臥式五軸加工中心技術研究
2018-9-27 來源： 上海新力機器廠 作者：唐鴻雁 萬齊訪 袁邦輝 楊冬冬 邵憧
摘要：五軸加工中心在復雜零件加工中得到廣泛應用。本文重點介紹了臥式五軸加工中心技術，為臥式五軸加工中心的研發、生產制造、加工、裝配到調試等諸多方面提供參考。
關鍵詞：五軸加工中心；研發；生產制造
0 引言
五軸加工中心廣泛應用與復雜零件加工中，CNC 數控萬能銑床的突出特點是其創新的機床結構。是基于其他航空航天技術研制單位的技術需求，針對航空航天領域中的機匣、葉輪等有復雜型面的零件加工的加工難度大、精度難保證以及效率低的難題所開展的機床研發項目。
目標是實現五軸加工中心技術的國產化并在軍工產品加工領域中得以推廣，根據客戶需求，攻克機床總體設計與裝配技術、高速高精度五軸數控系統應用等技術。所以在臥式五軸加工中心的研發、生產制造、加工、裝配到調試等諸多方面，都具有相當大的挑戰性。
1 、臥式五軸加工中心技術的介紹
1.1 五軸數控加工中心總體設計與裝配
五軸機床必須具備良好的剛性，以能夠對抗振動，機床的立柱、床身均采用特殊結構的具有合理筋板和筋格布局的鑄件構成，保證機床具有很高的精度穩定性和剛性，不會因擺動頭在不同的傾角、轉速與扭矩下，產生不同的切削力而發生運行不穩、爬行、振動及彈性變形，從而影響工件的平直度、光潔度與曲面的精度。
通過對不同床身材料、不同筋板結構、不同側壁及筋板厚度對高速機床靜動態特性影響對比。
1.2 五軸數控加工中心參數化建模和數值模擬分析
面向航空航天零件的復雜結構，機械加工設備必須保證自身的穩定性。采用參數化設計方法建立加工中心的三維模型，并利用 ANSYS 有限元對加工中心進行總體結構動靜態分析與優化，增強機床強度與穩定性；對五軸加工中心進行熱穩定性評估，即研究切削工況變化等工藝條件對數控機床熱穩定的影響，采用機身自身恒溫技術，對國產數控機床熱穩定性進行評估；開展高速精密大功率緊湊型主軸的設計與開發，進行主軸功能部件的動靜態性能分析及數控系統適用性評估。
針對關鍵部分的薄弱環節及其對整機結構動態特性的影響，進行綜合優化設計，為整機的工作性能設計提供科學依據。
1.3 高速高精度五軸聯動數控系統應用技術
五軸加工小線段軌跡到參數樣條軌跡的實時轉換。研究五軸加工刀具路徑的解析光順算法，同時保證近似誤差約束、參數化同步約束、曲率連續約束等決定插補速度與精度的關鍵約束，將工作坐標和機床坐標系下的線性刀具路徑實時擬合為曲率連續的刀具軌跡，在工作坐標系下的光順可以將線性刀具軌跡轉化為雙樣條軌跡，在機床坐標系下，將三個平動軸和兩個旋轉軸分別轉化為曲率連續的曲線，提高小線段軌跡插補的速度和平穩性。參數樣條刀具路徑插補與實時速度規劃。
研究五軸機床插補精度及機床各軸伺服能力的綜合約束，分析最大可行進給速度和進給加速度獲得各軸可行區域，研究以時間最優為目標的雙向掃描自適應速度規劃。五軸離散刀位文件和機床坐標系下刀軸方向的光順。
建立刀軸方向在工件坐標系下的光順性度量，以及結合數控機床旋轉軸結構的旋轉軸運動光順性度量，根據刀尖點軌跡的長度，建立研究刀軸方向光順性評價方法。針對刀位數據規模大的特點引入滑動窗口，建立窗口范圍內刀軸方向光順性的動態規劃模型以及求解方法，研究在滿足刀心點軌跡誤差的約束下，刀軸方向整體光順方法，降低旋轉軸的速度波動.五軸數控系統平臺與集成應用。
以自主知識產權開放式數控平臺的五軸 CNC 系統為基礎，集成刀軸方向光順、小線段加工軌跡的實時樣條化和參數樣條路徑實時插補功能，根據五軸機床動力學參數約束模型，實現與數控系統的高速、高精度五軸聯動控制的最優匹配。
1.4 五軸機床動態誤差和體積誤差的檢測與補償技術
研究五軸機床的運動關系誤差模型，分析五軸數控機床存在的空間定位誤差，利用坐標變換方法，通過在基座上建立基坐標系（參考坐標系），建立刀具、主軸到機架之間的“刀具一機架”運動鏈和工件到機架之間的“工件一機架”運動鏈之間的變換關系，建立三種不同類型五軸數控機床的空間誤差綜合模型。
研究五軸機床動態誤差和體積誤差檢測方法，研究球桿儀對五軸數控機床進行三軸圓路徑、旋轉軸路徑、五軸聯動路徑的動態運動檢測，分析各軸反向性能、伺服匹配性能、振動性能等；研究在線探針與標準球或其他標準形狀配合進行五軸機床幾何誤差檢測的檢測路徑、數據誤差分離；研究激光跟蹤儀對五軸機床進行平動軸和旋轉軸空間精度檢測方法并進行誤差分離。
從檢測精度、檢測效率、使用成本及誤差分離算法等角度進行優化選擇搭配。研究五軸機床的空間誤差補償方法。根據機床誤差模型，進行五軸機床空間誤差補償方法的研究，獲得五軸機床所包含的 43 項幾何誤差的補償算法。
補償的方式分成三種，一種是在配備具有空間誤差補償功能的數控系統的機床上進行試驗，可以分析確認所研究的檢測方法和誤差分離算法的正確性；一種是在沒有配備該功能的數控機床上試驗，通過將補償數據反應到加工 NC 代碼的角度，通過檢測零件的精度變化情況，分析補償效果。進行五軸機床空間誤差補償試驗。
根據獲得的大量機床檢測數據，應用誤差分離算法，獲得五軸機床的全部必要的誤差項數值，應用所研究的空間誤差補償算法，并進行補償試驗，分析補償效果，改進檢測和補償方法。
1.5 數控加工中心刀具狀態監測與智能刀具選配技術
五軸數控加工中心的刀具種類繁多，刀具選配需要綜合考慮加工工藝、刀具庫存和刀具剩余壽命等因素，以確保產品加工高效、可靠地完成。首先，利用功率傳感器和ARM 嵌入式系統開發刀具加工過程中的功率監測系統，建立刀具加工的實時功率消耗數數據庫，利用貝葉斯方法統計、分析刀具磨損過程的功率消耗特征值，實現刀具健康狀態監控；依據生產現場的實際加工數據，匹配刀具磨損的功率消耗特征值，實現刀具剩余壽命的預測。
然后，依據刀具種類、材料、刀柄和規格參數等進行分類，研究并建立刀具編碼體系，開發刀具基礎數據管理系統，刀具庫存管理系統，工藝參數管理系統，集成刀具立體倉庫和刀具健康狀態監控系統，開發刀具二維碼打印與識別系統，實現刀具選用、出庫、配送、加工、入庫、維修和報廢等全生命周期的管理，為刀具選用提供工藝、刀具規格、刀具數量和刀具剩余壽命等較全面的數據支持。
最后，開發數控機床、刀具、工藝參數、數控程序和工件等數控工藝系統數據庫；結合產品加工的工藝規程，利用工藝數據庫，提取工藝特征參數，利用刀具基礎數據管理系統，提取刀具特征參數，設計基于粗糙集的工藝相似度、刀具相似度、工藝與刀具相似度匹配計算方法，利用歷史數據挖掘關鍵特征，實現刀具類型的選配；在此基礎上，結合刀具健康狀態監控系統和剩余壽命預測，實現最終刀具的匹配。
2、 結論與展望
五軸加工中心的研發、生產制造、加工、裝配到調試對實現五軸加工中心技術的國產化具有重要意義。攻克機床總體設計與裝配技術、高速高精度五軸數控系統應用等技術是未來五軸加工中心的重點發展方向。
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