動機帶動變速齒輪箱驅動工作臺旋轉，工作臺在車削工作時提供主切削力，在銑削工作時可實現數控旋轉分度。主軸系統采用B軸擺動頭，使主軸實現立、臥轉換（見圖13）。安裝車刀和旋轉刀具的主軸具有車、銑復合功能，可實現車、銑加工；主軸配備HSK A100高速銑削刀柄及CAPTO車削刀柄；設備主軸轉速可達到10000r/min；機床左側配備40把鏈式自動換刀裝置，換刀時間＜5s。

圖12 大型主軸復合擺動式銑車復合加工中心

圖13 主軸立臥轉換

5.2 綜合加工測試

針對該非正交坐標系統的特種結構形式五坐標機床，通過主軸立式和臥式兩種方式同時進行標準三軸方圓試件加工（見圖14），該方式可以通過檢測結果有效推測出擺動頭的動態擺動精度，兩種狀態下的檢測結果均合格。然后進行NAS件及S件加工測試，試切的NAS件及S件（見圖15、圖16）均滿足精度指標要求。

圖14 方圓試件立式及臥式加工

圖15 NAS件試切

圖16 S件試切

大型主軸復合擺動式銑車復合加工中心采用國產華中數控系統HNC848，各伺服驅動電機全部采用配套國產電動機，X、Y、Z三個線性軸進給速度分別達到15m/min、12m/min、10m/min，復合擺頭5r/min，實現回轉工作臺5r/min銑削和200r/min的車削控制。采用RTCP五軸刀心編程控制，完成了基于UG NX模式的五坐標聯動銑削+立式端面車削+臥式外圓車削的車銑復合自行切換，實現了國產機床的安全自主可控。采用力矩電動機直接驅動A/C主軸擺頭，配備HSK A100主軸刀柄，通過20kW的主軸電動機及201N·m的恒扭矩進行切削，既可以實現鋁合金、復合材料的高速精密切削，也可以實現不銹鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料的強力切削。所加工的NAS件和S件均檢測合格，滿足航空航天產品五軸聯動加工需求。

6 橋式龍門搖籃式五軸加工中心應用驗證

圖17所示的搖籃式五軸加工中心采用雙立柱小龍門框架式結構，配備國產華中數控系統HNC848。機床X、Y、Z三軸行程分別≥1600mm、800mm、800mm；C軸－360°～360°連續；A軸－15°～110°連續；主軸最高轉速≥12000r/min；定位精度≤0.008mm；重復定位精度≤0.005mm；回轉軸定位精度10＂，重復定位精度7＂；傾斜軸定位精度12＂，重復定位精度8＂；快移速度≥24m/min。其加工的NAS件及S件（見圖18）經檢測全部合格，滿足航空航天五軸小型零部件精密高效加工的需求。

圖17 搖籃式五軸加工中心

圖18 搖籃式五軸加工中心NAS件及S件加工測試

7 結束語

本文采用國產華中數控系統在A/C擺頭五軸機床、單擺頭五軸機床、復合擺頭五軸機床、搖籃轉臺五軸機床四類典型五坐標高檔機床上，分別加工測試國家標準方圓試件、NAS件及S件，均達到合格要求。結果表明，國產華中數控系統符合五軸機床的綜合性能測試指標的要求，可以滿足各行業五軸高檔機床的數控系統需求。對標國外部分進口高檔數控系統的先進功能，國產數控系統在高速高精插補控制、動態監測與碰撞控制、智能化加工控制、多軸聯動高速高精插補控制、數控程序手動操作控制、基于特征的循環編程、多坐標聯動剛性攻螺紋以及系統操作界面等方面，均可以達到國外高檔數控系統同等水平。