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        國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床實(shí)操初探

        2018-01-05 11:07:36任沐華

        摘 要:以作者在陜西西安參加2018首期“少年智造創(chuàng)客營(yíng)”的小木雕工藝品設(shè)計(jì)和加工的經(jīng)歷,介紹了基于國(guó)產(chǎn)中望CAD 2017教育版軟件和HWATEC-5M160五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床,進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模擬仿真和實(shí)際加工的整個(gè)過(guò)程。期望能使讀者對(duì)國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)有一個(gè)更加直觀的了解。

        關(guān)鍵詞:五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床;CAD軟件;零件建模;機(jī)械加工

        中圖分類號(hào):TG547 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        Abstract:The paper explains the whole process of design, simulation and actual make of a small handicraft work. The work was completed by means of ZhongWang CAD2017 education software and five-axis CNC machine tools, during the first ‘2018 Youth Intelligent Creation Camp held in Xian, Shaanxi Province. It is expected that the reader will have a more intuitive understanding of the technology of domestic five-axis CNC machine tools.

        Keywords:five-axis CNC machine tool; CAD software; parts modeling; mechanical operation

        0 引言

        五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床(5 Axis CNC Machine Tool)是一種高科技含量、高精密度的專門用于加工復(fù)雜曲面的機(jī)床。這種機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國(guó)家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè),有著舉足輕重的影響力。

        五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是指在一臺(tái)機(jī)床上至少有5個(gè)坐標(biāo)軸(3個(gè)直線坐標(biāo)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)),而且可以在數(shù)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工。它的優(yōu)勢(shì)在于:可一次性完成零件的五面加工,減小重復(fù)裝夾次數(shù),提高加工精度,節(jié)約時(shí)間。眾所周知,重新夾裝被加工件,對(duì)夾裝位置要求很高。多次裝夾需要重新尋找基準(zhǔn)坐標(biāo),會(huì)影響加工的定位精度。用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床一次定位后可以完成對(duì)5個(gè)面位的加工,對(duì)于只要求加工5個(gè)面位及以下的零部件能一次完成全部加工。

        五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是由傳統(tǒng)三軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)外加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸發(fā)展而來(lái),是目前解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等等零部件加工的唯一手段。正是基于這個(gè)原因,中國(guó)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略所制定的10年行動(dòng)綱領(lǐng)——中國(guó)制造2025的高端裝備創(chuàng)新工程,對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床提出了新的目標(biāo),要求研發(fā)具有高精密、高速、高效的高檔數(shù)控機(jī)床。

        高科技裝備和人之間的關(guān)系,人是決定因素。作者認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),首先需要越來(lái)越多的技術(shù)人員對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床有更多的了解,最好具備實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。由于大型的五軸數(shù)控機(jī)床因制造成本、維修費(fèi)用高昂等原因,技術(shù)人員的機(jī)床綜合應(yīng)用能力得不到有效提升,創(chuàng)新性探索更是駐足不前。隨著國(guó)產(chǎn)CAD軟件平臺(tái)和五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展,尤其是小型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展,為相關(guān)技術(shù)人才實(shí)際操作能力的培養(yǎng)提供了一個(gè)高效的實(shí)踐平臺(tái)。

        1 五軸數(shù)控機(jī)床原理簡(jiǎn)介

        五軸機(jī)床是在原有三軸的加工中心發(fā)展而來(lái)。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的規(guī)定,在描述數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)時(shí),采用右手直角坐標(biāo)系,其中平行于主軸的坐標(biāo)軸定義為Z軸,繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分別為A、B、C。各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)可由工作臺(tái),也可以由刀具的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn),但方向均以刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)方向來(lái)定義。通常五軸聯(lián)動(dòng)是指X、Y、Z、A、B、C中任意5個(gè)坐標(biāo)的線性插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。換言之,五軸指X、Y、Z三個(gè)移動(dòng)軸加任意兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。五軸依據(jù)聯(lián)動(dòng)軸擺動(dòng)機(jī)構(gòu)不同,有工作臺(tái)搖籃式、立式主軸雙擺頭、臥式主軸雙擺頭、工作臺(tái)擺動(dòng)式和工作臺(tái)主軸擺動(dòng)5類,如圖1所示。

        作者使用的是陜西華拓科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HWATEC-5M160桌面式微型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床,如圖2所示。這是一款工作臺(tái)搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床,基于傳統(tǒng)三軸加工中心的基礎(chǔ),加上搖籃式工作臺(tái),變成3+2式的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。聯(lián)動(dòng)軸為X/Y/Z/A/C,Y軸方向B軸不旋轉(zhuǎn)。該機(jī)床采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的華拓開放式PC+I/O型多軸聯(lián)動(dòng)(五軸聯(lián)動(dòng)及以上)數(shù)控系統(tǒng),具有體積小、重量輕、搬運(yùn)方便和操作靈活等優(yōu)點(diǎn),主要用于加工生產(chǎn)各種微小型復(fù)雜零件,可以加工玉石、陶瓷、工程塑料、石墨、實(shí)木和有色金屬等多種材質(zhì)。

        該機(jī)床的有效行程為:X軸160mm,Y軸195mm,Z軸175mm;工作臺(tái)尺寸F160mm;A軸:-110°~ 15°;C軸:0°~ 360°;定位精度≤0.02mm,重復(fù)定位精度≤0.01mm;外形尺寸940mm×960 mm×980 mm。

        下面以一個(gè)六面體小木雕的加工為例,介紹軟件設(shè)計(jì)和機(jī)床加工的全工程,圖3給出了設(shè)計(jì)仿真和加工的全流程圖。其中,設(shè)計(jì)仿真軟件采用中望3D 2017教育版,它是一款圖形化編程軟件,易于掌握和使用??梢詮墓倬W(wǎng)上下載有效期為30天的試用版(http://www.zwcad.com/download/)。加工機(jī)床采用前面介紹的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。中望軟件系統(tǒng)和HWATEC系列機(jī)床可以無(wú)縫連接,使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便。

        2 設(shè)計(jì)

        2.1 零件建模

        通過(guò)下列步驟設(shè)計(jì)并建立零件造型。

        (1)打開中望軟件,創(chuàng)建新建項(xiàng)目,選則“零件/裝配”;

        (2)選擇“造型”。選擇“六面體”并設(shè)置六面體的參數(shù);根據(jù)需要在六面體上利用給出的工具設(shè)置倒角、圓角、打孔等操作,如圖4所示。

        (3)建“草圖”,選擇設(shè)計(jì)圖案的平面,用給出的草圖工具設(shè)計(jì)要雕刻的圖案,如圖4(b)所示。

        (4)返回主菜單,“添加胚料”。

        2.2 工序選擇

        (1)選擇加工方案(如圖5所示)。點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵選擇“工序”、 “插入工序”,選擇工序類型,作者選的是“2軸銑削”中的“輪廓”;選擇“刀具”,并根據(jù)將使用的刀具進(jìn)行設(shè)置;設(shè)置輪廓切削的參數(shù)。

        (2)選擇“參數(shù)”,如圖6所示。設(shè)置“坐標(biāo)”,注意“公差和步進(jìn)”中的“底部余量”必須設(shè)置為負(fù)數(shù);“連接和進(jìn)退刀”菜單中的“自動(dòng)進(jìn)刀和退刀”為“無(wú)”;

        (3)設(shè)置“限制參數(shù)”;

        (4)設(shè)置“特征”,新建→特征→輪廓,用鼠標(biāo)點(diǎn)選需要加工的輪廓,最好選擇一筆能連下來(lái)的圖形為一個(gè)輪廓;

        (5)重復(fù)步驟4,直至所有設(shè)計(jì)界面的所有圖案都被選中;

        (6)設(shè)置“加工安全高度”;

        (7)設(shè)置坐標(biāo)系,創(chuàng)建坐標(biāo)基準(zhǔn)面。

        2.3 軟件仿真

        在“工序”選項(xiàng),點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵“計(jì)算全部”后選擇“實(shí)體仿真”。圖7為實(shí)體加工仿真界面,這時(shí)可以看到模擬的加工軌跡。

        至此,完成了加工對(duì)象的建模、實(shí)體加工仿真過(guò)程。檢查實(shí)體仿真無(wú)誤后,可以進(jìn)入實(shí)際機(jī)床加工過(guò)程。

        3 實(shí)際機(jī)床加工

        3.1 輸出數(shù)據(jù)

        (1)選擇設(shè)備。選擇在“設(shè)備”處用鼠標(biāo)右鍵調(diào)取“設(shè)備管理器”,根據(jù)所使用機(jī)床設(shè)置設(shè)備參數(shù)。

        (2)工序文件輸出。用鼠標(biāo)右鍵在工序處選擇輸出,并根據(jù)機(jī)床要求,選擇相應(yīng)的輸出文件類型文件類型(CL格式——程序1,或NC格式——程序2)。

        程序1 輸出的CL格式文件

        $$ CAM-ID: ZW3D V15.1

        PARTNO / '輪廓切削 2 1'

        MACHIN/ZWPost,Anilam_Crusader

        PPRINT / ‘Programmed by Administrator

        PPRINT / ‘

        TMARK/1

        SEQNO/0,INCR,1

        FROM/0.00000,0.00000,500.00000

        $$ End startup sequence.

        $$ Begin first tool sequence.

        PPRINT / 'Tool 0 is 刀具 1.'

        PPRINT / ‘SHAPE PARAMETERS

        CUTTER/1.00000,0.10000,0.40000,0.10000,1000.00000,

        0.00000,5.00000

        TOOLNO/0,IN,0,MILL,OSETNO,0

        SELECT/TOOL,0

        LOADTL/0

        SELECT/TOOL,0

        SPINDL/RPM,1000,CLW

        COOLNT/FLOOD

        $$ End first tool sequence.

        MULTAX/ON

        $$ Begin new operation sequence.

        PPRINT / 'Operation - 輪廓切削 2'

        PPRINT / 'Tactic - 輪廓切削 2'

        PPRINT / 'Plan - 零件005_CAM'

        PPRINT / 'File - 零件005.Z3'

        $$ End new operation sequence.

        OPER_TYPE/MILLING,

        RAPID

        GOTO/8.00000,-59.62062,-2.23675,1.00000,0.00000,0.00000

        RAPID

        GOTO/-39.50000,-59.62062,-2.23675,1.00000,0.00000,0.00000

        FEDRAT/MMPM,375.00000

        SPINDL/RPM,1000,CLW

        GOTO/-40.00000,-59.62062,-2.23675,1.00000,0.00000,0.00000

        FEDRAT/MMPM,50.00000

        GOTO/-42.50000,-59.62062,-2.23675,1.00000,0.00000,0.00000

        FEDRAT/MMPM,250.00000

        GOTO/-42.50000,-59.53507,-3.54201,1.00000,0.00000,0.00000

        ……

        GOTO/-42.50000,-59.62062,-2.23675,1.00000,0.00000,0.00000

        RAPID

        GOTO/8.00000,-59.62062,-2.23675,1.00000,0.00000,0.00000

        OPER_TYPE/OFF,

        MULTAX/OFF

        $$ Begin termination sequence.

        SPINDL/OFF

        COOLNT/OFF

        PPRINT / ‘End of program.

        REWIND

        FINI

        程序2 輸出的NC格式文件

        %

        O輪廓切削 2 2

        N1G00G70G90

        N2G29T1000X0Y0

        N3T0

        N4T0M08

        N5G00X8.Y-59.6206Z-2.2367

        N6X-39.5

        N7G01X-40.F375.

        N8X-42.5F50.

        N9Y-59.5351Z-3.542F250.

        N10Y-59.2799Z-4.8249

        ……

        N54Y-59.6206Z-2.2367

        N55G00X8.

        N56M09

        N57X0Y0

        N58G29E

        %

        3.2 機(jī)床加工

        將輸出將文件導(dǎo)入機(jī)床系統(tǒng),進(jìn)行機(jī)械加工,如圖8所示。

        圖9中圓圈標(biāo)出的是作者利用中望3D 2017教育版設(shè)計(jì)并利用HWATEC-5M160加工出來(lái)的六面帶圖案的六面體木雕小部件成品(經(jīng)過(guò)后期著色處理),其余是其他創(chuàng)作人員完成的作品。因?yàn)榧庸さ氖橇骟w,一次只能加工5個(gè)面,實(shí)際加工中進(jìn)行了二次夾裝,與圖9左側(cè)仿真圖形相比,最終完成的產(chǎn)品達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。首期“少年智造創(chuàng)客營(yíng)”營(yíng)期10天,每個(gè)人完成作品5件,如圖10所示。

        結(jié)語(yǔ)

        五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是高精度機(jī)床,其運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、編程難度大,對(duì)操作人員的操作水平和經(jīng)驗(yàn)都有較高的要求。小微型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對(duì)于操作人員進(jìn)行實(shí)踐加工訓(xùn)練十分方便有效。本文對(duì)木雕部件的設(shè)計(jì)、仿真和加工全過(guò)程進(jìn)行了介紹,期望使越來(lái)越多的人對(duì)國(guó)產(chǎn)五軸數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和使用有一個(gè)較全面的了解,激發(fā)對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)設(shè)備的興趣,促進(jìn)國(guó)產(chǎn)機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展。

        參考文獻(xiàn)

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        [3]HWATEC-5M160 (http://www.hwatec.com/product/5m160.html),陜西華拓科技有限公司多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工設(shè)備[Z].

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        [6]虞行國(guó), 蔣曉倩.五軸加工設(shè)備功能部件配置及應(yīng)用[J].金屬加工,2016(5):6-8.

        任沐華住址:陜西省西安市雁塔區(qū)太白南路二號(hào)南院69號(hào)樓。

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