五轴联动数控加工中心的组成、结构与功能

0引言

依托于传统的机械加工技术的三轴联动加工设备没有加工任意复杂曲面的能力,对于复杂的工件一般需要分块来进行加工，造成完整的复杂工件加工时间长、工艺复杂、需要多台设备和多个人员配合才能完成。具有明显的不足之处。五轴联动技术的出现，对于快速加工具有任意复杂曲面的工件给出了非常好的解决方法。五轴联动技术,采用三个直线运动和两个旋转运动并行运动，可以完成任意空间曲面的加工，而且具有一次装夹、多面自动加工、复杂型面一次成型、与CAD/CAM/CAPP紧密结合等优势，尤其在加工周期和加工质量方面有了可靠保证^[1]。

加工中心(Machining Center, MC)是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，综合加工能力强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量零件，其效率是普通机床的5至10倍，特别是它能完成许多普通机床不能完成的加工，对形状复杂, 精度要求高，小批量多品种生产更为适用剛。

五轴联动数控加工中心结合了上述五轴联动技术和加工中心设备，具有高效率、高精度的特点；是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、通信技术、电动与拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术、远程诊断技术、刀具和编程技术的高科技产品。

1五轴联动加工中心的组成与结构

五轴联动加工中心由五轴联动数控系统和五轴机床加工中心两部分组成。

1) 数控系统

軟控系统是数控加工中心的核心，其性能直接影响数控加工中心的加工效率、精度、可操作性等关键指标。5MC850-A型五轴联动加工中心采用华拓科技自主研发的PC+I/0开放式HWATEC-5M-1 型五轴联动数控系统。该数控系统摒弃了传统的 NC+PC和PC+NC结构，采用开放式的PC+I/0结构，全部数控核心功能(插补功能、加减速功能、实时控制功能、辅助I/O控制功能)均由运行在PC硬件平台上的软件来实现，借用现有的通用操作系统平台（如Windows、Linux、Vxworks等），在高级语言应用开发软件（如 Visual C++、Visual Basic、C# 等）支持下，通过安装在PC主板扩展槽上的通讯接口和I/O板卡对伺服系统和机床运动系统进行控制，具有模块化、标准化、可二次开发、与平台无关性、适应网络操作方式等开放式软件化特征％相对于传统嵌入式数控系统的优势主要体现在以下几点：

① 软、硬件开放式结构，可以完成各种扩展的高级组合控制和在线检测功能；

② 与市场上成熟的CAD、CAPP、CAM软件的有效链接接口功能；

③ 可方便的实现针对数控机床整体的远程状态监测和故障诊断功能；

④ 支持远程管理、远程控制和远程技术支持等功能；

⑤ 操作平台采用通用Windows操作系统，操作简单、灵活、方便；

⑥ 具有极强的远程通讯、图形处理、多媒体处理功能，并具有良好的外围设备接口；

数控系统操作界面如图2所示。

在系统可靠性方面，由于开放式、软件化数控系统采用的是成熟的通用PC标准硬件来完成非常复杂的功能，与传统封闭式数控系统采用定制产品只能完成简单功能相比，可靠性是有更高的保证的。

2) 五轴机床加工中心

运动轴。五轴联动加工中心的运动轴大多是3+2的结构，即X, Y, Z三个直线运动轴加上分别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,就有了 X，Y，Z, A, B; X，Y, Z, A, C; X, Y, Z, B, C三种形式，由两个旋转轴的组合形式来分，大体上有双转台式、单转台加单摆头式和双摆头式三种形式，如图3所示。

五轴联动加工中心采用双转台式又丫,乙人，(：形式，见图3₃)。五轴联动可加工工件尺寸可达$250x250,结构简单灵活，性价比优势明显。

自动换刀装置。自动换刀装置使加工中心装夹工件后能尽可能多的完成同一工件不同部位的加工要求，并尽可能减少加工中心的非故障停机时间，达到缩短产品制造周期，提高产品的加工精度等目标。对自动换刀装置的基本要求主要是结构简单、功能可靠、交换迅速^[51。自动换刀装置将工件加工的不同工序集中在一起，是加工中心的重要组成部分，它的性能直接影响加工效率的高低。

常见的自动换刀装置有斗笠式刀库、圆盘式刀库、链式刀库。5MC850-A型五轴联动加工中心采用圆盘式刀库，可容纳24把刀，换刀时间在1.5 _s以内，如图4所示。圆盘式刀库利用机械手臂换刀，较斗笠式刀库整体移动提高了换刀效率，较链式刀库经济实用。

另外，五轴联动加工中心还包含Z向主轴升降运动液氮平衡系统、自动润滑系统、冷却液循环系统等，为高效率、高精度加工提供辅助功能及结构上的保证。

2五轴联动加工中心的功能

五轴联动加工中心适合加工工序多、要求高、需要多种类型的普通机床和多种刀具夹具经过多次装夹调试才能完成加工的复杂曲面工件。例如发动机缸盖、离合器壳体、叶轮、螺旋桨、医用人工关节、头像、头盔模型等等，如图5所示，这些工件在普通机床上是几乎不可能完成的任务，而五轴联动加工中心对于这些工件的加工具备天然的优势。 5MC850-A型五轴联动加工中心可胜任上述工件中加工工序多、精度要求较高的中小型复杂曲面工件加工，是一款经济实用的立铁加工中心。其主要指标如下：

(1) 行程:X 800mm，Y 500mm, Z 700mm，A 倾斜轴-110。~110。，C 旋转轴 ±360。

(2) XY工作台载荷600kg

(3) 转台重量300kg，台面尺寸<D250

(4) X, Y, Z直线运动轴重复定位精度矣5 |xm

(5 )X, Y, Z直线运动轴定位精度在10 |x m

(6 )A，C回转轴重复定位精度彡4"

(7) A個读斗轴定位精度矣60" ; C旋转轴定位精度名15"

(8) 倾斜轴0°载荷140kg;0~90。范围内允许载荷70kg，切削扭力l〇〇〇N-m

(9)主轴最高转速8000rev/min，快速定位速度多 10m/min

(10) BT40-24圆盘刀库，可容纳24把刀，换刀时间矣1.5sec

(11) 系统分辨率0.1 |x m

(12) 进给速度前瞻控制(预读5000行）

另外，具备开放式PC+I/0体系结构数控系统的5MC850-A型五轴联动加工中心可以方便的与 CAD/CAM/CAPP软件进行对接，形成CAD /CAM /CAPP /CNC —体化产品;在完成基本的运动控制和加工中心辅助控制实现复杂零件加工的同时，还可以便捷的实现远程技术支持及生产调度服务，这些优势使5MC850-A型五轴联动加工中心可以作为关键设备和基本单元应用于更高层面的柔性制造系统、计算机集成制造系统或敏捷制造系统。

3结论

五轴联动数控加工中心由五轴联动数控系统和五轴机床加工中心组成，适合加工工序多、要求高的复杂曲面工件，具有高效率、高精度的特点，是解决叶轮、叶片、螺旋桨、发动机、曲轴等等复杂曲面零件加工的重要手段。对国家的航空、航天、军事、科研、精密仪器、医疗设备等行业具有举足轻重的作用。

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