系列化五轴立式加工中心的研发与应用

装备制造业是一个国家建设的基石，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五轴联动数控机床系统，则反映了一个国家的工业发展水平状况。机床设备不但同国家航空工业、船舶制造、军工产业、科技技术、精密器械等设备制造行业有着非常大的关系，而且还与人们的日常生活等方方面面密不可分。

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、高精医疗设备等行业，有着举足轻重的影响力。长期以来，西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床作为重要的战略物资，对我国实行封锁禁运。进人二十一世纪，我国机床行业获得了突飞猛进的发展，现已成为世界第一机床制造国，但高档、大型、精密、高速数控机床以及数控系统依然依靠进口。我国要想成为制造业强国，就必须拥有自己的五轴数控机床技术。

下面笔者就以大连科德研制的典型五轴立式复合加工中心为例，介绍该类型机床的特点和应用。

一、机床性能及特点介绍

K M C五轴铣车磨复合立式加工中心是大连科德数控有限公司在深人研究了国际同类产品的基础上，自主研发制造的具有完全自主知识产权的高档五轴加工中心，并已在国内部分军工企业执行加工任务，替代进口设备，满足用户五轴类型零件的特殊加工需求。该系列机床具有良好的高精度、高刚度和高效率等加工特征。工件一次装夹完成多面加工，数控系统支持工件检测和刀具检测功能，及时有效地检测工件的位置和刀具的外形尺寸，实时保证零件加工的准确性。

该系列机床目前工作台有2个规格，分别是小800mm与/400丨训，这2个规格的加工中心均采用同样的改良龙门框架结构设计，采用人造大理石材料床身，与铸铁床身比具有极佳的抑振性和抗热变形性能。机床联动轴数务5,刀具3轴移动设计，采用高性能伺服驱动电机直联滚珠丝杠传动，动态性能不受工件限制，实现高动态特性、高效率加工。工作台摆动而主轴不摆动，因而主轴不受摆动影响，刚性好。刀具长度不影响摆臂长度，不影响摆动误差。y轴采用四导轨支撑和重心驱动方式。自动拾取式环形刀库与床身融为一体，结构紧凑节省空间，拾取式换刀速度更快（屑对屑时间为5s).数控回转摆动工作台实现双壁支撑和单/双驱动，实现C轴连续360旋转并支持高速车铣功能，轴 130摆动。机床采用通用性设计，兼容3 ~5轴机床扩展功能，4轴可选单/双驱控制，C轴可选铣削/铣车功能，x/y/z轴支持半闭环/全闭环控制，三种规格车铣复合电主轴，多种机床配置形式可满足不同用户的加工要求。同时机床作业空间大，干涉范围小，切削刚度强，动态性能高、安装空间紧凑。其主要参数有/800mm规格的交换工作台承重 1400kg, MOOnim规格的交换工作台承重S200kg.铣削主轴最高转速12000r/min,扭矩80Mm.|800mm 规格的车削模式下直驱C轴最高转速500r/min, 4800mm规格的车削模式下直驱C轴最高转速l_r/min.快移速度U/T/Z轴)60m/min,加速度lg;定位精度X/Y/1轴忘5(j_m, _4C轴名5角秒，具有刀具在线测量与工件在线测量能力。机床装备大连光洋科技研发制造的数控系统，具有3维切削仿真和3维防碰撞功能，机床MTBF达到1500h。

二、数控系统的性能及特点介绍

该系列机床装备的GNC62数控系统是大连光洋的旗舰级数控系统，适用于多种类复杂的高速高精、车铣复合加工装备、五轴加工中心和龙门加工中心。

GNC62数控系统使用的三大基础技术奠定了其高性能的基础：高速的信息交互GUNK光纤运动控制现场总线，采用100Mbps的高速光纤介质，将数控系统的控制指令送达每个伺服驱动装S,并保证严格同步运行；将包括机床各坐标位置、负载率、温度等物理量传回数控系统。精准的高频度控制调度GRTK实时内核，实现每秒数千次的精确控制任务调度，使运动控制运算、逻辑控制运算、人机交互高效有序运行，对实寸钟响应延迟l/l_OOs,最大限度地充分利用高性能数控系统处理器运算资源。精密的位置/角度感知传感细分技术，将来自直线/角度传感器的信号进一步进行细分处理，进一步提取lvpp信号中包含有效?度的位K/角度信息，最高提升物理分辨率达16384倍，细分处理过程在1/5000000S内瞬间完成。

GNC62数控系统为机床结构创新提供更大的空间，其多通道控制技术支持多个控制过程并发，既可以同时控制多个加工过程，又可以控制不同机床上的不同加工任务，也可以控制单台机床上多主轴上的不同加工任务。GNC62数控系统五轴控制技术支持多种结构的五轴机床控制，包括传统的回转轴线垂直的双摆角铣头、双回转工作台及一摆一转五轴机床结构，扩展支持了回转坐标不垂直不相交的通用五轴机床结构，极大地拓展了数控系统五轴机床的适用性。

为了满足重型机床驱动的需要以及重心驱动设计理念在精密机床上的应用，GNC62的双驱控制技术提供了最多4伺服驱动同步控制一个坐标的能力。为了支持数控机床复合加工化的潮流，GNC62数控系统的车铣复合技术对于旋转轴均可以实现主轴和C轴的双重配置，可自由通过M代码切换。GNC62支持极坐标插补功能，可以在车床结构的机床布局下实现丰富三维的铣削功能。GNC62数控系统支持每个坐标的定位误差双向螺距补偿、直线度补偿（包括各向挠度补偿），以及3坐标间垂直度补偿。在GLINK总线技术的支持下GNC60/61优化了伺服系统的速度前馈、加速度前馈和加加速度前馈，保证了数控机床在高速度下同时兼具高精度。同时GNC62数控系统支持对刀仪和测头接人，支持在线刀具检测和工件检测，可以方便地检查工件是否合乎加工要求，以及刀具有无破损。GNC62增强了三维在线切削仿真和三维防碰撞功能。其基于CANOpen协议的高可靠pLC提供了面向用户多层次的开放，包括用户可编程的人机会话功能。为用户提供了刀尖点坐标直接显示的功能，使用户在手动操作时直接控制工件尺寸，不必进行繁复的刀长反算。其通过GLINK同步采集执行设备（伺服及其他传感器）数据，并支持用户通过pLC程序对其进行数据处理，内置三维显示支持将轨迹和采集的数据绑定，通过不同颜色显示不同的物理量数据，便于将零件加工结果与采集的数据综合图形化进行分析，进一步提升表面加工质量。

三、成果应用推广情况

航空航天发动机的叶轮结构为复杂的空间曲面，其用途决定了零件的加工精度及表面光洁度要求高，叶片前尾缘很薄，工件刚性较差，在加工方面普通机床难以达到要求。大连科德数控生产的系列KMC五轴铣车磨复合立式加工中心以改良的龙门框架及整机结构设计、直驱技术、双驱技术和重心驱动以及高动态响应技术，使五轴机床具有一次装夹，实现多面加工的能力。目前该机床已成功在中国航天科工集团31所应用，正式批量生产某型号冲压发动机的复杂叶轮部件，在加工质量、效率等方面均媲美进口，达到了用户和使用单位要求。同时也验证了国产五轴数控机床的可靠性和稳定性。该系列机床也已经应用到中航集团的多家航空发动机企业，用于小型航空发动机的机匣产品加工，实现了替代进口。该系列加工中心也已出口到德国，开创了全自主知识产权的国产高档五轴数控机床出口到发达国家的先河。

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