作者简介:杜玉湘(1977) ),女,山东临沂人,工程师,学士,主要从事数控技术工作。
五轴联动数控机床的结构和应用
杜玉湘,陆启建,刘LI U 明M I N G 灯DENG
(南京四开电子企业有限公司,江苏南京210007)
摘 要:介绍了五轴联动数控机床的几种结构及其特点和发展趋势;阐述了几种五轴联动机床
加工的加工造型、编程(CAD /CAM 系统)及其优缺点;详细描述了五轴联动数控机床对数控系统的要求及四开公司五轴联动数控系统的关键参数;列举了四开公司历年来参展的五轴联动数控机床及现场加工工件的情况。
关键词:五轴联动;加工中心;零传动;数控系统
中图分类号:TG 659 文献标识码:A 文章编号:1671-5276(2008)03-0014-03
Structure and Application of F ive -ax is L i n kage CNC M achi n e
DU Y u -x i ang ,LU Q -i ji an ,L IU M ING-deng
(Nanjing S ky E l e ctron i c En t e rpr ise Co .,L t d .,Nan jing 210007,Ch ina)
Abstrac t :This paper introduced several struc t ures of fi v e -axis CNC machines and the direc tion of t he deve l o p ment of fi v e -axis CNC
machines ,it int roduced several sculpts mach i n ing by diff erent five -ax is CNC machines and co mpared their progra mm ing methods (CAD /CAM sys t e m )and charac t eristics .T he paper parti c ularly described t he requirements ofCNC syst em f or fi v e -axis CNC ma -chines and the key paramet ers ofSKY fi v e -axis CNC syst em .I n the end ,it introduced SKY fi v e -axis CNC machines exh i b it ed these
years and the accessori e s processing by the mach i n es .
K ey word s :five -ax is ;MC ;direct drive ;CNC
0 前言
从2002年开始,中国已成为世界机床消费第一大国和机床进口第一大国,进出口逆差严重,中高档、大型、精密、高速数控机床以及数控系统的进口依赖程度更加明显。2005年,中高档与大型数控机床进口达到了52亿美元,2006年则增加到了亿美元。目前,中国进口高档、大型、精密和高速数控机床的比例达80%以上,中国汽车制造装备70%以上和汽车发动机生产线90%以上依赖进口,而且几乎百分之百的中高档国产数控机床采用的数控系统也都是依赖进口。
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,更能够适合越来越复杂的高档、先进模具的加工以及汽车零部件、飞机结构件等精密、复杂零件的加工。众所周知,发达国家直到现在还在五轴联动数控系统和机床对中国的出口,如果用户使用国外的数控系统,就必须签署严格的定向使用协定,并接受检查。
1 五轴联动数控加工中心的结构
五轴联动加工中心大多是3+2的结构,即x,y,z 三个直线运动轴加上分别围绕x,y,z 轴旋转的a,b ,c 三个
旋转轴中的两个旋转轴组成。这样,从大的方面分类,就有
x,y,z,a ,b ;x,y,z ,a ,c ;x,y,z,b,c 三种形式;由二个旋转轴的组合形式来分,大体上有双转台式、转台加上摆头式和双摆头式三种形式。这三种结构形式由于物理上的原因,分别决定了机床的规格大小和加工对象的范围。
其中,双转台结构的五轴联动机床由于在加工工件时工件需要在两个旋转方向运动,所以只适合加工小型零件,如小型整体涡轮、叶轮、小型精密模具等,由于结构最为简单,所以相对价格较为低廉,就应用来讲,这是数量最多的一类五轴联动数控机床(图1)。
图1 双转台式五轴联动机床加工(汽车大灯)模具
转台加上摆头式结构的五轴联动机床由于转台可以
是a 轴、b 轴或c 轴,摆头也是一样,可以分别是a 轴、b 轴或c 轴,所以转台加上摆头式结构的五轴联动机床可以有
各种不同的组合,以适应不同的加工对象,如加工汽轮发电机的叶片,需要a 轴加上b 轴,其中a 轴需要用尾座顶尖配合顶住工件,如果工件较长同时直径又细,则需要两头夹住并且拉伸工件来进行加工,当然这里一个必要条件是两个转台必须严格同步旋转;
再如加工如图2所示零件,采用c 轴加上b 轴,由于工件仅在c 轴上旋转运动,所以工件可以很小,也可以较大,直径范围可由几十毫米至数千毫米,c 轴转台的直径也可以从100~200mm 至2~3m,机床的规格、质量也从几吨至十几吨甚至数十吨。这也是一类应用十分广泛的五轴联动数控机床,其价格居中,随机器规格大小、精度和性能的不同相差很大。
双摆头式结构的五轴联动机床如图3所示,由于结构本身的原因:摆头中间一般有一个带有松拉刀结构的电主轴,所以双摆头自身的尺寸不容易做小,一般在400~500mm
图2 C 轴+B 轴五轴联动机床加工模具
左右,加上双摆头活动范围的需要,所以双摆头结构的五轴联动机床的加工范围不宜太小,而是越大越好,一般为龙门式或动梁龙门式,龙门的宽度在2000~3000mm 以上为好。
图3 双摆头式结构的五轴联动机床
早期的双摆头一般采用可调间隙的蜗轮蜗杆结构或者可消除间隙的齿轮结构,机器的性能(刚性和精密度)往往由双摆头传动链的刚性来决定,即传动齿轮的间隙一定是负值,传动齿轮在一定弹性变形状态下工作,其变形量的大小取决于该传动环节的预加载荷。图3(a)为西班牙式双摆铣头,采用齿轮传动和鼠牙盘定位结构,刚性远好于一般的双摆铣头,特别适合五面体的高效加工。
比较新的五轴联动机床旋转轴的结构一般采用所谓/零传动0技术的扭矩电机,如瑞士的米克朗、德国的德马吉等著名五轴联动加工中心产品品牌。零传动技术在旋转轴中的应用,也许是解决其传动链刚性和精度的最理想的技术路线,随着技术的发展,扭矩电机的制造成本大大下降,市场价格也随之下降,这一进程将促使五轴联动机床的制造技术大大地前进一步。图3(b)为瑞士米克朗采用扭矩电机技术的龙门式五轴联动加工中心。
2 五轴联动机床加工的加工造型、编程(CAD /CAM 系统)
五轴加工一般不可能再用手工编程,编制加工程序必须采用CAD /CAM 系统。经过几十年的发展,CAD /CAM 技术在五轴联动、五面体加工等高端的应用也已经相当广泛,在中国,引进的有关CAD /CAM 系统就有C i m a tron ,
D e lca m,M astercam,U nigraphics (UG ),
So lidege ,
So lid -
w orks ,P ro /Eng i neer 和O PEN M I ND 等,国内自主品牌的CAD /CAM 系统几乎只有北航海尔的CAXA 系统。对于五轴加工,根据不同的加工对象,这些系统各有所长,比如说:在模具制造的五轴加工方面,D elca m 的Pow er m ill 功能模块在特征技术、后处理、干涉检查、加工循环和仿真切削等方面都比较强大,操作使用方便;OPE N MDM I 在五轴联动加工方面也很有特色。针对不同的加工行业和加工对象,好的CAM 系统都有相应的软件包,专业专用,很难有一种软件可以包打天下。
3 五轴联动数控系统
由于/东芝事件0的深远影响,日本发那科在最近若干年内五轴联动的数控系统都是不可能卖给中国的。近年来,中国陆续推出五轴联动机床的厂家(如沈阳、大连、北京、济南、常州、桂林和齐齐哈尔等地的机床厂)越来越多,各式五轴联动数控机床在北京、上海等国际机床展上不断亮相。但是,这些五轴联动机床一个共同特点就是所采用的数控系统基本上都是西门子的840D 系统,而且,其中的功能大都是经过适当裁减的。即使这样,配上840D 数控系统的五轴联动机床的用户也要接受他们的定向使用审查而受其。
有心人应该注意到,在2001年北京国际机床展上,南
京四开公司就推出了配有自主知识产权数控系统的五轴联动数控机床,并在现场连续六天加工深水井泵的整体叶轮(青铜材料)。四开公司S KY系列高档数控系统的部分主要技术指标如下:1)轴数:6轴(联动)加上主轴(可以选择8轴或16轴);2)内部运算及交换数据分辩率:01001 L m(即所谓的纳米插补);3)系统最小指令增量0.1L m;
4)段处理时间BPT0.1m s;5)5轴加工功能(三维空间刀具半径和长度补偿);6)斜加工平面、钻斜孔和斜孔中退刀功能;7)对倾斜轴的空间机械几何精度自动补偿;8)双端驱动和重心推动功能;9)各种误差补偿:全行程直线补偿、非线性弯曲补偿、双向螺距补偿、间隙补偿、过象限补偿、刀具偏置和热膨胀、静摩擦和动摩擦补偿等;10)提前预处理(前瞻控制)5000程序段(FANUC16i数控系统为600程序段);11)粗插补周期2m s;12)细插补周期0.1 m s;13)加工动态轨迹显示功能;14)进给轴或主轴的功率显示及控制功能;15)加工时间的显示。
四开公司的SKY高档数控系统最近获得了2006年江苏省科技厅成果转化项目1000万人民币无偿拨款的支持(资金已经全部到账)。
4四开公司连续推出多款五轴联动数控机床
自2001年以来,四开公司陆续推出了多款五轴联动数控机床:
a)在2001年的北京国际机床展览会上,四开公司展出了两台数控机床,一台是采用了零传动技术即采用直线电机的数控车床;另一台是五轴联动的数控镗铣床,现场加工了一种青铜材料的一个深井泵的整体叶轮,展会六天,加工六天。
b)在2006年2月份的上海国际机床展览会上,四开公司展出了型号为SKY80120的双转台型五轴联动高速数控铣床,现场加工了一个足球的模型。
c)在2006年5月份上海国际工模具展览会上和2006年6月份的北京国际机床展上,南京四开公司展出了型号为SKY5-70100的双转台型五轴联动高速数控铣床,在现场加工了一个人头像的模型(图4)。其主要参数为:x,y和z(700mm@1000mm@700mm)行程;b轴、c轴。
d)在2007年4月份的北京国际机床展览会上,四开公司展出了型号为SKY12160的双摆头式五轴联动高速
图4采用S KY5-70100型数控铣床的五轴联动
现场加工人头像
数控铣床,在现场加工:一个直径为400mm的红色球体上,主轴转速为1.8万r/m i n,刀具快速、精确地沿着球体的法线高速加工中英文字体(图5)。
图5SKY12160的双摆头式五轴联动高速数
控铣床在现场加工:在圆球上沿法线高速铣削
和雕刻中文及英文字符
e)在2007年11月份的上海中国工业博览会上,四开公司展出了型号为S KY16175的摆头加上转台式五轴联动加工中心,该机床采用了四开公司的S KY-2006N高档数控系统(具有中国自主知识产权)。在会展上以五轴联动方式加工一个20世纪50年代小轿车的汽车模型(图6),引起轰动,上海东方卫视和新闻综合频道的报道给予了很高的评价。该车的大小为600mm@250mm@200mm,模型的数据来源于网络,由四开公司的技术人员加以处理,形成G代码,加工程序高达一个GB(1GB=1000M B即100万kB),以五轴联动、五面体的方式一次加工完成。
5结论
五轴联动机床的使用比三轴机床要复杂许多,使用成本也高出许多,对编程、操作人员的要求也要高出许多,但是为什么在全世界的范围内人们对五轴联动加工越来越趋之若鹜呢?
采用五轴联动机床加工的好处首先是可以做到复杂工件的所谓/一次装卡,除了装卡面全部干完0的五面体加工效果,有效解决因二次装卡带来误差的问题;其次是可以做到刀具的恒线速切削,从而得到较高的切削效率和
(下转第20页)
#机械制造与研究#韦亮,等#基于逆向工程的牙周膜建模及有限元计算方法
大的建模功能,本例中的牙槽骨就是在PART 模块中建
模,在A SSE M BLY 模块中与牙齿装配,最后进行布尔运算所得到。在磨牙、牙周膜和牙槽骨的装配过程中,在各部分上定义辅助平面和辅助轴线,通过约束关系使得最后装配结果与实际相符合。
该研究的意义在于:1)提供了一种新的正畸过程有限元计算的方法,从建立模型方法上看:与CT 重构相比,激光扫描在数据的准确性上程度更高,建立的模型与真实牙齿更加接近;2)分别发挥了口腔正畸医生和工程设计人员专长,正畸医生的优势在于对于正畸基础理论的掌握和实际正畸操作的经验,而工程设计人员可以吸取正畸医生的基础理论和实际经验,使计算与实际情况更加接近;3)计算结果对正畸过程具有一定的参考价值,正畸医生可根据结果对正畸力的大小和施加方向进行调整,以保证获得最佳正畸效果并控制在病人可以承受的范围内。参考文献:
[1]王霄,刘会霞.CAT I A 逆向工程实用教程[M ].北京:化学工
业出版社,2006.
[2]石亦平,周玉蓉.ABAQ U S 有限元分析实例详解[M ].北京:
机械工业出版社,2006.
[3]Thres h er R W.The stress anal ysis of hum an teeth [J].
J B i o -
m ech,1973,6(5):443-449.
[4]Farah J W.Phot o -el asti c and fi n ite el e m en t stress analys i s of a re -stored ax i sy mm etric first mo l ar[J ].J B i o m ec h,1973,6(5):
551-520.
[5]M cgu i nness NJ ,W ilson AN ,Jones M L ,e t a l .A stress analys i s
of t he peri odon tal li ga m en t under various ort hodonti c l oad i ngs [J].Eur J O rthod ,1991,13(3):231-242.
[6]Andersen K ,M ortensen H T ,Pedersen E H,et al .Deter m i na -ti on of stress levels and p rofiles i n t h e periodon tal li ga m ent by m ean s of an i m proved three -d i m ensional fi n i te el e m en tm od el f or various t ypes of ort hodonti c and natura l f orce[J].J B i om ed E ng ,1991,13:293-303.
[7]M cGuiness N J P,W ils on A N,JonesM L,e ta l .A stress analy -s i sof t h e peri odontal li ga m en t under various ort hodonti c l oad i ngs [J].Eur J O rthod ,1991,13:231-242.
收稿日期:2007-12-03
(上接第16页)
图6 S K Y )5L16075五轴联动加工中心现场加工小汽车模型
精度,以及均匀的加工粗糙度;再就是五轴联动机床可以加工普通三轴机床因刀具/干涉0而不能够加工的工件,如整体叶轮、一些高档的模具等。以上几点,就可以使得五轴联动机床可以高效地加工出三轴机床不可能得到的高品质和高精度的复杂零件。
随着技术进步,五轴联动机床的制造和应用技术越来越成熟:数控系统的进步、伺服驱动技术的进步,/零传动0技术进步对旋转轴技术的巨大影响和推动,与五轴加工相关的CAD /C AM 技术的迅速进步以及对相关培训工作的重视等,使得五轴联动机床的制造和使用成本呈现下降的趋势,因而在世界范围内五轴联动机床的应用也将越来越广泛。
在中国,随着南京四开公司等一批国内企业在五轴联动相关技术的突破和相关底层知识产权方面的掌握,西方国家(包括日本)在该领域对中国的刻意封锁已经是毫无意义了,在今后的几年内,中国制造的五轴联动机床等高端数控机床的应用速度将大大加快,为中国不可逆转地从制造大国向制造强国的转变起着重要作用。参考文献:
[1]周延佑,陈长年.新理念催生新结构[J ].制造技术与机床,
2007(6):55-59.
[2]张伯霖主编,杨庆东,陈长年副主编.高速切削技术及应用
[M ].北京:机械工业出版社,2002.
[3]周延年,陈长年.工件倒置型机床的新发展[J].制造技术与
机床,2007(10):45.
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