基于旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng)及控制方法

摘?要：國(guó)家“十四五”規(guī)劃提出要明顯提高高檔數(shù)控機(jī)床的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。其中五軸加工中心就是科技含量高、精密度高的高檔數(shù)控機(jī)床的代表之一，專(zhuān)門(mén)用于加工復(fù)雜的曲面。傳統(tǒng)的三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床很難滿(mǎn)足目前精密制品加工的需求，開(kāi)發(fā)出高性能五軸與CNC加工中心既是科技發(fā)展的需要，也順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;五軸;CNC加工中心;控制系統(tǒng)

Online?Control?System

and?Control?Method?Based?on?Rotating?Fiveaxis?and?CNC?Machining?Center

Wang?Jianling

Shenzhen?FurPrecision?Products?Co.，Ltd.?GuangdongShenzhen?518000

Abstract：The?national?"14th?FiveYear?Plan"?proposed?to?significantly?improve?the?international?competitiveness?of?highgrade?CNC?machine?tools.Among?them，the?fiveaxis?processing?center?is?one?of?the?representatives?of?highgrade?CNC?machine?tools?with?high?technological?content?and?high?precision，specially?used?for?processing?complex?curved?surfaces.It?is?difficult?for?the?traditional?threeaxis?linkage?machine?tool?to?meet?the?current?needs?of?precision?products?processing.The?development?of?highperformance?fiveaxis?and?CNC?processing?center?is?not?only?the?need?of?the?development?of?science?and?technology，but?also?conforms?to?the?trend?of?the?development?of?The?Times.

Keywords：CNC?machine?tool;fiveaxis;CNC?machining?center;control?system

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，智能制造一直以來(lái)作為我國(guó)制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)的主攻方向，高檔自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床的開(kāi)發(fā)便是重中之重。

數(shù)控機(jī)床技術(shù)被認(rèn)為是一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志，而五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)機(jī)床則代表了整個(gè)機(jī)械制造行業(yè)的最高科學(xué)技術(shù)，從某些程度上也反映了一個(gè)國(guó)家機(jī)械工業(yè)發(fā)達(dá)的程度水平。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)就是在三軸的基礎(chǔ)上再次增加了兩個(gè)方向的螺旋軸，所以又叫旋轉(zhuǎn)五軸。對(duì)一些復(fù)雜工件需要進(jìn)行曲面加工，五軸具有三軸所不能比擬的優(yōu)勢(shì)，三軸在操作時(shí)工件不能一次裝夾，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)平滑曲面的加工，而旋轉(zhuǎn)五軸卻可以通過(guò)一次裝夾而實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的復(fù)合加工，工序集中度高，能保證工件在各個(gè)表面位置的加工精度。旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng)在制造業(yè)加工中發(fā)揮著舉足輕重的作用，能在很大程度上提高產(chǎn)能和質(zhì)量。

智能制造業(yè)作為大國(guó)重器的重點(diǎn)，是推進(jìn)工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)的主要內(nèi)容，旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)機(jī)床是高效和智能的代表，是高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)它的控制系統(tǒng)和控制方法的研究具有深遠(yuǎn)的意義。

一、旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心技術(shù)背景

當(dāng)前國(guó)際上五軸與CNC加工中心相互聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床技術(shù)以歐美和日本等國(guó)家為主要代表，這些國(guó)家都掌握了當(dāng)前最高水平。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，以美國(guó)和歐洲為首的西方工業(yè)相對(duì)比較發(fā)達(dá)國(guó)家，旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)合聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床始終是我國(guó)作為社會(huì)主義國(guó)家的重點(diǎn)和戰(zhàn)略性物資，出口產(chǎn)品均實(shí)行了出口和授權(quán)許可證管理制度。

我國(guó)在數(shù)控機(jī)床上的研究已經(jīng)有幾十年的發(fā)展，通過(guò)引進(jìn)、消化和吸收，初步形成了一定規(guī)模的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。但是五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床市場(chǎng)占有率不到5%，而且絕大多數(shù)依賴(lài)進(jìn)口。缺少五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)生產(chǎn)加工的產(chǎn)品甚至?xí)媾R價(jià)格上下滑三分之二，根本不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，打破國(guó)際上的技術(shù)壟斷，發(fā)展具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)已成為政府、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的共同目標(biāo)。

二、旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng)介紹

（一）五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)

五軸與CNC加工中心聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)是指利用計(jì)算機(jī)控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)加工的功能，CNC即Computerized?Numerical?Control，翻譯為電腦數(shù)字化控制。數(shù)控控制的原理是通過(guò)可編程邏輯控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體實(shí)現(xiàn)的，數(shù)控裝置就相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，它是根據(jù)輸入事先編輯好的程序，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)碼為一種機(jī)器語(yǔ)言來(lái)給機(jī)床下達(dá)指令，準(zhǔn)確地說(shuō)它本身就是機(jī)床的CPU，通過(guò)機(jī)器語(yǔ)言能夠?qū)崿F(xiàn)一整套加工操作，他的結(jié)構(gòu)是在三軸的基礎(chǔ)上增加了旋轉(zhuǎn)軸，如下圖1所示。伺服系統(tǒng)一直是數(shù)控技術(shù)的難點(diǎn)所在，它充當(dāng)了數(shù)控設(shè)備和機(jī)床本體的紐帶作用，通過(guò)它起到控制數(shù)控加工中心的動(dòng)力部位。輔助的設(shè)備會(huì)配套以各個(gè)位置的測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)機(jī)床的在各個(gè)方向上的進(jìn)給速度和位移，同時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)部位的執(zhí)行動(dòng)作。數(shù)控機(jī)床加工中心的機(jī)械部分—機(jī)床本體包括主軸箱體、工作臺(tái)、進(jìn)給部件、夾具等，旋轉(zhuǎn)五軸技術(shù)的使用能通過(guò)一次編程，完成復(fù)雜成型工件的洗削、開(kāi)槽、鉆孔等全套加工，可自動(dòng)更換刀具，交替切削工件，工作環(huán)境安全性高，同時(shí)還滿(mǎn)足防護(hù)噪聲和防護(hù)粉塵要求。

（二）電氣控制系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要由三個(gè)部分共同構(gòu)成，分別是電氣原理圖、電氣元器件布局圖和電氣安裝接線圖。電氣原理圖是整個(gè)機(jī)床的電氣控制的基礎(chǔ)和核心，它包括主電路、輔助電路和照明電路系統(tǒng)，它們都能直接反映出電氣、電氣元件和其他連接點(diǎn)零部件的控制運(yùn)行線路圖。電氣元件的布置圖主要反映了電氣元件安裝時(shí)所在的位置，是電氣元件的整體布概況。而電氣安裝接線圖則是用規(guī)定的電氣圖形符號(hào)和數(shù)字標(biāo)識(shí)來(lái)反映CNC加工中心的接線情況。電氣硬件部分接線完成即需要進(jìn)行五軸平臺(tái)總線通訊測(cè)試，對(duì)通訊的穩(wěn)定性測(cè)試主要是看系統(tǒng)是否具備初始化條件，通過(guò)采集驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行速度曲線圖，對(duì)圖形進(jìn)行分析可以推測(cè)通訊成功與否的現(xiàn)象。外部設(shè)備的例行可靠性測(cè)試也是一項(xiàng)重要任務(wù)，如IO、油泵、刀庫(kù)和對(duì)刀儀是否可以正常使用，都需要開(kāi)發(fā)者在開(kāi)機(jī)之前進(jìn)行加工測(cè)試。五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床能實(shí)現(xiàn)正常啟動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)位置的調(diào)整點(diǎn)動(dòng)工作，點(diǎn)動(dòng)控制主要可以對(duì)機(jī)床上的刀架、橫梁等進(jìn)行快速移動(dòng)和對(duì)刀，點(diǎn)動(dòng)及長(zhǎng)動(dòng)控制線路圖如圖2所示。

三、旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)控制關(guān)鍵技術(shù)

（一）旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心的特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)五軸聯(lián)動(dòng)與CNC加工中心聯(lián)機(jī)具有效率高、精度高的特點(diǎn)，工件通過(guò)夾具裝夾在機(jī)床上，輸入預(yù)先編制好的程序，執(zhí)行操作可以完成復(fù)雜的加工，這種高檔機(jī)床能夠適應(yīng)復(fù)雜汽車(chē)零部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等模具的加工。旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)控制是解決葉輪、螺旋槳、大型柴油機(jī)曲軸等關(guān)鍵零部件加工的唯一設(shè)備。旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)控制具有以下特點(diǎn)。

1.提高加工精度的同時(shí)減少了加工時(shí)間

旋轉(zhuǎn)五軸比傳統(tǒng)三軸多了兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)軸，能一次性加工五個(gè)面，與CNC聯(lián)機(jī)控制的話C軸可以無(wú)限制地旋轉(zhuǎn)，A軸也可以旋轉(zhuǎn)半周，這些特性使得設(shè)備在加工時(shí)不會(huì)發(fā)生干涉。一次裝夾也避免了多次裝夾所帶來(lái)的重復(fù)定位產(chǎn)生的誤差，而且對(duì)夾具的依賴(lài)性也降低，規(guī)則和不規(guī)則工件都可以?shī)A持，對(duì)于一些不規(guī)則工件則便采用一面兩銷(xiāo)的夾持方式，既提高了精度又提高了效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化式的加工。如有一個(gè)曲軸試制的加工案例提供一個(gè)曲軸的工藝流程改進(jìn)：對(duì)于定制化的大型鋼件，沒(méi)有達(dá)到批量生產(chǎn)。按照之前的傳統(tǒng)工藝，需要從鍛件開(kāi)始做到成品，時(shí)間大概需要兩個(gè)月左右。但是使用旋轉(zhuǎn)五軸復(fù)合加工機(jī)的話僅需一道工序即可成型，時(shí)間可縮短一半。

2.減少車(chē)間占地面積，降低設(shè)備投資成本

旋轉(zhuǎn)五軸加工中心集多種加工工能于一體，從車(chē)床到銑床到磨床都可以實(shí)現(xiàn)，如果單獨(dú)買(mǎi)一臺(tái)立磨設(shè)備價(jià)格非常昂貴，通過(guò)設(shè)備成本和加工工時(shí)等核算下來(lái)會(huì)發(fā)現(xiàn)用五軸的性?xún)r(jià)比高。國(guó)內(nèi)隨著近幾年數(shù)控機(jī)床的飛速發(fā)展，對(duì)旋轉(zhuǎn)五軸的工程集約式生產(chǎn)只需導(dǎo)入整機(jī)模擬軟件，通過(guò)一定的調(diào)試時(shí)間就可以完成設(shè)備的初始化，所以目前很多汽車(chē)配件和一些高端制造產(chǎn)品基本都采用旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)為主要加工設(shè)備。

（二）旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)控制方法

1.刀具旋轉(zhuǎn)中心編程控制

國(guó)外高檔五軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)中，普遍采用刀具旋轉(zhuǎn)中心編程，簡(jiǎn)稱(chēng)RTCP，用戶(hù)通過(guò)CAM軟件以球形刀具中心點(diǎn)X/Y/Z和旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)來(lái)輸出執(zhí)行代碼的，數(shù)控系統(tǒng)以刀具中心點(diǎn)為計(jì)算基準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，同時(shí)根據(jù)曲面加工曲線在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，自動(dòng)對(duì)五軸機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行補(bǔ)償，以確保球形刀具的中心點(diǎn)在插補(bǔ)的過(guò)程中始終處于編程所需要的移動(dòng)軌跡上。該類(lèi)編程可以解決代碼之間的通用性，又有利于提高編程效率。高性能三軸的關(guān)鍵算法之一為拐點(diǎn)速度控制算法，其功能可以沿用到五軸聯(lián)動(dòng)中，空間刀具的軌跡圖如下圖所示。

2.網(wǎng)絡(luò)總線型數(shù)控系統(tǒng)控制

五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的控制效率瓶頸之一在于底層控制數(shù)據(jù)的傳輸效率，而采用網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)不但可以解決底層數(shù)據(jù)傳輸存在的可靠性和效率問(wèn)題，還可以實(shí)現(xiàn)納米插補(bǔ)，在配線上變得簡(jiǎn)單、配置絕對(duì)編碼器，抗干擾性增強(qiáng)，總線技術(shù)無(wú)疑把機(jī)床的核心功能集成化，通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)了越來(lái)越多的復(fù)雜功能，系統(tǒng)功能擴(kuò)展變得更簡(jiǎn)便，對(duì)大型結(jié)構(gòu)件的加工不再是神話，許多國(guó)際品牌數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置的開(kāi)發(fā)商都在研究和改進(jìn)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議，紛紛推出了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的機(jī)床。沈陽(yáng)機(jī)床廠開(kāi)發(fā)的i5智能機(jī)床系統(tǒng)是中國(guó)高端機(jī)床領(lǐng)域的一個(gè)突破，通過(guò)總線型控制實(shí)現(xiàn)了操作方便、功能開(kāi)放的特點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)五軸與CNC加工中心聯(lián)機(jī)控制需要以應(yīng)用為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出高性能的控制系統(tǒng)，扎實(shí)的基本功是開(kāi)發(fā)工作的前提保證。通過(guò)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的分析，以機(jī)床加工為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)技術(shù)人員和操作工人進(jìn)行培訓(xùn)，把母機(jī)設(shè)備生產(chǎn)做到交鑰匙工程，提升模具制造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)，提高我國(guó)制造業(yè)加工的競(jìng)爭(zhēng)力水平。

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作者簡(jiǎn)介：王建翎（1974—?）男，漢族，北京人，總經(jīng)理兼技術(shù)總監(jiān)，主要從事產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及技術(shù)創(chuàng)新，研究方向：五軸加工及工裝夾具、大型壓鑄鋁合金、平角度及尺寸精密度控制。