■同濟(jì)大學(xué) 張 曙

五軸加工機(jī)床：現(xiàn)狀和趨勢

■同濟(jì)大學(xué) 張 曙

概述

隨著航空航天、模具和汽車等工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)和形狀越來越復(fù)雜，精度要求越來越高，對五軸加工機(jī)床的需求日益增長。五軸加工機(jī)床是指具有3個數(shù)控直線移動軸和2個數(shù)控回轉(zhuǎn)軸的機(jī)床。五軸加工機(jī)床的配置多種多樣，配置各異。從運(yùn)動設(shè)計的角度，假定傳動鏈從工件開始到刀具，直線運(yùn)動以L表示，回轉(zhuǎn)運(yùn)動以R表示，具有3個移動軸和2個回轉(zhuǎn)軸的五軸加工中心的運(yùn)動組合共有7種：RRLLL、LRRLL、LLRRL、LLLRR、RLRLL、RLLRL和RLLLR。其中最常見的運(yùn)動組合有3種：LLLRR、RRLLL和RLLLR。這3種運(yùn)動組合及其典型結(jié)構(gòu)配置如圖1所示。

圖1a所示是動梁式龍門加工中心，其運(yùn)動組合為LLLRR。工件安裝在固定工作臺上不動，橫梁在左右兩側(cè)立柱頂部的滑座上移動（Y軸），主軸滑座沿橫梁運(yùn)動（X軸），主軸滑枕上下移動（Z軸），雙擺銑頭作A軸和C軸偏轉(zhuǎn)。

圖1b是立式加工中心，其運(yùn)動組合為RRLLL。工件固定在A軸和C軸雙擺工作臺上，橫梁沿左右兩側(cè)立柱移動（X軸），主軸滑座沿Y軸移動，主軸滑枕沿Z軸上下移動。

圖1c也是立式加工中心，但其運(yùn)動組合為RLLLR。工件固定在C軸回轉(zhuǎn)工作臺上，工作臺沿X軸移動。主軸滑座沿Y軸和Z軸移動，萬能銑頭可作B軸回轉(zhuǎn)。

每種運(yùn)動組合可有不同的結(jié)構(gòu)配置方案。例如，動梁龍門式機(jī)床和動柱龍門式機(jī)床都屬于LLLRR運(yùn)動組合，車銑復(fù)合加工和銑車復(fù)合加工大多屬于RLLLR運(yùn)動組合，而RRLLL運(yùn)動組合可包括A/C軸和B/C軸雙擺工作臺。具有雙擺工作臺的4種不同工作臺布局的五軸加工中心如圖2所示。

綜上所述，隨著應(yīng)用領(lǐng)域、加工零件的形狀、尺寸和精度要求不同，五軸加工機(jī)床具有多種多樣的結(jié)構(gòu)和配置方案。

圖1　五軸加工機(jī)床的運(yùn)動組合和配置形式

典型案例分析

1. 哈默C52加工中心

德國哈默（Hermle）公司的C52加工中心是搖籃式雙擺工作臺五軸加工機(jī)床，適用于航空航

天、模具制造、能源和半導(dǎo)體工業(yè)，其外觀和主要技術(shù)規(guī)格如圖3所示。

從圖中可見，搖籃式雙擺工作臺采用縱向布局，回轉(zhuǎn)工作臺直徑為f1 000mm，由力矩電動機(jī)直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，最高轉(zhuǎn)速為500r/min。搖籃采用伺服電動機(jī)和無背隙齒輪傳動，擺動范圍為+100°/-130°，可以進(jìn)行五軸聯(lián)動的立/臥式車削加工或五軸聯(lián)動銑削加工和5面銑削加工。車削時工作臺最大載荷為1 000kg，銑削時工作臺最大載荷為2 000kg，可以從機(jī)床上方裝卸較重的大型工件。

為了提高機(jī)床的動態(tài)性能，哈默公司研發(fā)了獨(dú)特的總體結(jié)構(gòu)配置：移動部件輕量化?？蚣苁街鬏S十字滑座在高臺式床身的頂部，完成X-Y方向移動，主軸滑枕作Z軸垂直方向移動，采用盤式刀庫，如圖4所示。

從圖中可見，主軸下層滑座由安裝在床身左右兩側(cè)壁上的伺服電動機(jī)和滾珠絲杠沿3根線性導(dǎo)軌移動，以實現(xiàn)重心驅(qū)動，避免移動過程的偏斜，提高了機(jī)床的工作精度。

哈默C52加工中心在車銑復(fù)合加工時采用海德漢640數(shù)控系統(tǒng)，包括提高動態(tài)效率的主動顫振控制、自適應(yīng)進(jìn)給控制和提高動態(tài)加工精度的主動振動阻尼、載荷自適應(yīng)控制等智能模塊。

圖2　不同雙擺工作臺布局的五軸加工機(jī)床

圖3　哈默C52加工中心

圖4　哈默C52加工中心的總體結(jié)構(gòu)配置

2. 西田YMC430-II精密加工中心

日本西田（Yasda）公司的YMC430-II精密加工中心主要用于加工微小的高精度零件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上特別注意提高剛度和減少熱變形的影響，其總體結(jié)構(gòu)配置如圖5所示。

從圖中可見，橫截面呈H形的、左右前后4個方向都對稱和斷面系數(shù)大的整體龍門式雙立柱，保證了機(jī)床結(jié)構(gòu)的高剛度、高精

度和熱穩(wěn)定性。主軸滑座和主軸部件位于H形立柱的正前方，具有重量平衡系統(tǒng)，以保證Z軸移動的精度，結(jié)構(gòu)對稱，基本上抵消熱變形所引起的刀具中心點(diǎn)相對工作臺的偏移量。

YMC430-II加工中心的X、Y、Z軸皆由相互對稱配置2個直線電動機(jī)驅(qū)動，行程范圍分別為420mm、300mm和250mm，快速進(jìn)給20m/min，采用高剛度和高精度的線性導(dǎo)軌（小直徑滾珠、8滾道循環(huán)、加長型滑塊）導(dǎo)向，以提高移動精度和剛性，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，避免反向背隙，保證機(jī)床的動態(tài)性能。

主軸轉(zhuǎn)速范圍2 0 0～4 0 0 r/min，在主軸滑座下方配置有盤式刀庫，標(biāo)配容量32把刀，刀具最大直徑f50mm，刀具最大長度120mm，刀具最大重量500g。

該機(jī)床的平移工作臺面積為600mm×350mm，其上安裝R10型雙擺工作臺，B軸擺動范圍-10°/+100°，C軸360°回轉(zhuǎn)，從而構(gòu)成五軸聯(lián)動加工機(jī)床，最大加工直徑250mm。主軸的定位精度在全行程范圍內(nèi)的實際測量值分別為0.508μm、0.356μm和0.316μm，X-Y運(yùn)動軸的圓度為0.60μm。B、C回轉(zhuǎn)軸的雙向定位精度分別為0.95sec和1.19sec。在加工圓錐表面時圓度為1.24μm，皆明顯高于同類機(jī)床。

完善的熱管理系統(tǒng)是YMC430-II機(jī)床的最大特點(diǎn)之一，是保證機(jī)床高精度的關(guān)鍵。機(jī)床的冷卻部位循環(huán)原理如圖6所示。

從圖中可見，機(jī)床在6個部位配置循環(huán)液冷卻系統(tǒng)：①立柱的內(nèi)冷卻。②主軸頭的內(nèi)冷卻。③主軸滑座的內(nèi)冷卻。④X軸直線電動機(jī)的冷卻。⑤Y軸直線電動機(jī)的冷卻。⑥Z軸直線電動機(jī)的冷卻。制冷裝置輸出溫度較低的冷卻液進(jìn)入各冷卻部位，將熱量帶出，溫度較高的冷卻液再回到熱交換器中再度進(jìn)行制冷。

圖5　西田YMC430-II精密加工中心的總體結(jié)構(gòu)配置

圖6　西田YMC430-II的冷卻部位和循環(huán)系統(tǒng)

3. 米克朗 HSM 600U LP高速加工中心

GF加工方案集團(tuán)旗下的米克朗公司生產(chǎn)多種型號的高速（HSM）、高性能（HPM）和高效率（HEM）加工中心。其中HSM 600U LP加工中心是在原有HSM系列的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計而成，工作臺直徑600mm，最大載荷120kg，適合模具制造和其他中小批量精密制造企業(yè)加工高精度和高表面質(zhì)量的零件，機(jī)床的外觀和結(jié)構(gòu)如圖7所示。

從圖中可見，該機(jī)床的3個移動軸X、Y、Z和2個回轉(zhuǎn)軸B、C皆采用直接驅(qū)動方式。機(jī)床的床身、立柱和橫梁為一個整體封閉結(jié)構(gòu)，上窄下寬，呈金字塔形，采用礦物鑄件（樹脂混凝土），具有良好的阻尼特性，保證了機(jī)床的剛度和穩(wěn)定性。中間有O形

孔道，以便與托板交換裝置或刀庫聯(lián)結(jié)。線性導(dǎo)軌布置在直線電動機(jī)的兩側(cè)，使兩線性導(dǎo)軌之間的有較大的距離，驅(qū)動力盡可能在移動部件的重心。

機(jī)床采用STEP TEC智能電主軸，最高轉(zhuǎn)速30 000/36 000/ 42 000r/min可選。其intelliSTEP智能化系統(tǒng)可以控制和優(yōu)化電主軸的工況。例如，主軸端軸向位移、溫度、振動和刀具拉桿位置等，預(yù)測主軸在不同工況下的工作壽命。

該機(jī)床的另一重要特點(diǎn)是“聰明機(jī)床”軟件。包括機(jī)床保護(hù)、提高加工精度和提高生產(chǎn)力3個方面。例如，智能溫度控制、操作支持系統(tǒng)、高級加工過程和遠(yuǎn)距短信通知等。

圖7　HSM 600 ULP加工中心的外觀和結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)的新趨勢

數(shù)控機(jī)床不僅延伸人的體力，更延伸人的智力，變得越來越聰明。高端數(shù)控機(jī)床正在向智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和綠色化發(fā)展，起主導(dǎo)作用的不是機(jī)械和電氣部分的硬件，而是知識和軟件。數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)從單純的運(yùn)動控制發(fā)展到參與生產(chǎn)管理和調(diào)度。隨著與信息和通訊技術(shù)的深度融合，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床已經(jīng)不僅是一臺加工設(shè)備，而是工廠網(wǎng)絡(luò)，甚至智慧城市中的一個節(jié)點(diǎn)。

智能手機(jī)的出現(xiàn)改變了人們的生活和工作方式，多點(diǎn)觸摸屏、各種APP應(yīng)用和微信正在改變?nèi)说挠^念和習(xí)慣。若將智能手機(jī)的某些功能和特征移植到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，無疑會大大拓展數(shù)控系統(tǒng)的功能，使機(jī)床操作更加符合人們的生活習(xí)慣，變得簡單和方便。因此，采用圖形化的信息提示、圖形化的軟件的人機(jī)界面已成為新一代數(shù)控系統(tǒng)重要特征。

德馬吉森精機(jī)公司在西門子和三菱數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上推出新一代數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面和操作系統(tǒng)CELOS，它打破了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面的模式，采用多點(diǎn)觸控顯示屏幕和類似智能手機(jī)的圖形化操作界面，拉近了機(jī)床操作和生活習(xí)慣的距離。

CELOS簡單易用，就像使用智能手機(jī)一樣。CELOS簡化和加快從構(gòu)思到成品過程，并且還奠定無紙化生產(chǎn)基礎(chǔ)。此外，CELOS應(yīng)用程序為用戶提供一體化和數(shù)字化管理、文檔查看和加工任務(wù)單、加工過程和機(jī)床數(shù)據(jù)顯示功能，而且CELOS還兼容PPS和ERP系統(tǒng)，能連接CAD/ CAM應(yīng)用軟件并可使用其他未來CELOS應(yīng)用程序。

目前，CELOS 有12種APP應(yīng)用，從CAD/CAM瀏覽、加工任務(wù)管理直到數(shù)控加工，功能齊全，各種APP應(yīng)用皆可一鍵直達(dá)，操作非常方便，

圖8　CELOS的APP應(yīng)用菜單

如圖8所示。從圖中可見，

這些應(yīng)用的圖標(biāo)可分為5種類型，第1類圖標(biāo)是與生產(chǎn)相關(guān)的APP應(yīng)用，包括數(shù)控程序、加工任務(wù)管理、任務(wù)助手。第2類圖標(biāo)是輔助功能APP應(yīng)用，包括CADF/CAM瀏覽、工藝參數(shù)計算器、工藝文檔管理。第3類圖標(biāo)是技術(shù)支持APP應(yīng)用，包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和機(jī)床檢查。第4類圖標(biāo)是有關(guān)配置的APP應(yīng)用，包括節(jié)能降耗和機(jī)床調(diào)整。第5類圖標(biāo)是機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控的APP應(yīng)用。

CELOS力求通過這些APP應(yīng)用，實現(xiàn)無圖樣化的加工，使用戶實現(xiàn)對訂單、工藝流程數(shù)據(jù)、機(jī)床數(shù)據(jù)的一體化數(shù)字管理、記錄存檔和可視化處理。例如，任務(wù)管理和任務(wù)助手APP，能夠?qū)崿F(xiàn)對加工任務(wù)的管理，幫助機(jī)床操作人員通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計劃、準(zhǔn)備、優(yōu)化和系統(tǒng)化處理加工任務(wù)。

首先，所有與生產(chǎn)相關(guān)信息，如數(shù)控程序、工件、刀具和夾具等，都集中在一個加工任務(wù)中，并立即顯示在“任務(wù)管理器”中。加工任務(wù)單所需的所有文檔、數(shù)據(jù)和信息都用結(jié)構(gòu)化方式管理。例如，這些數(shù)據(jù)可在以后的加工中或重復(fù)訂單中被快速訪問。

通過“任務(wù)助手”，經(jīng)過數(shù)字化準(zhǔn)備的加工任務(wù)單可在以后被系統(tǒng)地執(zhí)行。在此過程中，首先對加工所需的所有數(shù)控程序和設(shè)備（刀具、夾具等）進(jìn)行檢查。然后，通過對話框指導(dǎo)操作人員進(jìn)行裝夾和準(zhǔn)備加工任務(wù)。給出適當(dāng)提示和要求必要的確認(rèn)，確保機(jī)床操作人員的操作無差錯。只有完成這些步驟后才能開始加工。因此，即使是復(fù)雜加工任務(wù)或復(fù)雜工件，也能確保加工的高可靠性。

工藝計算器APP實現(xiàn)對工藝切削參數(shù)的計算，通過選定刀具、工件材料和背吃刀量等信息，計算出數(shù)控編程所需的進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、切除率和切削功率等信息。節(jié)能降耗APP用于對機(jī)床啟動、待機(jī)、加工以及潤滑和冷卻進(jìn)行優(yōu)化配置，實現(xiàn)機(jī)床的用能管理。

狀態(tài)監(jiān)控APP對機(jī)床狀態(tài)信息進(jìn)行可視化的顯示，其界面如圖9所示。

左側(cè)圓圖是主軸負(fù)載大小和是否有振動，右側(cè)圓圖是3個直線和3個回轉(zhuǎn)驅(qū)動軸的負(fù)載。下方是零件加工任務(wù)和加工批量的進(jìn)度完成情況及剩余時間。中間是有關(guān)機(jī)床的其他信息?！盃顟B(tài)監(jiān)測”功能是操作人員與機(jī)床間聯(lián)系的起點(diǎn)。它提供有關(guān)當(dāng)前訂單和訂單進(jìn)度的重要績效指標(biāo)，而且通過特殊圖標(biāo)以及文字向操作人員顯示出現(xiàn)的任何錯誤、故障或所需的維護(hù)。

CELOS的APPs應(yīng)用給數(shù)控機(jī)床的人機(jī)界面帶來了全新的變化，將機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)拓展成為數(shù)控加工的管理系統(tǒng)，揭示了數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面開發(fā)的潛力，必將對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)控加工流程的數(shù)字化管理產(chǎn)生巨大的影響。

圖9　CELOS機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控界面

五軸加工機(jī)床的智能化

智能裝備的控制模式和人機(jī)界面將會有很大的變化，WiFi寬帶、藍(lán)牙近距通信等網(wǎng)絡(luò)性能的提高，基于平板電腦、手機(jī)和穿戴設(shè)備等基于網(wǎng)絡(luò)的移動控制方式會越來越普及。與時俱進(jìn)的觸摸屏和多點(diǎn)觸控的圖形化人機(jī)界面將逐步取代按鈕、開關(guān)、鼠標(biāo)和鍵盤。人們，特別是年輕人已經(jīng)習(xí)慣智能電子消費(fèi)產(chǎn)品的操作方式，能夠快速做出反應(yīng)，切換屏幕，上傳或下載數(shù)據(jù)，從而大大豐富了人機(jī)交互的內(nèi)容，同時明顯降低誤操作率。例如，對數(shù)控機(jī)床的操作可以通過筆記本、平板電腦和智能手機(jī)在WiFi環(huán)境下進(jìn)行，如圖10所示。

從圖中可見，不僅人機(jī)的交互方式從控制面板延伸到移動終端，設(shè)備和工具之間也可以進(jìn)行物與物的通信。機(jī)床的加工精度

和效率在很大程度上取決于刀具的狀態(tài)，如果在刀具或刀柄上嵌入芯片，就成為智能刀具。芯片不僅可以記錄在刀具預(yù)調(diào)儀上進(jìn)行調(diào)整時的數(shù)據(jù)，還可以記錄刀具在機(jī)床的進(jìn)行了多長的切削時間，還有多少剩余壽命，可以加工幾個零件等都可以讓操作者和有關(guān)部門了如指掌，減少停機(jī)和更換刀具的時間。智能刀具及其管理的概念如圖10所示。

在不同的加工情況下，往往需要設(shè)備具有不同的性能，可以根據(jù)設(shè)備工況的統(tǒng)計分析，可從設(shè)備供應(yīng)商或第三方APP應(yīng)用軟件商店購買和下載不同的軟件，以提高設(shè)備精度、加工速度或節(jié)能等，如圖11所示。

智能工廠的數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等智能裝備的未來發(fā)展重點(diǎn)已經(jīng)不在硬件，感知外部環(huán)境和工況變化需要更加強(qiáng)大的計算能力、通信帶寬和速度，才能進(jìn)行實時控制，形成真正的信息物理融合系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是將設(shè)備的控制分為計算和過程兩部分，把運(yùn)動控制保留在本地，而將計算移到云端，在云端“克隆”相應(yīng)的虛擬設(shè)備，在云端進(jìn)行虛擬制造，如圖12所示。

從圖中可見，需要計算能力的數(shù)控核心、可編程控制、圖形人機(jī)界面和通信等模塊構(gòu)成設(shè)備群的云端控制系統(tǒng)，通過中間件控制虛擬機(jī)床1、虛擬機(jī)床2、虛擬機(jī)床n，同時通過以太網(wǎng)接口下傳至車間的路由器，連接不同機(jī)床的控制器，控制相應(yīng)機(jī)床的運(yùn)動，從而將虛擬機(jī)床與實體機(jī)床構(gòu)成一對一的仿真和監(jiān)控系統(tǒng)。

圖10　在WiFi環(huán)境下的人-機(jī)和機(jī)-機(jī)通信

圖11　提高設(shè)備性能的APP應(yīng)用軟件商店

圖12　過程和計算分離的云數(shù)控系統(tǒng)

收稿日期：（20150707）