卧式五轴加工中心技术研究
2018-9-27 来源： 上海新力机器厂 作者：唐鸿雁 万齐访 袁邦辉 杨冬冬 邵憧
摘要：五轴加工中心在复杂零件加工中得到广泛应用。本文重点介绍了卧式五轴加工中心技术，为卧式五轴加工中心的研发、生产制造、加工、装配到调试等诸多方面提供参考。
关键词：五轴加工中心；研发；生产制造
0 引言
五轴加工中心广泛应用与复杂零件加工中，CNC 数控万能铣床的突出特点是其创新的机床结构。是基于其他航空航天技术研制单位的技术需求，针对航空航天领域中的机匣、叶轮等有复杂型面的零件加工的加工难度大、精度难保证以及效率低的难题所开展的机床研发项目。
目标是实现五轴加工中心技术的国产化并在军工产品加工领域中得以推广，根据客户需求，攻克机床总体设计与装配技术、高速高精度五轴数控系统应用等技术。所以在卧式五轴加工中心的研发、生产制造、加工、装配到调试等诸多方面，都具有相当大的挑战性。
1 、卧式五轴加工中心技术的介绍
1.1 五轴数控加工中心总体设计与装配
五轴机床必须具备良好的刚性，以能够对抗振动，机床的立柱、床身均采用特殊结构的具有合理筋板和筋格布局的铸件构成，保证机床具有很高的精度稳定性和刚性，不会因摆动头在不同的倾角、转速与扭矩下，产生不同的切削力而发生运行不稳、爬行、振动及弹性变形，从而影响工件的平直度、光洁度与曲面的精度。
通过对不同床身材料、不同筋板结构、不同侧壁及筋板厚度对高速机床静动态特性影响对比。
1.2 五轴数控加工中心参数化建模和数值模拟分析
面向航空航天零件的复杂结构，机械加工设备必须保证自身的稳定性。采用参数化设计方法建立加工中心的三维模型，并利用 ANSYS 有限元对加工中心进行总体结构动静态分析与优化，增强机床强度与稳定性；对五轴加工中心进行热稳定性评估，即研究切削工况变化等工艺条件对数控机床热稳定的影响，采用机身自身恒温技术，对国产数控机床热稳定性进行评估；开展高速精密大功率紧凑型主轴的设计与开发，进行主轴功能部件的动静态性能分析及数控系统适用性评估。
针对关键部分的薄弱环节及其对整机结构动态特性的影响，进行综合优化设计，为整机的工作性能设计提供科学依据。
1.3 高速高精度五轴联动数控系统应用技术
五轴加工小线段轨迹到参数样条轨迹的实时转换。研究五轴加工刀具路径的解析光顺算法，同时保证近似误差约束、参数化同步约束、曲率连续约束等决定插补速度与精度的关键约束，将工作坐标和机床坐标系下的线性刀具路径实时拟合为曲率连续的刀具轨迹，在工作坐标系下的光顺可以将线性刀具轨迹转化为双样条轨迹，在机床坐标系下，将三个平动轴和两个旋转轴分别转化为曲率连续的曲线，提高小线段轨迹插补的速度和平稳性。参数样条刀具路径插补与实时速度规划。
研究五轴机床插补精度及机床各轴伺服能力的综合约束，分析最大可行进给速度和进给加速度获得各轴可行区域，研究以时间最优为目标的双向扫描自适应速度规划。五轴离散刀位文件和机床坐标系下刀轴方向的光顺。
建立刀轴方向在工件坐标系下的光顺性度量，以及结合数控机床旋转轴结构的旋转轴运动光顺性度量，根据刀尖点轨迹的长度，建立研究刀轴方向光顺性评价方法。针对刀位数据规模大的特点引入滑动窗口，建立窗口范围内刀轴方向光顺性的动态规划模型以及求解方法，研究在满足刀心点轨迹误差的约束下，刀轴方向整体光顺方法，降低旋转轴的速度波动.五轴数控系统平台与集成应用。
以自主知识产权开放式数控平台的五轴 CNC 系统为基础，集成刀轴方向光顺、小线段加工轨迹的实时样条化和参数样条路径实时插补功能，根据五轴机床动力学参数约束模型，实现与数控系统的高速、高精度五轴联动控制的最优匹配。
1.4 五轴机床动态误差和体积误差的检测与补偿技术
研究五轴机床的运动关系误差模型，分析五轴数控机床存在的空间定位误差，利用坐标变换方法，通过在基座上建立基坐标系（参考坐标系），建立刀具、主轴到机架之间的“刀具一机架”运动链和工件到机架之间的“工件一机架”运动链之间的变换关系，建立三种不同类型五轴数控机床的空间误差综合模型。
研究五轴机床动态误差和体积误差检测方法，研究球杆仪对五轴数控机床进行三轴圆路径、旋转轴路径、五轴联动路径的动态运动检测，分析各轴反向性能、伺服匹配性能、振动性能等；研究在线探针与标准球或其他标准形状配合进行五轴机床几何误差检测的检测路径、数据误差分离；研究激光跟踪仪对五轴机床进行平动轴和旋转轴空间精度检测方法并进行误差分离。
从检测精度、检测效率、使用成本及误差分离算法等角度进行优化选择搭配。研究五轴机床的空间误差补偿方法。根据机床误差模型，进行五轴机床空间误差补偿方法的研究，获得五轴机床所包含的 43 项几何误差的补偿算法。
补偿的方式分成三种，一种是在配备具有空间误差补偿功能的数控系统的机床上进行试验，可以分析确认所研究的检测方法和误差分离算法的正确性；一种是在没有配备该功能的数控机床上试验，通过将补偿数据反应到加工 NC 代码的角度，通过检测零件的精度变化情况，分析补偿效果。进行五轴机床空间误差补偿试验。
根据获得的大量机床检测数据，应用误差分离算法，获得五轴机床的全部必要的误差项数值，应用所研究的空间误差补偿算法，并进行补偿试验，分析补偿效果，改进检测和补偿方法。
1.5 数控加工中心刀具状态监测与智能刀具选配技术
五轴数控加工中心的刀具种类繁多，刀具选配需要综合考虑加工工艺、刀具库存和刀具剩余寿命等因素，以确保产品加工高效、可靠地完成。首先，利用功率传感器和ARM 嵌入式系统开发刀具加工过程中的功率监测系统，建立刀具加工的实时功率消耗数数据库，利用贝叶斯方法统计、分析刀具磨损过程的功率消耗特征值，实现刀具健康状态监控；依据生产现场的实际加工数据，匹配刀具磨损的功率消耗特征值，实现刀具剩余寿命的预测。
然后，依据刀具种类、材料、刀柄和规格参数等进行分类，研究并建立刀具编码体系，开发刀具基础数据管理系统，刀具库存管理系统，工艺参数管理系统，集成刀具立体仓库和刀具健康状态监控系统，开发刀具二维码打印与识别系统，实现刀具选用、出库、配送、加工、入库、维修和报废等全生命周期的管理，为刀具选用提供工艺、刀具规格、刀具数量和刀具剩余寿命等较全面的数据支持。
最后，开发数控机床、刀具、工艺参数、数控程序和工件等数控工艺系统数据库；结合产品加工的工艺规程，利用工艺数据库，提取工艺特征参数，利用刀具基础数据管理系统，提取刀具特征参数，设计基于粗糙集的工艺相似度、刀具相似度、工艺与刀具相似度匹配计算方法，利用历史数据挖掘关键特征，实现刀具类型的选配；在此基础上，结合刀具健康状态监控系统和剩余寿命预测，实现最终刀具的匹配。
2、 结论与展望
五轴加工中心的研发、生产制造、加工、装配到调试对实现五轴加工中心技术的国产化具有重要意义。攻克机床总体设计与装配技术、高速高精度五轴数控系统应用等技术是未来五轴加工中心的重点发展方向。
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