五軸聯動數控加工中心的組成、結構與功能
0引言依托于傳統的機械加工技術的三軸聯動加工 設備沒有加工任意復雜曲面的能力,對于復雜的工 件一般需要分塊來進行加工，造成完整的復雜工件 加工時間長、工藝復雜、需要多臺設備和多個人員 配合才能完成。具有明顯的不足之處。五軸聯動技 術的出現，對于快速加工具有任意復雜曲面的工件 給出了非常好的解決方法。五軸聯動技術,采用三 個直線運動和兩個旋轉運動并行運動，可以完成任 意空間曲面的加工，而且具有一次裝夾、多面自動 加工、復雜型面一次成型、與CAD/CAM/CAPP緊密 結合等優勢，尤其在加工周期和加工質量方面有了 可靠保證[1]。加工中心(Machining Center, MC)是適應省力、省 時和節能的時代要求而迅速發展起來的自動換刀數 控機床，綜合加工能力強，工件一次裝夾后能完成較 多的加工內容，加工精度較高，就中等加工難度的批 量零件，其效率是普通機床的5至10倍，特別是它 能完成許多普通機床不能完成的加工，對形狀復雜, 精度要求高，小批量多品種生產更為適用剛。五軸聯動精工加工中心結合了上述五軸聯動 技術和加工中心設備，具有高效率、高精度的特點； 是綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、通 信技術、電動與拖動技術、現代控制理論、測量及傳 感技術、遠程診斷技術、刀具和編程技術的高科技產品。1五軸聯動加工中心的組成與結構五軸聯動加工中心由五軸聯動精工系統和五軸機床加工中心兩部分組成。1) 精工系統軟控系統是精工加工中心的核心，其性能直接 影響精工加工中心的加工效率、精度、可操作性等 關鍵指標。5MC850-A型五軸聯動加工中心采用華 拓科技自主研發的PC+I/0開放式HWATEC-5M-1 型五軸聯動精工系統。該精工系統摒棄了傳統的 NC+PC和PC+NC結構，采用開放式的PC+I/0結 構，全部精工核心功能(插補功能、加減速功能、實 時控制功能、輔助I/O控制功能)均由運行在PC硬 件平臺上的軟件來實現，借用現有的通用操作系統 平臺（如Windows、Linux、Vxworks等），在高級語言 應用開發軟件（如 Visual C++、Visual Basic、C# 等） 支持下，通過安裝在PC主板擴展槽上的通訊接口 和I/O板卡對伺服系統和機床運動系統進行控制， 具有模塊化、標準化、可二次開發、與平臺無關性、 適應網絡操作方式等開放式軟件化特征％相對于 傳統嵌入式精工系統的優勢主要體現在以下幾點：① 軟、硬件開放式結構，可以完成各種擴展的 高級組合控制和在線檢測功能；② 與市場上成熟的CAD、CAPP、CAM軟件的有 效鏈接接口功能；③ 可方便的實現針對精工機床整體的遠程狀 態監測和故障診斷功能；④ 支持遠程管理、遠程控制和遠程技術支持等 功能；⑤ 操作平臺采用通用Windows操作系統，操作 簡單、靈活、方便；⑥ 具有極強的遠程通訊、圖形處理、多媒體處 理功能，并具有良好的外圍設備接口；精工系統操作界面如圖2所示。在系統可靠性方面，由于開放式、軟件化精工 系統采用的是成熟的通用PC標準硬件來完成非常 復雜的功能，與傳統封閉式精工系統采用定制產品 只能完成簡單功能相比，可靠性是有更高的保證 的。2) 五軸機床加工中心運動軸。五軸聯動加工中心的運動軸大多是3+2的結構，即X, Y, Z三個直線運動軸加上分別X， Y，Z軸旋轉的A，B, C三個旋轉軸中的兩個旋轉軸 組成。這樣，從大的方面分類,就有了 X，Y，Z, A, B; X，Y, Z, A, C; X, Y, Z, B, C三種形式，由兩個旋轉軸 的組合形式來分，大體上有雙轉臺式、單轉臺加單 擺頭式和雙擺頭式三種形式，如圖3所示。五軸聯動加工中心采用雙 轉臺式又丫,乙人，(：形式，見圖33)。五軸聯動可加 工工件尺寸可達$250x250,結構簡單靈活，性價 比優勢明顯。自動換刀裝置。自動換刀裝置使加工中心裝夾 工件后能盡可能多的完成同一工件不同部位的加 工要求，并盡可能減少加工中心的非故障停機時 間，達到縮短產品制造周期，提高產品的加工精度 等目標。對自動換刀裝置的基本要求主要是結構簡 單、功能可靠、交換迅速[51。自動換刀裝置將工件加 工的不同工序集中在一起，是加工中心的重要組成 部分，它的性能直接影響加工效率的高低。常見的自動換刀裝置有斗笠式刀庫、圓盤式刀 庫、鏈式刀庫。5MC850-A型五軸聯動加工中心采用 圓盤式刀庫，可容納24把刀，換刀時間在1.5 s以 內，如圖4所示。圓盤式刀庫利用機械手臂換刀，較 斗笠式刀庫整體移動提高了換刀效率，較鏈式刀庫 經濟實用。另外，五軸聯動加工中心還 包含Z向主軸升降運動液氮平衡系統、自動潤滑系 統、冷卻液循環系統等，為高效率、高精度加工提供 輔助功能及結構上的保證。2五軸聯動加工中心的功能五軸聯動加工中心適合加工工序多、要求高、 需要多種類型的普通機床和多種刀具夾具經過多 次裝夾調試才能完成加工的復雜曲面工件。例如發動機缸蓋、離合器殼體、葉輪、螺旋槳、醫用人工關 節、頭像、頭盔模型等等，如圖5所示，這些工件在 普通機床上是幾乎不可能完成的任務，而五軸聯動 加工中心對于這些工件的加工具備天然的優勢。 5MC850-A型五軸聯動加工中心可勝任上述工件中加工工序多、精度要求較高的中小型復雜曲面工件加工，是一款經濟實用的立鐵加工中心。其 主要指標如下：(1) 行程:X 800mm，Y 500mm, Z 700mm，A 傾斜 軸-110。~110。，C 旋轉軸 ±360。(2) XY工作臺載荷600kg(3) 轉臺重量300kg，臺面尺寸<D250(4) X, Y, Z直線運動軸重復定位精度矣5 |xm(5 )X, Y, Z直線運動軸定位精度在10 |x m(6 )A，C回轉軸重復定位精度彡4"(7) A個讀斗軸定位精度矣60" ; C旋轉軸定位精 度名15"(8) 傾斜軸0°載荷140kg;0~90。范圍內允許 載荷70kg，切削扭力l〇〇〇N-m(9)主軸最高轉速8000rev/min，快速定位速 度多 10m/min(10) BT40-24圓盤刀庫，可容納24把刀，換刀 時間矣1.5sec(11) 系統分辨率0.1 |x m(12) 進給速度前瞻控制(預讀5000行）另外，具備開放式PC+I/0體系結構精工系統 的5MC850-A型五軸聯動加工中心可以方便的與 CAD/CAM/CAPP軟件進行對接，形成CAD /CAM /CAPP /CNC —體化產品;在完成基本的運動控制和 加工中心輔助控制實現復雜零件加工的同時，還可 以便捷的實現遠程技術支持及生產調度服務，這些 優勢使5MC850-A型五軸聯動加工中心可以作為 關鍵設備和基本單元應用于更高層面的柔性制造 系統、計算機集成制造系統或敏捷制造系統。3結論五軸聯動精工加工中心由五軸聯動精工系統 和五軸機床加工中心組成，適合加工工序多、要求 高的復雜曲面工件，具有高效率、高精度的特點，是解決葉輪、葉片、螺旋槳、發動機、曲軸等等復雜曲 面零件加工的重要手段。對國家的航空、航天、軍 事、科研、精密儀器、醫療設備等行業具有舉足輕重 的作用。