高动态五轴加工中心.doc

高动态五轴加工中心

用户对金属加工机床的技术要求越来越高，市场对机床生产厂家的压力也越来越大。机床生产企业必须在尽可能短的时间内为用户提供高质量的机床，以经济性的价格占领市场。为机床用户提供高质量、经济性的加工设备是机床生产企业在当前和未来的发展目标，只有通过增加生产能力和提高产品质量才能达到这一目的。因此，要求数控钻-铣机床和数控加工中心必须能在一次装夹中完成从粗加工到精加工直到抛光加工的全部加工工序。

图1  具有NC回转工作台的五坐标数控加工中心允许利用标准铣刀加工结构复杂的工件

Berthold Hermle股份公司生产的机械加工设备满足了从粗加工到精加工的全部加工要求。在研制生产的数控机床中，集成了五轴加工的工艺和技术，通过模块化的加工设计，使金属加工机床成为HSC数控高速主轴机床理想的更新换代成品。早在10年前，Hermle公司就研制开发成功了C600、C800和C1200系列的数控加工中心。这些数控加工中心可以在一次装夹中完成工件的全部机械加工工序，即完成五轴模拟加工。

创新的机床  高动态的驱动

五坐标高性能加工中心C 30U和C 40U是专门为五轴加工中心动态模拟、完成工件铣削加工而研制开发的新产品，是新一代C系列加工机床的代表。它们不仅可以用于单一工件的小批量生产加工，也适合于进行大批量工件的加工。为了适合于完成5轴加工任务，该机床采用了龙门式结构，使机床在占地面积较小的情况下有着最大的加工面积。机床的3个主要坐标轴X、Y和Z坐标轴的原点都以加工夹具为基准，使得相对运动的距离保持最小，机床允许的快速进给速度和切削速度可以达到60m/min。机床高达10m/s2的加速度保证了它能够以最快的速度运动到达指定位置。三个上置式的主坐标轴采用的是平面-燕尾式的运动导轨，机床的驱动系统和排屑系统安装在垂直的侧壁上。机床生产厂家称：采用这种配置形式后，机床有着很好的排屑性能，使加工不易受到切屑和污物的影响。机床的铣削主轴可以按照用户的要求在10000r/min～40000r/min的转速范围内选择自己最适合的铣削主轴。铣削主轴的驱动功率可以在32kW、扭矩为200 Nm（20％的ED）至26 kW、扭矩为17 Nm（40％的ED）之间选择。最常采用的转速在10000～18000r/min的铣削主轴，它具有最佳的保护性能，可在出现碰撞危险的时候自动在碰撞点前8mm处停止。其轴向最大运动行程利用限位销和电器限位开关进行保护。当可能出现碰撞时，限位开关自动切断控制系统的电源，从而使整个机床停止运动。C 30U和C 40U加工中心都配备了高动态性能的扭矩电动机，数控回转工作台（图1）的直径为630mm（C 30U）和800mm（C 40U），数控回转工作台的倾斜范围在30°～-115°之间，为金属切削加工提供了非常大的自由空间回转工作台允许承受的负荷高达1400kg，可以在工作台上装夹大型和重型工件。在加工工件时，数控回转工作台可以倾斜到-15°，可以在不旋转铣削头的情况下加工工件的各个面。
铣削夹具的更换采用的是渐进（Pick-Up）方式，机床内部的夹具库可以安装32把常用夹具，如果加工过程中夹具更换的比较频繁，使用的夹具数量比较多时，可以方便快捷的补充配备附加夹具库，增加机床夹具库的容量。为此，Hermle公司专门生产制造了三种补充夹具库。在对标准夹具库进行扩充之后，机床可以使用的夹具数量可增加到43把、87把和157把（图2）。

图2  辅助夹具库可将夹具容量增加到157把

辅助时间少
高动态的五轴铣削加工中心可以减少加工时间和生产费用。
减少了非生产加工时间。
模块式的设计方案即适用于单件小批生产也适用于大批量生产。

工件整体加工经济性的一个重要标志是非切削加工的辅助时间少，与机械加工同时进行的工序操作多，从而减少了总的加工时间。按照合理的顺序进行的机床操作的时间、定位运动的时间和自动化运动的时间等大多数都进行了有效地优化，归并起来同时进行。模块式的机床自动化配置方案使得操作者在单件生产、大批量生产时都能很好地控制机床，大大的提高了机床的利用率。机床的各个模块部件，例如多工件装夹夹具、夹具更换装置、大型回转夹具库和自动化装置都进一步进行了标准化设计和标准化的配置。对于C 30U和C 40U加工中心来讲，结构紧凑的自动化上、下料机构HS 30可以在数控程序的控制下完成重量在50 kg以下工件的自动装夹操作（图3）。该系列的机床并不仅仅是利用夹具更换装置和回转自动化上下料装置完成全自动上料的，如果被加工工件还需要直接进入其他后续加工工位，或者需要进行六工位的加工，则可以利用机器人完成一次装夹多工位加工的任务。Hermle公司研制生产的机器人RS6可以安装在C 30U数控加工中心的左侧，经过机床左侧的防护门，机器人的手臂可以直接进入机床的加工空间（图4）。这种设计的优点在于：为机床操作者留下了右侧防护门大小的活动空间。可以配套使用的机器人还有Kuka KR16型重约16kg。

图3  自动上下料机构HS 30缩短了工件装夹的时间。C 30U和C 40U数控加工中心都可配备这种自动化上料机构

图4  利用RS 6机器人上料的Hermle五轴铣削加工中心 C 30 U，可完成铣削和磨削加工

五轴联动加工新方案
            中国的航天航空工业正在迅速发展，采用先进的加工技术和设备是各航天航空公司的当务之急，本文介绍了Cincinnati Machine 公司和DS Technologie Gmbh(DST)公司结成战略联盟，现在可从Cincinnati Machine购得由DST研制的多轴主轴头，它可用来改善铝制薄壁飞机结构件的机加性能。
            Z3主轴头是DST研制的，现在可从Cincinnati Machine购得，它使主轴能够进行高速度的多轴定位，同时，加速度1G和快速横动速度1968 ipm以及主轴速度选择范围7500-4000rpm和功率100hp等特点相辅相成。 
           Z3主轴头的结构特点，三个连接件(A)附装到主轴托架(B)上，它们沿一组直线导轨(C)移动，并由滚珠丝杠(D)加以驱动，每个滚珠丝杠是独立的，它们可以在程序控制下确定主轴的位置，定位范围是A、B轴正负40o，Z轴行程26.4英寸。
          Cincinnati Machine 公司和DS Technologie Gmbh(DST)公司宣布战略联盟，从此将通过Cincinnati Machine向南北美洲的航空工业提供两家联盟公司的机床、服务和技术支援。
            联盟的最重要例证之一是现在可从Cincinnati Machine购得由DST研制的多轴主轴头，它用来改善铝制薄壁飞机结构件的机加性能。
           这种所谓Z3的主轴头象一个水平方向平行连接的三角架，它采用了三个平行的线性导轨和滚珠丝杠，并通过连接件把它们装到主轴托架上。该构件可以使主轴在主轴头工作范围之内基本上实现任何线性运动和回转运动的合成动作。
          为了使该部件的工作原理形象化，可设想三根平行的水平杆，它们各自有一端连接到主轴罩上。每根杆通过球窝接头与主轴罩的外周相连，彼此位置相差120°，使主轴罩能够回转。三根杆的另一端用接头连接到滑块上，滑块沿正负Z轴方向在一组固定的平行直线导轨上滑动。滑块的下面是滚珠丝杆螺母副的螺母，丝杠通过它而旋转。
          三个滚珠丝杠各自都有自己的伺服电动机，当每个丝杠转动时，相应的滑块就会带动主轴罩运动。
          三个滚珠丝杠一齐被驱动时，主轴罩沿正负Z轴方向作直线运动。只要用程序控制丝杠单独进行旋转，主轴托架及主轴就能产生A、B轴运动，A、B轴运动的范围是正负40°。
          利用平行连接的三角布局使主轴具有很高的动、静刚度，而且由于设计质量的减少，Z3主轴头的轴向加、减速度达到1G，快速进给速度为1968ipm。
          据Cincinnati Machine报道，Z3 主轴头的Z向行程仅有26.4英寸，原因是航空零部件的深度要求大多不超过12英寸。行程的限制增加了主轴头的稳定性，这样可以更好地加工飞机铝结构件的薄壁部位。
         Z3 新型主轴头适用于速度为7500 ～40000的电主轴，它的结构设计允许采用100hp以内的主轴。现在Z3可配合使用三个不同牌号的主轴，为用户提供了一个选择机会，他们可根据不同的加工用途而选择速度和力矩。一开始Cincinnati Machine将在其Hypermach系列卧式仿形铣床上采用Z3主轴头，这些机床特别适合于飞机结构件的高速铣削。

五轴联动数控系统的应用与价值

一、五轴联动数控机床的战略价值 

　　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。由此可见，五轴联动数控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。 现在，大家普遍认为，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。所以，每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时，往往转向求助五轴数控系统。由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵，加之NC程序制作较难，使五轴系统难以“平民”化应用。但近年来，随着计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）系统取得了突破性发展，珊星公司等中国多家数控企业，纷纷推出五轴联动数控机床系统，打破了外国的技术封锁，占领了这一战略性产业的至高点，大大降低了其应用成本，从而使中国装备制造业迎来了一个崭新的时代！以信息技术为代表的现代科学的发展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中无可替代的基础作用。作为国民经济增长和技术升级的原动力，以五轴联动为标志的机械装备制造业将伴随着高新技术和新兴产业的发展而共同进步。中国不仅要做世界制造的大国，更要做世界制造强国！预计在不久的将来，随着五轴联动数控机床系统的普及推广，必将为中国成为世界最强国奠定坚实的基础！ 

　　二、五轴联动加工中心 

　　加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心，立式加工中心（三轴）最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展，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。如配置上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，更能够适宜象汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。（本期介绍立式五轴加工中心）立式五轴加工中心这类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。