BPX5D五轴数控工具磨床的研发与应用
2020-11-30 来源：台州北平机床有限公司 作者：-
一、概述
机床装备是国家制造业的基础，高端数控机床装备的技术创新从未停步。高精度数控机床广泛应用于国防军工、航空航天、精密医疗器械、3C、汽车、模具等重点工业和新兴产业，高精度机床作为工业生产母机，堪称“制造业的灵魂”。多年来，欧美发达国家对我国实行持续的技术封锁，突破封锁、实现核心技术自主可控是亟待解决的重点难题，也是中华民族崛起和复兴的重要保障。
“工欲善其事，必先利其器”，随着新技术、新材料的不断出现，对产品应用过程中的加工精度和表面粗糙度提出了更高的要求，人们对现代工业产品的外表及内在精度要求的不断提高是促使现代机床向着高精高速化发展的内在源动力，优良的产品不仅是企业增强核心竞争力、提高产品附加值的重要保证，也是时代发展的大势。
高精度刀具是高品质产品制造的根本保障，也是工具磨床制造业发展的内在动力。高精度数控五轴工具磨床是数控磨床的优秀代表，在解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、大型柴油机曲轴等复杂曲面的机械零部件加工方面具有独特优势。
当前国产五轴数控磨床境况堪忧，低端同质化竞争，中端价格混战，高端领域失守。高精度五轴数控工具磨床是刀具生产过程中的核心设备，国内高端应用市场中，高精度刀具有6成以上来自进口，五轴数控工具磨床的进口占比更是高达8成以上，因此，整合国内优秀刀具及核心零部件生产企业协同创新，对于突破高端五轴数控工具磨床核心技术的境外封锁，进一步实现设备及刀具产业的核心技术自主可控和进口替代具有重要意义，集中产业优势资源进行卡脖子技术的专项突破势在必行，是补全高端磨床产业链，实现高端制造核心技术自主可控中不可忽视的重要一环。
大国制造的口碑是通过无数产品品质的提升逐步实现的，在崛起过程中，国内市场对于五轴数控工具磨床的加工精度以及加工效率提出了更高的技术要求：生产刀具的尺寸及形位公差要小于0.005mm；国外高端数控工具磨床如：瑞士ROLLOMATIC、德国WALTER、澳大利亚ANCA、德国 SCAACA、VOLLME等，有着极高的加工精度和生产效率，在运行稳定性方面的表现尤为出色，赢得全球高精密工具生产企业的青睐，这些数据表现源自其背后众多核心技术的支撑。国产高端磨床和高精密刀具要想实现进口替代还有很多核心技术需要攻克，协同创新依然任重道远。
目前国内高端数控磨床的研发和生产单位主要包括台州北平机床有限公司、武汉机床、大连科德等，国内进口产品主要包括瑞士ROLLOMATIC、德国WALTER、澳大利亚ANCA、德国SAACKE、VOLLME、美国STAR等。其主要技术参数对比如下表：
国内外工具磨床技术参数对比表
数控工具磨床的技术关键在于：机床的精度、机床运行的可靠性与稳定性，加工效率及五轴联动伺服控制技术、与机械部分高度适配的磨削软件。北平机床自2008年来，一直致力于五轴联动控制技术与自主磨削软件的研发，与美国同行和数控系统供应商开展深度合作创新，五轴联动伺服控制系统的自主化程度大步推进，已逐步实现进口替代。通过多年不断的创新研发，北平机床拥有自主软件著作权的磨削软件5款，全面涵盖工具磨削、外圆磨削、丝锥生产，北平机床的五轴数控工具磨床、数控外圆磨床、数控丝锥生产线、工业机器人广泛应用于国防军工、航空航天、汽车、3C以及精密刀具/零件生产企业。
BPX5D五轴数控工具磨床是北平技术攻关团队为满足用户高效加工高精密刀具的需求，借力欧洲技术支持团队在已开发的五轴数控工具磨床BPX5的基础上持续进行多项技术创新，自主研发生产的成果。BPX5D应用了多项发明专利，其主要技术指标达到国内领先，国际先进水平，该项目的研制成功，不仅提升了我国此类数控高端装备的水平，也打破了国外在高端数控工具磨床领域的垄断和封锁，为企业开拓了新的产品市场，同时取得了良好的经济和社会效益。
二、产品性能介绍
BPX5D数控工具磨床具有高精度、高刚性、五轴联动、高效率等特点，机床配置直线/直驱电机，覆盖直线轴伺服控制技术、精密测量技术、计算机软件技术、复杂刀具设计技术等多维度学科，是多种核心支撑技术的有机结合，是一款典型的高档数控工具磨床：
图1 BPX5D高精度五轴数控工具磨床
BPX5D高精度五轴数控工具磨床，八轴五联动配置：拥有5个伺服主轴及3个直角坐标系机械手伺服轴，所有直线轴均采用直线电机配置高精度直线光栅，所有旋转轴均采用直驱电机配置高精度圆光栅，工件轴采用精密级弹性筒夹，搭配高精度辅助支撑装置有效地保证刀具的加工精度。高可靠性的直角机械手机构可实现大批量无人化生产，高精度配置及人性化操作软件为终端用户制造高性能和高附加值的专业性刀具、修磨高质量刀具提供更加专业化、智能化的磨削解决方案。BPX5D高精度五轴数控工具磨床在应用中表现出色，其加工精度、加工效率等均达到了国际先进水平，主要技术参数如下：
加工工件长度：200mm；
工件直径范围：1~16/25mm；
工件炳部直径范围：3~25mm；
X轴（工件水平移动）：440 mm；
Z轴（工件垂直）：280mm；
Y轴（磨轴前后行程）：280mm；
B轴（工件摆动）：-15°~165°；
C轴 (工件旋转)：任意；
直线轴最大运行速度：20m/min；
直线轴分辨率：0.0001mm；
直线轴重复定位精度：0.00046mm；
直线轴定位精度：0.0016mm；
旋转轴分辨率：0.0001°；
旋转轴定位精度：5”；
砂轮主轴功率：12.5/20/37kW；
主轴转速：10000 r/min（MAX）；
砂轮最大直径：150mm；
自动装卸料：三轴机械手。
三、新技术应用情况
高端五轴工具磨床应具备以下几大特点：高精度、高刚性，极佳的可操作性、出色的机床运行稳定性和加工可靠性，实现柔性化、无人化生产。
BPX5D高精度五轴工具磨床，配套BP/SYNTEC智能刀具数控系统，交流伺服单元驱动，具有多轴控制功能，实现五轴联动，以提高机床加工精度为目标，研究五轴工具磨床的总体结构设计技术，工件辅助支撑结构设计技术、砂轮自动动平衡技术、自动上下料系统设计技术等；对五轴磨床数控系统和关键功能部件进行应用验证，研究五轴磨床数控系统的可移植性和关键功能部件的可靠性。
BPX5D是北平整合德国、美国技术团队后全新开发的拥有较高水准的数控工具磨床，通过新结构机制和各种吸振，抗温升处理，有效提升磨削效率和工件的加工精度。其技术创新点如下：
（1）直线轴采用平板式直线电机配置直线光栅，旋转轴采用DD直驱马达配置旋转光栅，形成全闭环模式，提供更优秀的快速响应和精确定位，确保高精度稳定加工。DD直驱马达之转速可根据工件磨削条件在0~1000r/min之间任意调整。
（2）精准的定位和夹持是高精度加工的基本保障，机床采用高精密高刚性可调夹持系统和精密筒夹，夹持更为安全、精准。同时在不影响高精度磨削及砂轮干涉的位置，装夹工件前端配置双托架，靠近筒夹处托架为一托一压，用于调整装夹精度，保证工件形位公差，远离筒夹处托架为下托式，用于提高工件磨削刚性，保证工件的尺寸公差。两托架的使用可极大提高磨削效率，同时保证工件的加工粗糙度和精度。
（3）采用计量级天然花岗石床身，机床吸振、抗热变形等性能更出色，定位高端磨床，形成了具有北平机床特色的技术创新体系，进一步提高机床刚性及稳定性。
（4）机床装有北平刀具磨削软件。软件内嵌具有各种类型标准刀具的形状、尺寸，用户只需输入刀具的相关参数，软件自动生成刀具的加工程序并进行刀具的模拟加工，一次装夹完成全部工序，保证刀具加工的柔性化、高效率。机床配备3D工件自动探测系统，用于自动定位探测工件，获取工件加工的各项必需参数。
图2 北平自研刀具磨削软件
（5）总线式控制系统，绝对值伺服电机驱动，各轴上无须硬件上的限位开关，极大地减少了机床开机的回零时间和电器方面的隐性故障。双通道数控系统控制工件自动上下料装置，内置三轴机械手，安全有效的防撞系统，简易编程及灵活的操作，可轻松实现小批量、无人化生产。机械手采用一上一卸的双夹爪设计，运送料时间与加工时间重合，卸料到第二只工件加工间隔小于6s。有效提升工作效率，探索更加科学合理的上下料模式，为用户创造时间和效益价值。
（6）智能化是时代的大势所趋，BPX5D采用总线式控制系统，可根据智能工厂及云技术应用需求，基于WINDOWS操作平台任意搭配3D模拟磨削软件、也可采用美国开源数字控制器扩展嵌入式工业触摸屏，具有更佳的智能操作体验及友好的操作界面。
图3 北平刀具磨削软件3D模拟
（7）云端控制技术，可进行生产线联机、实现磨削加工、自动检测、激光打标等工序集成的自动化生产，可进行实时数据采集，远程诊断、维护、检测、管理等工作。顺应两化融合的新时代趋势，让工厂的管理更加智能，更加便捷。
图4 北平智慧云工厂
图5 北平无人值守刀具车间
（8）THK高精密级滚柱直线导轨、滚珠丝杆支撑轴承、连轴器均采用高精密级产品，可有效保证滚珠丝杆的响应速率及加工精度。
（9）专用的弹性砂轮法兰，与磨轴内孔弹性连接及端面同时定位，保证砂轮的磨削刚性及精度。高精度电主轴配备适应创新工艺的德国气帘密封技术、配置高精度主轴，前三后二的轴承配置，保证主轴的高刚性和精度稳定性的同时，提高了工作效率，工件表面粗糙度达到Ra0.1um。
四、成果应用及推广情况
台州北平机床有限公司专注五轴数控工具磨床、数控内外圆磨削中心、立式磨床、机器人、口罩生产线等高端智能装备的研发与制造，是国家高新技术企业、浙江省疫情防控重点保障物资生产企业。参与国家科技重大专项-04专项“精密刀具五轴磨削柔性制造单元的研制与示范应用”课题研究任务，自主研发磨床产品服务国防军工、航空航天、3C精密刀具等领域，是实现国产高端磨削装备核心技术自主可控、进口替代的专业数控磨床企业。
BPX5D高精度五轴数控工具磨床的研制成功，增强了本公司的机床制造能力和市场竞争力，缩小了与国际先进水平的差距。高效率生产高精度刀具的数控五轴磨床，是国内磨床生产厂家提高市场竞争力的关键。04专项课题机床即将验收结题。目前，已有1000多台北平机床高精度五轴数控工具磨床服务于株洲钻石、山特维克、住友电工、恒锋刀具、常州创伟等行业知名企业，加工精度和效率获得用户企业的广泛好评。
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