五軸聯(lián)動加工中心

精品文檔，僅供學習與交流，如有侵權請聯(lián)系網站刪除五軸聯(lián)動數(shù)控機床百科名片五軸聯(lián)運數(shù)控機床五軸聯(lián)動數(shù)控機床是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復雜曲面的機床，這種機床系統(tǒng)對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設備等等行業(yè)有著舉足輕重的影響力。 目前，五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等等加工的唯一手段。目錄簡介 五軸機床的種類 五軸聯(lián)動加工中心 國外五軸聯(lián)動數(shù)控機歷史及現(xiàn)狀 五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)編輯本段簡介裝備制造業(yè)是一國工業(yè)之基石，它為新技術、新產品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產業(yè)。即使是發(fā)達工業(yè)化國家，也無不高度重視。近年來，隨著我國國民經濟迅速發(fā)展和國防建設的需要，對高檔的數(shù)控機床提出了迫切的大量需求。機床是一個國家制造業(yè)水平的象征。而代表機床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)，從某種意義上說，它反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。長期以來，以美國為首的西方工業(yè)發(fā)達國家，一直把五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實行出口許可證制度。特別是冷戰(zhàn)時期，對中國、前蘇聯(lián)等社會主義陣營實行封鎖禁運。愛好軍事的朋友可能知道著名的“東芝事件”：上世紀末，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床，結果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進螺旋槳，上了幾個檔次，使美國間諜船的聲納監(jiān)聽不到潛艇的聲音了，所以美國以東芝公司違反了戰(zhàn)略物資禁運政策，要懲處東芝公司。 編輯本段五軸機床的種類有搖籃式、立式、臥式、NC工作臺+NC分度頭、NC工作臺+90B軸、NC工作臺+45B軸、NC工作臺+ 通用臥式五軸聯(lián)動數(shù)控機床1A軸、二軸NC 主軸等。 編輯本段五軸聯(lián)動加工中心五軸聯(lián)動加工中心有高效率、高精度的特點，工件一次裝夾就可完成五面體的加工。若配以五軸聯(lián)動的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工，更能夠適應像汽車零部件、飛機結構件等現(xiàn)代模具的加工。立式五軸加工中心的回轉軸有兩種方式，一種是工作臺回轉軸，設置在床身上的工作臺可以環(huán)繞X軸回轉，定義為A軸，A軸一般工作范圍+30度至-120度。工作臺的中間還設有一個回轉臺，在圖示的位置上環(huán)繞Z軸回轉，定義為C軸，C軸都是360度回轉。這樣通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的五個面都可以由立式主軸進行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001度，這樣又可以把工件細分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如與XYZ三直線軸實現(xiàn)聯(lián)動，就可加工出復雜的空間曲面，當然這需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。這種設置方式的優(yōu)點是主軸的結構比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設計太大，承重也較小，特別是當A軸回轉大于等于90度時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。 另一種是依靠立式主軸頭的回轉。主軸前端是一個回轉頭，能自行環(huán)繞Z軸360度，成為C軸，回轉頭上還有帶可環(huán)繞X軸旋轉的A軸，一般可達90度以上，實現(xiàn)上述同樣的功能。這種設置方式的優(yōu)點是主軸加工非常靈活，工作臺也可以設計的非常大，客機龐大的機身、巨大的發(fā)動機殼都可以在這類加工中心上加工。這種設計還有一大優(yōu)點：我們在使用球面銑刀加工曲面時，當?shù)毒咧行木€垂直于加工面時，由于球面銑刀的頂點線速度為零，頂點切出的工件表面質量會很差，采用主軸回轉的設計，令主軸相對工件轉過一個角度，使球面銑刀避開頂點切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質量。這種結構非常受模具高精度曲面加工的歡迎，這是工作臺回轉式加工中心難以做到的。為了達到回轉的高精度，高檔的回轉軸還配置了圓光柵尺反饋，分度精度都在幾秒以內，當然這類主軸的回轉結構比較復雜，制造成本也較高。 編輯本段國外五軸聯(lián)動數(shù)控機歷史及現(xiàn)狀國外五軸聯(lián)動數(shù)控機床是為適應多面體和曲面零件加工而出現(xiàn)的。隨著機床復合化技術的新發(fā)展，在數(shù)控車床的基礎上,又很快生產出了能進行銑削加工的車銑中心。五軸聯(lián)動數(shù)控機床的加工效率相當于兩臺三軸機床，有時甚至可以完全省去某些大型自動化生產線的投資,大大節(jié)約了占地空間和工作在不同制造單元之間的周轉運輸時間及費用。市場的需求推動了我國五軸聯(lián)動數(shù)控機床的發(fā)展，CIMT99 展覽會上國產五軸聯(lián)動數(shù)控機床第一次登上機床市場的舞臺。自江蘇多棱數(shù)控機床股份有限公司展出第一臺五軸聯(lián)動龍門加工中心以來，北京機電研究院、北京第一機床廠、桂林機床股份有限公司、濟南二機床集團有限公司等企業(yè)也相繼開發(fā)出五軸聯(lián)動數(shù)控機床。 當前，國產五軸聯(lián)動數(shù)控機床在品種上已經擁有立式、臥式、龍門式和落地式的加工中心，適應不同大小尺寸的雜零件加工，加上五軸聯(lián)動銑床和大型鏜銑床以及車銑中心等的開發(fā)，基本涵蓋了國內市場的需求。精度上，北京機床研究所的高精度加工中心、寧江機械集團股份有限公司的NJ25HMC40 臥式加工中心和交大昆機科技股份有限公司的TH61160 臥式鏜銑加工中心都具有較高的精度，可與發(fā)達國家的產品相媲美。在產品市場銷售上，江蘇多棱、濟南二機床、北京機電研究院、寧江機床、桂林機床、北京一機床等企業(yè)的產品已獲得國內市場的認同。 編輯本段五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)裝備制造業(yè)是一國工業(yè)之基石，它為新技術、新產品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產業(yè)。即使是發(fā)達工業(yè)化國家，也無不高度重視。近年來，隨著我國國民經濟迅速發(fā)展和國防建設的需要，對高檔的數(shù)控機床提出了急迫的大量需求。機床是一個國家制造業(yè)水平的象征。而代表機床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)，從某種意義上說，反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。 長期以來，以美國為首的西方工業(yè)發(fā)達國家，一直把五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實行出口許可證制度。特別是冷戰(zhàn)時期，對中國、前蘇聯(lián)等社會主義陣營實行封鎖禁運。愛好軍事的朋友可能知道著名的“東芝事件”：上世紀末，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床，結果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進螺旋槳，上了幾個檔次，使美國間蝶船的聲納監(jiān)聽不到潛艇的聲音了，所以美國以東芝公司違反了戰(zhàn)略物資禁運政策，要懲處東芝公司?；∶嫱馆喖庸し椒ㄑ芯?圖1 弧面凸輪分度機構由于弧面凸輪(圖1)工作曲面的空間具有不可展特性，所以只能通過兩個旋轉軸加工。無論是在專用數(shù)控機床還是通用多坐標數(shù)控機床上加工弧面凸輪，兩個旋轉軸不但應滿足嚙合傳動時的運動要求，同時還應保證其中心距不變。大多數(shù)加工弧面凸輪的專用數(shù)控機床除具備兩個旋轉坐標外，兩個回轉中心的距離是可調的，以此來滿足不同中心距凸輪的加工要求。這種機床的優(yōu)點是結構簡單、剛性好、成本低，缺點是加工范圍有限，只能采用范成法加工。 對于通用五坐標數(shù)控機床，由于機床運動結構和工裝的限制，加工弧面凸輪時是靠算法保證其中心距的。即除弧面凸輪所需的qt旋轉運動外還需兩個直線坐標x、z進行位置補償，以保證刀具軸線始終通過理論回轉中心并和擺動中心重合。這種機床的優(yōu)點是加工范圍幾乎不受限制，既可用范成法加工也可用靠刀法加工，缺點是編程復雜、設備成本較高。 對于專用五坐標數(shù)控機床，由于其結構設計綜合了上述兩種機床的優(yōu)點，所以在功能和使用性能上都有了較大的改進。筆者現(xiàn)以五坐標機床為例，討論弧面凸輪的加工方法和相關問題。 1 機床結構及坐標系1. 通用五坐標數(shù)控機床 通用臥式五坐標數(shù)控機床(圖2)加工弧面凸輪時，將凸輪毛坯安裝在旋轉坐標A上用以描述凸輪轉角q。用兩個直線坐標x、z和旋轉坐標B合成刀具的擺動坐標t。若以范成法加工凸輪，只要給出凸輪和刀具的任意角度坐標A、B以及這時刀具相對工件的補償坐標x、z就能精確地加工出弧面凸輪的輪廓曲面，這時為四軸聯(lián)動。若以靠刀法加工凸輪，還應在范成法的坐標基礎上再疊加一個由x、y合成的刀偏坐標，這時為五軸聯(lián)動。由于結構的限制和為了防止刀具與工裝的干涉，凸輪中心一般無法和B軸中心重合，而有一個距離D。為了編程方便，安裝時使A軸軸線經過B軸中心，即機床設定中心距為0。 圖2 通用五坐標數(shù)控機床及坐標系圖3 專用五坐標數(shù)控機床及坐標系2. 專用五坐標數(shù)控機床 圖3是在通用五坐標數(shù)控機床的結構基礎上增加了一個W軸和數(shù)顯裝置的專用五坐標數(shù)控機床。這些裝置用于調整A軸和B軸之間的距離，可調范圍為40280mm。由于機床的結構和工裝設計保證了工件中心和B軸中心都通過主軸軸線，因此z軸進給只用于控制加工凸輪的槽深而和其他參數(shù)無關，從而使操作和編程較為簡單。這種結構的缺點是當凸輪中心距較大時，主軸懸伸較長，使主軸剛度降低。 采用臥式結構比采用立式結構的優(yōu)點主要是機床結構相對簡單、剛性好和運動范圍大，特別是在靠刀法加工時坐標變換簡單。這些特點對降低設計、制造成本，提高加工效率和精度，快速換刀等非常有利。2 數(shù)學處理及編程圖4 五坐標機床上的坐標變換圖4為五坐標機床上的坐標變換示意。圖中O為刀具理論擺動中心，O為B軸中心，刀具理論擺動中心距為C，機床實際中心距為C，工件中心到B軸中心的距離為D。 考慮刀具擺動到任意位置a時，工件中心應始終在以O為圓心，以C為半徑的圓弧上。而B軸中心應始終在以O為圓心，以R為半徑的圓弧上。且有 R=(C-C)2+D2(1)由幾何關系可知，這時的B軸中心相對于坐標系原點的坐標為 x=D(cosB-1)-(C-C)sinBz=(C-C)(1-cosB)-DsinB(2)可以看出補償值只與凸輪的中心距參數(shù)C、機床中心距C、工件離B軸距離D 和擺角B有關，而與凸輪轉角) 無關。 實際應用中，C、C和D 為已知量，刀具擺角B由運動規(guī)律B=B(A)確定，在加工過程中也為已知量。因此，通過兩個旋轉坐標和兩個直線坐標的四軸聯(lián)動控制，理論上可實現(xiàn)任意中心距凸輪的加工，不但可以用小中心距機床加工大中心距凸輪，也可以用大中心距機床加工小中心距凸輪。對于通用五坐標機床，一般有C=.。這時式(2)變?yōu)?x=-D+DcosB-CsinBz=C-DsinB-CcosB(3)對于專用五坐標機床，一般有D=0。這時式(2)變成 x=(C-C)sinBz=(C-C)(1-cosB)(4)特殊情況，當調整機床使D=0且C=C 時，恒有x=0、z=0。即凸輪加工變成兩軸聯(lián)動控制。將式(2)算法作為一個專用模塊，放入由筆者開發(fā)研制的凸輪自動編程軟件DoctorCAM 1.0凸輪自動編程系統(tǒng)中即可自動實現(xiàn)坐標的轉換，該變換不影響該系統(tǒng)中的靠刀算法、偏心算法、進給速度修正、凸輪曲面修型和計算誤差控制等功能。 3 應用實例現(xiàn)有待加工弧面凸輪型號為:SJH350.8，其參數(shù)為:中心距350mm，分度數(shù)8，動靜比135/225，I型，左旋，槽深48mm，滾子直徑90mm，蝸弧半徑197mm，凸輪寬度250mm。該凸輪在專用五坐標機床上加工，由于凸輪中心距為300mm，大于機床最大可調范圍40280mm，所以不能直接加工。 另外，當機床中心距調至大于200mm 時，由于結構的特點刀具至主軸端面的長度將大于300mm，主軸懸長將大于500mm，機床主軸剛度將明顯變差、加工振動過大，對加工非常不利。 考慮到主軸剛度的要求，在不產生運動干涉的前提下調整機床中心距到200mm。這時的C=200mm，C=350mm，根據公式(4)即可求出任意A時刻的B、x和z坐標。圖5 運動規(guī)律及補償坐標曲線圖5為SJH350.8凸輪分別在通用五坐標機床(D=400mm，C=0)和專用五坐標機床( D=0，C=200mm)上加工時，凸輪運動規(guī)律曲線及x、z補償坐標的對比情況。 實際切削結果表明:該方法擴大了機床的原有加工范圍，使機床原設計的中心距參數(shù)范圍由40280mm 擴大到幾乎不受限制而只與機床的運動干涉有關。通過對該方法的靈活應用還可以調整加工參數(shù)使機床剛度和加工效率得到提高。在上例中由于選擇了200mm 而非280mm 的機床中心距，使主軸懸伸縮短了80mm，從而使加工時間縮短了近30%、加工表面質量提高一個等級。因此，使機床功能得以擴展，使用更為靈活。 對于大分度角和多頭弧面凸輪的加工，由于分度角較大，要求刀具的擺角也較大，這時容易出現(xiàn)A軸箱體或工裝與刀具或主軸干涉的現(xiàn)象。通過適當調整D參數(shù)或通過工件掉頭兩次加工的方法也可以達到擴大機床加工范圍的效果。 4 結論使用五坐標數(shù)控機床加工弧面凸輪，不但可以實現(xiàn)靠刀法加工，而且還可以通過多坐標聯(lián)動控制調整數(shù)控機床的加工范圍和參數(shù)。 根據各個參數(shù)之間的關系編制出程序軟件。通過靈活運用，可以充分發(fā)揮機床的功能，提高機床的效率，從而加工出高質量的弧面凸輪?！揪肺臋n】第 7 頁