董偉，楊向東

(1. 廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院機(jī)電工程系，廣東廣州510540;2. 廣州華立科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東廣州511325)

自1952 年美國麻省理工學(xué)院與美國軍方合作研制出世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來，數(shù)控機(jī)床在制造工業(yè)，特別是在汽車、航空航天以及軍事工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)無論在硬件還是軟件方面，都呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的趨勢。

一般來講，具有四軸以上、連續(xù)使用兩把以上刀具加工的數(shù)控加工稱為多軸多刀數(shù)控技術(shù)，已經(jīng)成為先進(jìn)制造裝備領(lǐng)域的最前沿、最尖端技術(shù)，受到各個(gè)國家軍工企業(yè)、科研院校的大力追捧，如圖1 所示。其重要性在1987 年日本的“東芝事件”中，可窺見一斑 (該事件中所涉及的多軸機(jī)床為高約10 m、寬22 m、質(zhì)量250 t 的九軸數(shù)控大型船用螺旋槳精密銑床［1］)。

圖1 數(shù)控機(jī)床軸數(shù)示意圖

1 技術(shù)原理

圖2 五軸數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu)

多軸多刀數(shù)控加工技術(shù)最直接的載體是多軸數(shù)控加工中心，如圖2 所示為五軸加工中心，主要由輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)等部件組成，如圖3 所示。其工作原理就是將零件圖形和工藝參數(shù)、加工步驟等以數(shù)字信息的形式，編成程序代碼輸入到機(jī)床控制系統(tǒng)中，再對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)成驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的指令信號(hào)，從而控制機(jī)床各部件協(xié)調(diào)動(dòng)作，自動(dòng)完成零件的加工［2］。

圖3 典型數(shù)控機(jī)床CNC 裝置

2 設(shè)備

在產(chǎn)業(yè)界，作為傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床制造強(qiáng)國的德國、美國、日本等國家在并聯(lián)機(jī)床、復(fù)合加工機(jī)床、數(shù)控加工刀具與夾具及數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人的結(jié)合方面研究較為深入，也取得了較大的成就。德國DS公司開發(fā)的Z3 銑頭、意大利COMAU 公司的平動(dòng)機(jī)床、瑞士STARRAG 公司的關(guān)節(jié)機(jī)床等，都是相當(dāng)?shù)湫偷牟⒙?lián)機(jī)床，如圖4 所示為一種并聯(lián)機(jī)床示意圖。圖5 所示為德國DS 公司開發(fā)的銑頭，就是根據(jù)并聯(lián)原理研制成功的，可鉆到飛機(jī)的機(jī)翼里面進(jìn)行加工［3］。

圖4 一種并聯(lián)機(jī)床示意圖

圖5 德國DS 公司開發(fā)的Z3 銑頭

我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展經(jīng)歷了30 年的跌宕起伏，已經(jīng)由成長期進(jìn)入成熟期。2002—2008 年，我國金屬切削機(jī)床產(chǎn)量年均增長18.58%;而同期數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量年算術(shù)平均增長率更是高達(dá)33.22%，明顯快于普通金屬切削機(jī)床的增長速度。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床在金屬加工機(jī)床總量中的比重逐年上升，我國機(jī)床的數(shù)控化率逐年提高，從2001 年的9.12%上升為2008 年的19.79%，同時(shí)產(chǎn)值數(shù)控化率也從37.8%提高到2008年的48.6%。2009 年行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá)到50%以上［4］。而作為新興數(shù)控機(jī)床市場國家的韓國、中國等國家及臺(tái)灣地區(qū)，在多軸多刀機(jī)床的生產(chǎn)方面也具備了較強(qiáng)的實(shí)力和較猛的后勁。如韓國的斗山數(shù)控，中國的廣州數(shù)控、華中數(shù)控、四開數(shù)控及北京機(jī)床廠、大連機(jī)床廠等企業(yè)，在數(shù)控系統(tǒng)、多軸多刀機(jī)床方面都有較為成熟的產(chǎn)品，滿足了相應(yīng)的生產(chǎn)需要。但在高端多軸多刀數(shù)控機(jī)床研制方面，與日本FANUC、德國西門子、美國辛辛那提等公司的產(chǎn)品還存在較大的差距。

1990 年燕山大學(xué)研制出我國第一臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)［5］;1997 年東北大學(xué)研制出我國第一臺(tái)平移自由度并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)，如圖6 所示;1998 年清華大學(xué)、天津大學(xué)合作研發(fā)的VAMTIY 并聯(lián)機(jī)床首次展出，如圖7 所示。清華大學(xué)、天津大學(xué)、東北大學(xué)、沈陽自動(dòng)化所、哈工大等開展了并聯(lián)機(jī)床研究。圖8 為清華大學(xué)等單位為滿足混流式水輪機(jī)葉片的加工精度要求為主要目標(biāo)，亦可用于其他葉片類、大型模具等復(fù)雜曲面零件加工而研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型龍門式五軸聯(lián)動(dòng)混聯(lián)機(jī)床。其中，3-PTT 水平滑塊式平移鋼錠磨削并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)品已實(shí)用化。華中科技大學(xué)和武漢重型機(jī)床廠于2002 年共同承擔(dān)了國家863 重點(diǎn)項(xiàng)目“大型艦船螺旋槳加工七軸五聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床”項(xiàng)目，并取得了成功。

圖6 東北大學(xué)研制的平移自由度并聯(lián)機(jī)床

圖7 清華大學(xué)、天津大學(xué)合作研發(fā)的6-TPS 型并聯(lián)機(jī)床

圖8 清華大學(xué)研制的龍門式五軸聯(lián)動(dòng)混聯(lián)機(jī)床

3 程序編制

對(duì)于多軸多刀加工編程技術(shù)，從形式上分，主要有下列幾種:手工編程，自動(dòng)編程及仿真技術(shù)。

3.1 手工編程

手工編程具有速度較慢、不利于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件編程的弱點(diǎn)，但要注意的是也具有可修改性強(qiáng)、程序短小、可用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)方程表示曲線(如正圓、拋物線、漸開線、擺線等)等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代的多軸多刀加工如手工編程技術(shù)多借助宏程序來完成，例如在圓周上鉆、鏜圖9 所示均勻分布的n 個(gè)孔，其宏程序如下所示:

#1 =50

#2 =6

#3 =1

#5 =3.141 59/180

#6 = －20

#7 =5

while#3LE#2

#4 =360/#2* ［#3 －1］* #5

#10 =#1* COS(#4)

#11 =#1* SIN(#4)

G90G98G81X［#10］Y［#10］Z［#6］R［#7］F500

#3 =#3 +1

ENDW

G80

G91G28Z0

M05

M30

3.2 自動(dòng)編程

針對(duì)手工編程工作量大、易出錯(cuò)、很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工等缺點(diǎn)，借助于計(jì)算機(jī)三維繪圖軟件的自動(dòng)編程從一出現(xiàn)，就受到業(yè)界的廣泛歡迎。越來越多的企業(yè)已逐步認(rèn)識(shí)到應(yīng)用多軸數(shù)控機(jī)床可以高效率、高精度地加工自由曲面零件，但要使其真正發(fā)揮效益，還必須依靠性能優(yōu)良完善的CAD/CAM 軟件。目前國內(nèi)外流行的CAD/CAM 軟件有:UG、CADDS5、Pro/Engineer、CATIA 等，它們主要運(yùn)行在工作站或微機(jī)平臺(tái)上。但國外軟件市場價(jià)格卻十分昂貴，這在一定程度上限制了CAD/CAM 技術(shù)的推廣［6］。

圖9 宏程序編程示例

近年來，我國CAD 技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用取得了長足的發(fā)展，如高華CAD、CAXA 等，由于這些軟件價(jià)格便宜，符合本國國情和標(biāo)準(zhǔn)，贏得了越來越大的市場份額。但我國CAD/CAM 軟件不管是產(chǎn)品開發(fā)水平還是商品化、市場化程度都與發(fā)達(dá)國家有不小的差距。由于國外CAD/CAM 軟件出現(xiàn)得較早，開發(fā)和應(yīng)用的時(shí)間也較長，如UG、PTC、I-DEAS 等公司都是CAM行業(yè)的頂級(jí)產(chǎn)品，可以方便地仿真刀具及機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，可以從簡單的2 軸、2.5 軸加工到以7 軸5 聯(lián)動(dòng)方式來加工極為復(fù)雜的工件表面，并可以對(duì)數(shù)控加工過程進(jìn)行自動(dòng)控制和優(yōu)化，所以它們發(fā)展比較成熟，現(xiàn)在基本上已經(jīng)占領(lǐng)了國際市場和一部分國內(nèi)市場。因此，我國CAD/CAM 軟件前景不容樂觀，尤其是在應(yīng)用在五軸數(shù)控加工的CAD/CAM 軟件開發(fā)方面，國內(nèi)軟件廠家做得都不是很理想，都存在不同問題［7］。

3.3 自動(dòng)仿真技術(shù)

數(shù)控加工仿真技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)軟件來模擬數(shù)控加工過程，并將加工過程和結(jié)果中的信息在計(jì)算機(jī)中用圖形、數(shù)字、圖表等方式表達(dá)出來，以達(dá)到供人們判斷、驗(yàn)證和控制數(shù)控加工過程和結(jié)果的正確性、合理性以及加工效率高低等目的的方法［8］。目前，數(shù)控仿真主要分為幾何仿真和力學(xué)仿真兩個(gè)方面［9］。

在國外，美國Maryland 大學(xué)開發(fā)了用于培訓(xùn)數(shù)控操作人員的虛擬數(shù)控機(jī)床仿真器;韓國Turbo-TEK公司開發(fā)出了面向培訓(xùn)的虛擬數(shù)控車削及銑削加工環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控加工的幾何仿真并配有聲音信息;日本SONY 公司研制出FREDAM 系統(tǒng);意大利Bologna 大學(xué)用B 樣條曲線建立了端銑刀與工作臺(tái)模型，并采用真實(shí)感圖形顯示銑床精加工過程等［10］。

在國內(nèi)，有華中科技大學(xué)研究開發(fā)的NCPVSS 系統(tǒng)、同濟(jì)大學(xué)研制的數(shù)控程序微機(jī)動(dòng)畫仿真系統(tǒng)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究開發(fā)的NCMPS 系統(tǒng)、清華大學(xué)CINIS 工程研究中心研究開發(fā)的“通用加工過程仿真器”、大連理工大學(xué)研究開發(fā)的數(shù)控曲面加工微機(jī)仿真器等［11］。

雖然目前的主流三維軟件都帶有三維仿真功能，但由于多軸加工的復(fù)雜性，都不能完全消除零件與刀具、刀具與夾具、刀具與工作臺(tái)之間的干涉碰撞。國產(chǎn)的仿真軟件如上海宇龍等，在此方面還有待于加強(qiáng)。

4 發(fā)展趨勢

4.1 硬件方面

主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:

(1)高速度與高精度化。

(2)高柔性化。

(3)復(fù)合化。復(fù)合化包含工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。銑削與激光復(fù)合可用于精細(xì)型面模具的三維加工;沖壓與激光切割復(fù)合可用于板材加工。

(4)多功能化。

(5)智能化。常用的智能加工系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模式如圖10 所示，由智能監(jiān)測模塊、決策規(guī)劃模塊和實(shí)時(shí)控制模塊3 個(gè)基本模塊組成。

圖10 智能化數(shù)控加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式

(6)造型宜人化。

4.2 軟件方面

圖形的生成技術(shù)和建模技術(shù)，是改進(jìn)和提高國產(chǎn)CAD/CAM 軟件的當(dāng)務(wù)之急。

4.3 自動(dòng)仿真技術(shù)

綜合全面考慮干涉、避讓檢查等約束條件及嘗試考慮切削參數(shù)、切削力及其他物理因素的影響，從而實(shí)現(xiàn)幾何仿真和力學(xué)仿真的結(jié)合。

5 結(jié)束語

論述了多軸多刀數(shù)控加工技術(shù)的定義及原理，并對(duì)其硬件數(shù)控機(jī)床的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，指出:

(1)并聯(lián)機(jī)床、復(fù)合加工機(jī)床、數(shù)控加工刀具與夾具及數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人的結(jié)合是其主要發(fā)展方向;

(2)對(duì)軟件進(jìn)行了綜述:手工編程也有適用場合，自動(dòng)編程是主流，仿真技術(shù)是其薄弱點(diǎn)。

(3)對(duì)多軸多刀數(shù)控加工技術(shù)在硬件、軟件發(fā)展趨勢方面進(jìn)行了預(yù)測。

【1】http://chaojixing. blog. china. com/200710/1044154. html，2007.

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【3】徐正平. 機(jī)床加工的夢想成真［J］. 中國機(jī)械與金屬，2007(12).

【4】中國投資咨詢網(wǎng).2011 －2015 年中國數(shù)控機(jī)床市場投資分析及前景預(yù)測報(bào)告［R］，2011.

【5】王成勇.先進(jìn)制造技術(shù)［CP］，2006.

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【7】梅黎錦.CAD/CAM 技術(shù)在我國的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.機(jī)械工程師，2009(9):75 －76.

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