智能制造跨入高速高精时代，工程职业教育中的五轴加工人才培养因时而进
2023-1-3 来源： 武汉华中数控股份有限公司 作者： 陈娜 张玲 张幼龙
五轴联动是高档数控技术的代表，它能够加工具有复杂曲面的机械配件，特别在解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、大型柴油机曲轴等方面具有独特的优势。因此，高精度的五轴数控机床已经广泛的应用在航空航天、精密医疗设备、科学研究、精密仪器等行业，有着举足轻重的影响力，堪称 “制造业的灵魂”。
随着我国制造业转型升级的加速度，工业结构不断优化升级，中国正在经历从高速发展向高质量发展的重要阶段，对作为工业母机的机床的加工精度、效率、稳定性等精细化指标要求逐渐提升，中高端产品的需求日益增加。在此背景下，中国机床市场的产品由中低档数控机床向中高档数控机床、高速高精数控机床升级。五轴数控机床的市场需求正蓄势待发，细分领域正向多行业延申。适应高、精、尖产品加工的五轴数控专业应用人才缺口接踵而至。
工程职业教育为智能制造产业输送专业人才，市场导向即人才培养方向。
一、工业应用领域案例解析
（1）用于汽车叶轮加工的全能小五轴华中数控与中山铁冀智能装备有限公司合作开发的用于汽车叶轮加工的全能小五轴，应用特点主要有 :
1、经济型小五轴
采用龙门框式架构，自主创新，把龙门的左侧立柱拉伸成一面墙，把 Y 轴运动部件（丝杆、线轨）安装于这个垂直于地面的墙面上（类似于龙门横梁上的 X 轴布局）。这样保证五轴联动空间和刚性要求的同时大幅度减少整机重量和尺寸。结构的创新使成本大幅度降低，改变了传统五轴机床因价格难以普及的市场规律。
2、高效五轴
在某汽车涡轮增压器的叶轮测试件加工中，工件最大外径 70，全程加工时间 7 分 48 秒，高精高效。在生产节拍和产品质量双重提升的前提下，五轴机床大批量应用在消费品的加工中成为可能。
（2）3D 打印 + 五轴数控——五轴增减材复合制造加工中心
华中数控与国家增材制造创新中心合作研发的五轴增减材复合制造加工中心 LMDH320A 是高质量、高精度、高性能的技术型产品。机床外观新颖且集成 3D 打印机柜。机床配置 X、Y、Z、W 四个直线轴和 A 或 B、C 两个回转轴，并配置直线模组及安装板、激光器、水冷机（配激光器）、送粉器、保护气流量计、保护气通断阀、熔覆头及配电板等。应用特点有 :
1、五轴联动、龙门式结构和摇篮式回转工作台，可实现复杂结构无支撑成形 ; 竖直方向搭载激光熔覆头位置切换及保护模组，实现增减材自由切换，有效避免干涉 ; 激光熔覆头、导轨和丝杠采用全防护形式，可有效避免污染。
2、3D 打印复合制造专用华中数控系统，设置增材成形与减材加工双界面，增材成形界面可实现增材工艺参数的设定和工艺状态监测。
3、接触式在线测头和熔池温度、形状监测模块，可实现工艺过程的在线监测、闭环控制和自适应加工。
4、开发的五轴增材分层和路径规划模块及五轴运动仿真软件工具，同时配有增材成形工艺包，满足多领域需求。
二、五轴机床广阔的未来市场
生活水平是随着生产工艺的提高而提高的，社会上越来越多的人愿意为高品质买单。为了提高产品质量，同时提高技术门槛防止仿冒，越来越多的厨房用品、高档卫浴、玩具、装饰品都采用了复杂表面设计，这些四轴都无法加工，只能使用五轴设备。再结合 3D 打印、激光制造等新的加工方式，高速高精的五轴机床正以更平民化的形式进入普通消费品的加工车间。
高端咖啡磨豆机刀盘
汽车增压器叶片
高速吹风机的马达叶轮
这些磨盘、叶轮的叶片之间是相互重叠的结构，在使用五轴机床加工时，需要专业的五轴编程及加工操作。高速高精的智能制造需求，给工程职业教育中的五轴加工人才培养提供了准确的方向和路径。
三、华中数控提供的五轴加工培养方案
华中数控依托华中科技大学的技术优势，多年来深耕五轴数控技术和应用技术研究，对标国外先进的高档数控系统，攻克了数控系统体系结构、现场总线、高速高精、五轴联动等一批关键技术并应用在工程职业教育中。
（1）五轴系统的高速高精技术
1、五轴 RTCP
五轴数据机床的RTCP功能的全称是“Rotation Tool Center Point”，字面意思即 “旋转刀具中心点” 功能，可以解释为 “围绕刀具中心点旋转” 功能。而在五轴数控加工过程中，由于旋转轴的存在，RTCP 功能就变得尤为重要，如果采用 RTCP 功能，那么系统就要通过计算优先保证刀具中心点的线性插补，而各个其他的轴则需要为完成这项任务配合刀具中心点做一些列的补偿运动，最终同时实现刀具中心点的直线运动及刀轴矢量的改变，有效地降低了加工过程中的非线性误差。
加工柔性则是更为直观的优势，因为其直接影响到工艺编程人员和机床操作人员的工作强度与难度。拥有 RTCP 技术的机床（也就是国内所说的真五轴机床），操作工不必把工件精确的和转台轴心线对齐，随便装夹，机床自动补偿偏移，大大减少辅助时间，同时提高加工精度。
2、快速自动标定技术
• 机床结构、移动速度、测头数据等参数界面式输入
• 示教点直接读取，操作方便
• 测量位置的记录，更高的精度
3、高速高精高效加工技术
围绕精度提升、质量提升、效率提升开发了一批加工技术，主要包含小线段前瞻技术、轨迹匀顺、噪点过滤、智优曲面、柔性加减速、高速刚性攻丝、智能重叠、自适应进给、双样条同步加工、速度前馈补偿。
五轴匀顺示意图
4、五轴工件测量
• 工件测量—界面式操作，多场景应用
• 不同界面 : 测量循环界面、标定界面、测量配置界面
• 三种方式 : 手动测量、插入测量、自动测量，15 种测量特征单个使用或多个组合使用，找正坐标系及修正机床加工过程中产生的误差
• 应用范围 : 对刀找正、调整坐标系刀补、测量尺寸
• 精度高 : 高速 IO 的快响应，没有手动操作误差
5、CAM 和后置处理
• 千机智能 UltraCAM: 自主可控的叶轮、叶盘专用 CAM 软件
• 通 用 CAM 后 置 模 块 : 提 供 UG、Catia、CAXA、PowerMill、MasterCAM 后置模块提供通用 CAM 软件后置处理模块，并对多轴工艺与系统进行融合。
6、调试分析工具
通过对华中 8 型五轴数控系统进行实时数据采样，结合系统内 RTCP 参数，实现指令数据和实际数据的三维位置可视化，数据图表，三维色谱图等功能。便于对系统的联动性能进行分析与评估，有效应用于加工工艺的分析与优化。
（2）智能高速五轴教学整体解决方案
智能高速五轴教学方案主要包括配置华中智能数控系统的五轴联动加工中心和相关教学资源。配套的华中数控数控系统通过大数据的统计分析与可视化，实现数控机床的状态监控、生产管理、远程运维等智能化功能。机床占地面积小、刚性强、结构对称、动态响应速度快、稳定性好。零件一次装夹可自动、高效地连续完成多个面的多种工序加工，包括斜面、曲面等复杂工序的加工。
同时，华中数控还提供教学方案、教学资源、工件库、后置软件和实操培训等各种配套服务，通过这些配套服务能够让学校迅速建立起五轴数控师资队伍和五轴教学课程体系，方便学校开展教学和实训。
虚拟仿真考评系统
四、应用案例
华中数控联与无锡职业技术学院本着 “共建共享共用” 的原则，对接企业岗位、实验实训课程、技能大赛、技能证书等人才培养需求，从装备升级、文化浸润、三教改革、现代管理四方面入手，突出实践教学主体，统筹规划布局、挖掘文化素材、构建新型教学空间、研发智能化实训系统、搭建可视化及过程质量控制监测平台，建成智能高速五轴创新实训基地。
坚持 “以学生为中心”，架构场景摄像头 +电子屏 + 蓝牙耳机的现场直播示教系统，形成了多媒体教室、机房、车间三位一体的新型教学空间，攻克了实践教学占用教室资源多、示范教学效果差的难题，推动了线下实践教学由 “集中示教 - 分批后练” 向 “工位同步 - 随时跟练” 的教学模式迭代更新。
自主研发的适用于实践教学全过程信息化管理的平台，实现教学标准、教学资源、实训任务、考核评价、设备维护、7S 管理、资料归档等全过程的标准化实施和数据采集，促进教学质量的持续提升。
市场升级永不止步，对加工效率和精度的追求永不止步。面对五轴数控机床广阔的未来市场空间，工程职业教育中的五轴加工人才培养更应该与时俱进，探索核心技术与教学的深度融合，以服务市场、支撑制造业转型升级为目的，为大国智造输入高素质复合型技能人才。
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