五轴联动加工中心

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除五轴联动数控机床百科名片五轴联运数控机床五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。 目前，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。目录简介 五轴机床的种类 五轴联动加工中心 国外五轴联动数控机历史及现状 五轴联动数控机床系统编辑本段简介装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了迫切的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，它反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间谍船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。 编辑本段五轴机床的种类有摇篮式、立式、卧式、NC工作台+NC分度头、NC工作台+90B轴、NC工作台+45B轴、NC工作台+ 通用卧式五轴联动数控机床1A轴、二轴NC 主轴等。 编辑本段五轴联动加工中心五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。若配以五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。立式五轴加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴，设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。 另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。 编辑本段国外五轴联动数控机历史及现状国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲面零件加工而出现的。随着机床复合化技术的新发展，在数控车床的基础上,又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的加工效率相当于两台三轴机床，有时甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资,大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，CIMT99 展览会上国产五轴联动数控机床第一次登上机床市场的舞台。自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以来，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业也相继开发出五轴联动数控机床。 当前，国产五轴联动数控机床在品种上已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应不同大小尺寸的杂零件加工，加上五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等的开发，基本涵盖了国内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ25HMC40 卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的TH61160 卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，可与发达国家的产品相媲美。在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等企业的产品已获得国内市场的认同。 编辑本段五轴联动数控机床系统装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。 长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间蝶船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。弧面凸轮加工方法研究 图1 弧面凸轮分度机构由于弧面凸轮(图1)工作曲面的空间具有不可展特性，所以只能通过两个旋转轴加工。无论是在专用数控机床还是通用多坐标数控机床上加工弧面凸轮，两个旋转轴不但应满足啮合传动时的运动要求，同时还应保证其中心距不变。大多数加工弧面凸轮的专用数控机床除具备两个旋转坐标外，两个回转中心的距离是可调的，以此来满足不同中心距凸轮的加工要求。这种机床的优点是结构简单、刚性好、成本低，缺点是加工范围有限，只能采用范成法加工。 对于通用五坐标数控机床，由于机床运动结构和工装的限制，加工弧面凸轮时是靠算法保证其中心距的。即除弧面凸轮所需的qt旋转运动外还需两个直线坐标x、z进行位置补偿，以保证刀具轴线始终通过理论回转中心并和摆动中心重合。这种机床的优点是加工范围几乎不受限制，既可用范成法加工也可用靠刀法加工，缺点是编程复杂、设备成本较高。 对于专用五坐标数控机床，由于其结构设计综合了上述两种机床的优点，所以在功能和使用性能上都有了较大的改进。笔者现以五坐标机床为例，讨论弧面凸轮的加工方法和相关问题。 1 机床结构及坐标系1. 通用五坐标数控机床 通用卧式五坐标数控机床(图2)加工弧面凸轮时，将凸轮毛坯安装在旋转坐标A上用以描述凸轮转角q。用两个直线坐标x、z和旋转坐标B合成刀具的摆动坐标t。若以范成法加工凸轮，只要给出凸轮和刀具的任意角度坐标A、B以及这时刀具相对工件的补偿坐标x、z就能精确地加工出弧面凸轮的轮廓曲面，这时为四轴联动。若以靠刀法加工凸轮，还应在范成法的坐标基础上再叠加一个由x、y合成的刀偏坐标，这时为五轴联动。由于结构的限制和为了防止刀具与工装的干涉，凸轮中心一般无法和B轴中心重合，而有一个距离D。为了编程方便，安装时使A轴轴线经过B轴中心，即机床设定中心距为0。 图2 通用五坐标数控机床及坐标系图3 专用五坐标数控机床及坐标系2. 专用五坐标数控机床 图3是在通用五坐标数控机床的结构基础上增加了一个W轴和数显装置的专用五坐标数控机床。这些装置用于调整A轴和B轴之间的距离，可调范围为40280mm。由于机床的结构和工装设计保证了工件中心和B轴中心都通过主轴轴线，因此z轴进给只用于控制加工凸轮的槽深而和其他参数无关，从而使操作和编程较为简单。这种结构的缺点是当凸轮中心距较大时，主轴悬伸较长，使主轴刚度降低。 采用卧式结构比采用立式结构的优点主要是机床结构相对简单、刚性好和运动范围大，特别是在靠刀法加工时坐标变换简单。这些特点对降低设计、制造成本，提高加工效率和精度，快速换刀等非常有利。2 数学处理及编程图4 五坐标机床上的坐标变换图4为五坐标机床上的坐标变换示意。图中O为刀具理论摆动中心，O为B轴中心，刀具理论摆动中心距为C，机床实际中心距为C，工件中心到B轴中心的距离为D。 考虑刀具摆动到任意位置a时，工件中心应始终在以O为圆心，以C为半径的圆弧上。而B轴中心应始终在以O为圆心，以R为半径的圆弧上。且有 R=(C-C)2+D2(1)由几何关系可知，这时的B轴中心相对于坐标系原点的坐标为 x=D(cosB-1)-(C-C)sinBz=(C-C)(1-cosB)-DsinB(2)可以看出补偿值只与凸轮的中心距参数C、机床中心距C、工件离B轴距离D 和摆角B有关，而与凸轮转角) 无关。 实际应用中，C、C和D 为已知量，刀具摆角B由运动规律B=B(A)确定，在加工过程中也为已知量。因此，通过两个旋转坐标和两个直线坐标的四轴联动控制，理论上可实现任意中心距凸轮的加工，不但可以用小中心距机床加工大中心距凸轮，也可以用大中心距机床加工小中心距凸轮。对于通用五坐标机床，一般有C=.。这时式(2)变为 x=-D+DcosB-CsinBz=C-DsinB-CcosB(3)对于专用五坐标机床，一般有D=0。这时式(2)变成 x=(C-C)sinBz=(C-C)(1-cosB)(4)特殊情况，当调整机床使D=0且C=C 时，恒有x=0、z=0。即凸轮加工变成两轴联动控制。将式(2)算法作为一个专用模块，放入由笔者开发研制的凸轮自动编程软件DoctorCAM 1.0凸轮自动编程系统中即可自动实现坐标的转换，该变换不影响该系统中的靠刀算法、偏心算法、进给速度修正、凸轮曲面修型和计算误差控制等功能。 3 应用实例现有待加工弧面凸轮型号为:SJH350.8，其参数为:中心距350mm，分度数8，动静比135/225，I型，左旋，槽深48mm，滚子直径90mm，蜗弧半径197mm，凸轮宽度250mm。该凸轮在专用五坐标机床上加工，由于凸轮中心距为300mm，大于机床最大可调范围40280mm，所以不能直接加工。 另外，当机床中心距调至大于200mm 时，由于结构的特点刀具至主轴端面的长度将大于300mm，主轴悬长将大于500mm，机床主轴刚度将明显变差、加工振动过大，对加工非常不利。 考虑到主轴刚度的要求，在不产生运动干涉的前提下调整机床中心距到200mm。这时的C=200mm，C=350mm，根据公式(4)即可求出任意A时刻的B、x和z坐标。图5 运动规律及补偿坐标曲线图5为SJH350.8凸轮分别在通用五坐标机床(D=400mm，C=0)和专用五坐标机床( D=0，C=200mm)上加工时，凸轮运动规律曲线及x、z补偿坐标的对比情况。 实际切削结果表明:该方法扩大了机床的原有加工范围，使机床原设计的中心距参数范围由40280mm 扩大到几乎不受限制而只与机床的运动干涉有关。通过对该方法的灵活应用还可以调整加工参数使机床刚度和加工效率得到提高。在上例中由于选择了200mm 而非280mm 的机床中心距，使主轴悬伸缩短了80mm，从而使加工时间缩短了近30%、加工表面质量提高一个等级。因此，使机床功能得以扩展，使用更为灵活。 对于大分度角和多头弧面凸轮的加工，由于分度角较大，要求刀具的摆角也较大，这时容易出现A轴箱体或工装与刀具或主轴干涉的现象。通过适当调整D参数或通过工件掉头两次加工的方法也可以达到扩大机床加工范围的效果。 4 结论使用五坐标数控机床加工弧面凸轮，不但可以实现靠刀法加工，而且还可以通过多坐标联动控制调整数控机床的加工范围和参数。 根据各个参数之间的关系编制出程序软件。通过灵活运用，可以充分发挥机床的功能，提高机床的效率，从而加工出高质量的弧面凸轮。【精品文档】第 7 页