設計全過程：i5M8智能五軸立式加工中心的研發與應用
2021-1-14 來源：沈陽機床股份有限公司 作者：-
一、研發背景
機床作為機械制造業的主要加工設備，在某種意義上代表了一個國家的機械制造業水平。機床設備不但關系著國家的航空航天、軍工、精密器械等行業的戰略安全，而且還與人們的日常生活密不可分。如果沒有制造業的支撐，國家就很難真正的實現現代化的建設。五軸聯動數控機床是目前世界上最先進的機床設備，人們在設計、制造復雜曲面遇到無法解決的難題時，就會首先想到五軸聯動數控機床。由于其特殊的地位，西方發達國家一直把五軸數控機床和數控系統作為戰略物資實行出口許可證制度。
進入21世紀，世界機床技術快速向前發展，在精度、效率、自動化、智能化、網絡化、集成化方面，都出現了新的飛躍。隨著“工業4.0”概念的提出，中國政府提出了“中國制造2025”，但是高檔數控系統和高檔五軸數控機床一直是制約我國制造業發展的瓶頸，基于此，沈陽機床i5M8智能五軸立式加工中心應運而生。
二、產品簡介
i5M8智能五軸立式加工中心是沈陽機床最具獨特性的一款產品。其解構主義設計理念的工業設計，搭載沈陽機床自主研發的，具有自主知識產權的i5智能數控系統，是一款平臺型智能五軸加工中心。i5M8機床在航天軍工、汽車、新能源、醫療等高品質復合加工領域能發揮最佳性能。
圖1 i5M8外觀
三、產品特點
1.產品的結構特點
i5M8智能五軸立式加工中心整機采用龍門動橫梁式結構，統一的床身、立柱、橫梁、主軸箱等鑄件框架，采用高速直驅電主軸，直線軸采用電機直聯，具有高速度、高加速度和高剛性的特點。A/C軸轉臺采用先進的直驅力矩電機，具有很高的位置精度和動態性能。它不僅具有在單位時間內實現高速切削的能力，而且可使被加工零件獲得高精度和低表面粗糙度。
圖2 機床主體結構
（1）外觀設計
i5M8整機結構極為緊湊，占地面積相對較小，可以最大限度地提高客戶現場的土地使用率。同時前門配有大玻璃的安全門，可以方便操作者觀察加工區域的狀況。“一”字型前門拉手設計讓客戶開關防護門更為方便。前門打開之后操作者可以自由接近加工區域，方便操作者上下料，符合人機工程學的設計。機床的氣動、潤滑、液壓系統置于全封閉防護內，在相應位置都留有拉門及觀察視窗。i5M8產品的外觀設計是工業設計領域的一個成功案例。
（2）動梁龍門結構
整體結構優化排水和防水設計，X/Y/Z三軸的拖動機構在加工區域上方，有效避免加工時切屑和切削液對絲杠、導軌的侵染。Y軸雙電機驅動，響應速度更快、運動更平穩、加工精度更高。三軸擁有600×680×450mm的超大行程，空間更大，操作更靈活。
（3）高速銑削電主軸
i5M8的銑削電主軸標配最高轉速12000r/min，最大功率15k W，最大扭矩96N·m，BT40接口。該款主軸內置異步伺服定轉子，采用油脂潤滑，水冷卻，錐孔徑向跳動≤0.003mm，主軸帶有氣密封、刀具冷卻、主軸溫度監控等功能，可長時間保持對客戶零件的高精度加工。同時，也可根據客戶的不同需求，選配18000r/min、24000r/min等不同轉速電主軸。
（4）A/C軸搖籃轉臺
A/C軸搖籃轉臺采用力矩電機作為動力源，搭載YRT軸承實現直接驅動，減少中間環節，提高動態響應速度及運動精度。A/C軸最高轉速可達50r/min，A/C軸轉動范圍±120°/nx360°。A/C軸定位精度10″，重復定位精度6″，配備海德漢編碼器。獨有的多層密封設計，能有效提高搖籃轉臺的防水性能，支持φ500mm直徑工作臺，工件最大回轉直徑φ600mm。
通過研究兩軸轉臺在運動過程中的特性，提出使用整體鑄鋁結構，從而減輕擺架重量，提高擺架重心，減小在擺動運動中產生的轉動慣量，降低對力矩電機的負載要求，達到提高動態響應及擺動加速度的目的。擺架重量由205kg減輕為75kg。輕量化設計之后A軸角加速度由鑄鐵擺架的12rad/s2提升到鑄鋁擺架的18rad/s2。
圖3 兩軸轉臺設計結構示意圖
（5）傘式伺服刀庫
i5M8配備平置式傘形刀庫，可裝載20把刀具，伺服電機驅動轉位，采用主軸抓刀的方式進行換刀，換刀過程快速準確。還可選配32把鏈式刀庫，滿足客戶更多的需求。
圖4 20把平置式傘形刀庫
圖5 32把平置鏈式刀庫
2.i5數控系統特點
i5數控系統是沈陽機床攻克了CNC運動控制技術、數字伺服驅動技術、實時數字總線技術等運動控制領域的核心底層技術，推出的具有網絡智能功能的數控系統。該系統突破了世界機床行業最頂級的五軸五聯動控制技術，摘下了工業軟件皇冠上的明珠。其具有特征編程、三維模擬仿真、遠程診斷、工業互聯等多種智能技術。
圖6 第四代i5系統
第四代i5數控系統，采用i5OS內核。標準五軸聯動控制、車銑復合、在機測量、工單管理等系統功能以工業APP的形式植入數控系統，可以隨著i5M8產品的不斷更新迭代開發新的工業APP，從而形成機床產品的獨特性。
四、產品亮點
1.可重構平臺型設計
i5M8是一款可重構平臺型智能機床。主體采用由床身、立柱、橫梁、主軸箱等組成的統一的機械平臺，外圍單元如液壓、氣動、潤滑等采用模塊化設計。統一的機械平臺通過搭配固定式工作臺、單軸直驅轉臺、雙軸直驅轉臺、銑車電主軸等不同功能模塊，從而實現3軸、3+1軸、3+2軸、5軸聯動、銑車復合等具有不同功能的加工中心，可以高效地滿足不同行業、不同類型客戶的零件加工需求。機床的工作臺模塊可實現快速靈活的換裝，短時間內實現機床功能的轉換，i5數控系統則通過軟件模塊選擇就能輕松實現控制，由于具備多種切削能力，這種設計理念的機床可以幫
助客戶實現零件的定制化生產和應對市場的需求變化。
2.核心功能部件國產化
i5M8智能五軸立式加工中心的數控系統、電主軸、A/C軸力矩電機、排屑器、水冷機等功能部件均采用國產品牌。通過功能部件的國產化，一方面實現了機床整體制造成本的下降，降低了終端用戶的采購成本；另一方面通過i5M8的不斷提升和進步，對這些關鍵零部件也提出了更高的要求，從而推動國產功能部件不斷的提升設計和制造水平。
3.銑車復合功能
結合市場需求，i5M8研發了五軸聯動加工中心的銑車復合功能。該功能通過數控系統、銑車復合電主軸、高速C軸之間的配合來實現，使機床可以在銑削模式與車削模式兩種狀態下自由切換。銑削模式狀態下可以實現對零件的五軸聯動、3+2多軸銑削加工，車削模式狀態下可以實現對工件的外圓、內孔、端面等進行立式車削、臥式車削以及A軸聯動車削加工。從而進一步提升了M8產品集成加工的能力，尤其適合外形復雜、加工特征多樣的零件，可以將零件的車削特征、銑削特征一次性加工完成。
五、質量控制
沈陽機床股份有限公司是一家通過ISO9001質量管理體系以及ISO10012測量管理體系認證的企業。i5M8智能五軸加工中心的研發制造檢測過程遵循以上兩項管理體系的要求。機床的幾何精度指標優于國家標準GB/T34880.2-2017《五軸聯動加工中心檢驗條件》的要求 ；機床的切削精度指標符合國際標準ISO10791-7《Test conditions for machining centers》第七部《Accuracy of finished test pieces》中的NAS試件以及S試件的加工精度要求。在制造過程中的質量保證上主要采用檢測設備保證以及過程管控保證：
（1）檢測設備保證：公司擁有雷尼紹XL-80激光干涉儀、QC20-W球桿儀、回轉軸校準裝置XR10、海克斯康GLOBAL performance7107三坐標測量機、schenck HS20BU動平衡機等關鍵測量設備，用以檢測機床的定位精度、加工試件精度以及高速電主軸動平衡。
（2）過程管控保證：①具有完善的過程控制文件及配套的質量記錄文件20余種；②建立機床檔案，每臺i5M8產品從產品設計、BOM編制、加工裝配過程、客戶安裝使用的全過程，可實現質量責任追溯；③通過客戶反饋、QC立項等方式，以PDCA原則，不斷提升產品質量；④開展培訓及崗位輪換活動，不斷提升員工業務水平。
六、產品研發與應用
經過為期兩年的產品研發，聯合沈機（上海）智能系統研發設計有限公司以及國內功能部件廠商，陸續攻克了五軸聯動數控系統銑車復合控制功能、兩軸搖籃高速C軸轉臺以及銑車復合高速電主軸功能部件。采用系統功能與關鍵功能部件的有效集成，研發出i5M8.4銑車復合五軸聯動加工中心。該產品搭載最新的第四代i5OS智能數控系統， 19寸觸摸屏，是一臺具有互聯網基因的大數據終端。i5OS系統提供標準運動控制API接口與開發環境，使機床與系統共同進步。系統功能上擁有對加工零件的高級仿真、傾斜面坐標快速變換、手輪引導、銑車模式切換、五軸斷點返回等功能，讓操作更方便。
圖7 i5M8.4銑車復合五軸聯動加工中心
該產品配備的銑車復合電主軸，銑削模式下最高轉速可達12000r/min，采用HSK63A刀柄；車削模式下通過主軸鼻端三聯牙盤定向，刀尖定位準確可靠。A/C軸搖籃轉臺采用國際領先的直驅式力矩馬達，無反向間隙，角度定位準確。直線軸與旋轉軸的高精度配置可以保證五軸聯動時零件加工尺寸的準確性。C軸最高轉速可以達到1200r/min，用以滿足車削模式下的切削線速度要求。
目前i5M8.4銑車復合五軸聯動加工中心主要應用于新能源電機殼、高端汽車輪轂、航空發動機葉盤等行業零件。通過i5M8.4的銑車復合功能可以實現一次裝夾完成車削、銑削、鉆孔攻絲等加工，減少了傳統加工方式中的多次裝夾所造成的定位誤差，減少了重復上下料的輔助時間，降低了多序加工時候的設備采購成本和工裝夾具的采購成本，提高了產品的加工精度和加工效率。
圖8 典型加工零件
七、結束語
隨著現代零件設計越來越自由，加工特征越來越復雜，對五軸機床的需求日益增長。i5M8將繼續不斷迭代、不斷創新、不斷前行，引領我國五軸機床走向高端自主，更好地服務和應用于航空航天、軍工、模具、汽車、醫療等行業，為加快實現“中國制造2025”做出應有的貢獻。
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