葉啟立，賴志偉，劉小杰，李 姣，王成勇，鄭李娟※

（1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣州 510000；2.株洲鉆石切削刀具股份有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

五軸聯(lián)動工具磨床是對復雜自由表面刀具進行高效磨削制造的關(guān)鍵設(shè)備[1]。經(jīng)濟全球化的發(fā)展對全球各個國家的數(shù)控機床的進出口發(fā)展有重要影響。2018年全球機床出口總額接近516億美元，其中德國出口值約103.7億美元，全球排名第一，德國出口機床中，磨床占23%，增長排名第一。在機床進口方面，中國進口總額為94.6 億美元，全球排名第一，其中磨床占24%，增長排名第二[2]。2019年1-9月中國金屬加工機床進口品種占比及進口值排名情況如圖1所示，其中磨床進口值為7.6億美元，占比13.3%[3]。

圖1 2019年1-9月中國金屬加工機床進口品種占比及進口值排名情況

隨著航天航空、模具、汽車、軌道交通等行業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)刀具的加工效率、質(zhì)量、壽命及精度已不能滿足加工制造日益增長的需求。而要實現(xiàn)復雜自由表面刀具的批量生產(chǎn)，對生產(chǎn)設(shè)備提出了巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的三軸磨床已不能滿足高精、高效、高可靠的生產(chǎn)需要[1]。五軸聯(lián)動工具磨床的使用成為解決上述問題的關(guān)鍵。

五軸聯(lián)動磨床屬高檔數(shù)控機床，其設(shè)計與量產(chǎn)代表著國家工業(yè)制造的水平。高端五軸聯(lián)動磨床的研發(fā)與制造可作為國家邁向制造業(yè)強國的發(fā)力點，只有提高了制造能力與制造水平，掌握關(guān)鍵制造技術(shù)，才能奪得高速發(fā)展制造業(yè)的主動權(quán)。因此，加快自主研發(fā)五軸工具磨床的步伐，掌握五軸磨床的核心技術(shù)，實現(xiàn)高效、高質(zhì)量地生產(chǎn)復雜形狀刀具和零件，對中國制造業(yè)發(fā)展具有重要意義。本文介紹了國內(nèi)外主要五軸工具磨床及其數(shù)控系統(tǒng)的主要產(chǎn)品，詳細闡述了國內(nèi)外在五軸工具磨床關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)以及磨削工藝的研究進展。

1 五軸工具磨床現(xiàn)狀

1.1 主要產(chǎn)品性能

國內(nèi)外主要五軸工具磨床及其數(shù)控系統(tǒng)的主要產(chǎn)品如表1所示。由于五軸聯(lián)動工具磨床的制造難度大，國內(nèi)能生產(chǎn)和銷售五軸聯(lián)動工具磨床的企業(yè)主要有臺州北平機床有限公司、大連科德數(shù)控有限公司、上海黑格數(shù)控有限公司、武漢機床廠及北京廣宇大成數(shù)控機床有限公司等。目前，國外的部分高端數(shù)控磨削設(shè)備或其關(guān)鍵部件對中國實行壟斷，使得中國自主研發(fā)五軸聯(lián)動高端磨床的發(fā)展受阻[4]。一款高端、先進的五軸加工磨床應能在保證加工尺寸精度及復雜輪廓形狀精度的同時，保證加工表面質(zhì)量，達到較高的加工效率且維持較低的加工成本。在加工精度方面，需要提高五軸磨床的定位精度和運動精度；在加工效率方面，需要依靠自動化控制，利用機械手完成坯料自動輸送，同時保證工件單次裝夾就能完成各個工步的加工，獲得成品[5]。

表1 國內(nèi)外主要工具磨床生產(chǎn)企業(yè)及其產(chǎn)品

1.2 數(shù)控系統(tǒng)對比

傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)為國外的封閉式系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)并投入市場，如日本發(fā)那科（FANUC）、德國西門子（SIEMENS）和德國海德漢（HEIDENHAIN）等，修改和擴展控制軟件困難，因此，五軸磨床開放式數(shù)控系統(tǒng)成為重點研究方向之一[6]。還有一些數(shù)控系統(tǒng)由部分數(shù)控機床企業(yè)針對自身機床專門設(shè)計，如瓦爾特、昂科、德馬吉森精機等。表2所示為部分常見數(shù)控系統(tǒng)制造商及型號。

表2 常見數(shù)控系統(tǒng)廠商及型號

機床數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控加工機床的控制中心，是自主研發(fā)高端數(shù)控機床的核心部分。如今，國內(nèi)越來越多企業(yè)開始研發(fā)各類機床的數(shù)控系統(tǒng)，其中也有不少企業(yè)在市場中擁有不錯的口碑，如占領(lǐng)國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)市場的華中數(shù)控，具有較高性價比的廣州數(shù)控，還有航天數(shù)控、沈陽高精等快速發(fā)展的企業(yè)。表3所示為常見的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)。

表3 常見的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的研究進展

五軸聯(lián)動磨床的結(jié)構(gòu)設(shè)計是研發(fā)該設(shè)備的關(guān)鍵問題。因為五軸聯(lián)動磨床具有5個運動軸，五軸聯(lián)動的位置關(guān)系和運動配合要求互不干涉，因而其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有較大的難度。在有限的空間里優(yōu)化各個結(jié)構(gòu)布局，是實現(xiàn)設(shè)備高效、高速加工的前提，因此五軸磨床的工作臺、進給機構(gòu)、上下料機構(gòu)和磨削砂輪等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計尤其重要。

2.1 工作臺結(jié)構(gòu)布局

五軸磨床工作臺是進行工件加工的重要平臺，工作臺的設(shè)計方案會直接影響工件加工的精度和磨床的可加工性。常見的五軸磨床工作臺的結(jié)構(gòu)包括搖臂式工作臺結(jié)構(gòu)、立式工作臺結(jié)構(gòu)、砂輪平動-工件轉(zhuǎn)動工作臺結(jié)構(gòu)、工件平動-砂輪轉(zhuǎn)動工作臺結(jié)構(gòu)。

上述工作臺的結(jié)構(gòu)各有特點，可加工不同類型的工件，可根據(jù)不同的加工要求選擇不同工作臺結(jié)構(gòu)的五軸磨床進行加工。搖臂式工作臺結(jié)構(gòu)復雜，砂輪僅能水平、垂直方向擺動，是一種可滿足多種加工要求但加工精度不高的傳統(tǒng)工作臺布局；立式工作臺結(jié)構(gòu)采用外置支撐臺方式，安裝較簡單且方便后期的維護和檢修，工作臺可以隨加工軸同步轉(zhuǎn)動，提高加工精度，但不適用于磨削力度較大的場合；砂輪平動-工件轉(zhuǎn)動工作臺結(jié)構(gòu)采用內(nèi)置支撐臺方式，故工作臺較小，因而只可加工較短的工件，3個直線軸（X、Y、Z軸）相互垂直，C軸為控制工件臺擺動的轉(zhuǎn)動軸，B軸為控制工件旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動軸；工件平動-砂輪轉(zhuǎn)動工作臺結(jié)構(gòu)由于工作臺較長，在加工較長工件時有較大的優(yōu)勢，砂輪做回轉(zhuǎn)運動因而剛性較低，需增加一些輔助機構(gòu)提高其砂輪剛性。

有不少學者在五軸磨床工作臺方面進行了研究，李朝欽[7]根據(jù)現(xiàn)有工具磨床加工操作不方便等問題設(shè)計了一種采用三坐標軸工作臺的五軸工具磨床，此類工作臺可以做縱向、橫向和垂向運動，具有良好的剛性及穩(wěn)定性。陳寶華[8]探究了五軸磨床工作臺的設(shè)計方案，介紹了常見的工作臺形式，然后針對五軸磨床的特點，改進工作臺的運動方案，最后提出將大理石作為制造工作臺新型材料的方案。崔建昆等[9]對五軸磨床工作臺及其零部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括三直線軸導軌及滑臺等零部件的設(shè)計，通過分析和比較不同工作臺的結(jié)構(gòu)，總結(jié)出較為合理的工作臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。王春燕等[10]對五軸數(shù)控磨床的工作臺連接件進行了研究，利用ANSYS軟件對工作臺連接件分別進行靜力學和動力學分析，在靜力學分析方面，得出連接件的最大變形量為2.23 μm，最大應力為2.1336 MPa，兩者均滿足設(shè)計要求；在動力學方面，利用模態(tài)分析得到連接件各階模態(tài)數(shù)據(jù)圖，其第一階固有頻率遠大于電動機激蕩頻率，滿足設(shè)計要求。然后根據(jù)分析的結(jié)果對工作臺連接件的結(jié)構(gòu)進行6Sigma 優(yōu)化分析設(shè)計，使其達到實際工作的要求。

對于五軸聯(lián)動磨床工作臺及其連接件的設(shè)計，除了需要考慮加工精度的要求，同時還需要考慮磨床整體結(jié)構(gòu)的緊湊性和剛性。設(shè)計的總體方向為不斷提高五軸磨床的加工精度同時，對磨床結(jié)構(gòu)進行精簡，減小整體體積，便于操作。

2.2 進給機構(gòu)

五軸磨床的進給機構(gòu)是改變工件和砂輪相對位置的重要結(jié)構(gòu)，包括直線進給機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)進給機構(gòu)。圖2所示為五軸磨床的進給機構(gòu)[11]，其進給機構(gòu)的移動范圍和移動精度將直接決定五軸磨床的加工能力，進給機構(gòu)一般要滿足較小的進給摩擦力、較高的運動精度和較高的耐磨性。因而對進給機構(gòu)進行研究，確保進給機構(gòu)的精度和工作壽命，有利于提高制造五軸磨床設(shè)備的水平。X 軸、Y 軸、Z 軸、A軸和C軸都為五軸磨床的進給機構(gòu)，其中，X軸、Y軸和Z軸為直線進給機構(gòu)，X軸和C軸為旋轉(zhuǎn)進給機構(gòu)。

圖2 五軸磨床的進給機構(gòu)

五軸磨床進給機構(gòu)的應力情況和位移情況是評判其加工性能的重要指標，因而獲得不少學者的關(guān)注。張耀娟等[12-13]使用SolidWorks 中的仿真模塊分別對五軸磨床的直線、旋轉(zhuǎn)進給機構(gòu)進行了靜力學分析，結(jié)果表明，直線進給機構(gòu)在承受主要外載荷處出現(xiàn)2 MPa 的最大應力值，在機構(gòu)中部位置出現(xiàn)0.01588 μm的最大位移；旋轉(zhuǎn)進給機構(gòu)也在承受主要外載荷處出現(xiàn)最大應力值，B 軸工作臺最大應力達0.3 MPa，C 軸為1 MPa，最大位移則分別在B軸和C軸的中下部和右端出現(xiàn)，其中B 軸最大位移為0.001284 μm，C 軸為0.002884 μm。該結(jié)論為改善五軸磨床重要零部件的可靠性提供了方向。楊克等[4]對五軸磨床X軸的導軌座和滑板座進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，為保證進給的精度，采用單獨的伺服電機傳動，X軸的重復定位精度和直線度為5 μm，定位精度為0.8 μm，各軸垂直度和直線度分別達0.01 mm、0.005 mm。劉遠航[8]對五軸磨床的進給運動系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)液體靜壓支承原理，設(shè)計3個直線軸的液體靜壓支承結(jié)構(gòu)及其相應導軌結(jié)構(gòu)，X軸有效行程為350 mm，零位承載力為3955 N。

圖3 一種自動上下料機構(gòu)

2.3 自動上下料機構(gòu)

自動上下料機構(gòu)是五軸聯(lián)動磨床設(shè)備的輔助加工機構(gòu)，可實現(xiàn)工件坯料和工件成品自動更換，大大提高工作效率，同時減少人工重復進行的單調(diào)操作，降低人力成本。圖3所示為一種自動上下料機構(gòu)[14]，主要包含料盤組件、上下料機械手組件和鎖刀機構(gòu)。料盤組件的作用是裝載未加工工件和已加工成品。不同的料盤型號裝載不同的直徑工件，與機械手的配合位置也不同，因此，為保證準確地與機械手進行工件交接，料盤設(shè)計需要考慮一定的精度。上下料機械手負責完成送料、卸料和換料過程，運行過程中，需要和料盤、磨床進行精確交接。上下料機械手具有多個運動自由度，其運動方式具有一定的復雜性，設(shè)計時應考慮運動精度、位置精度等。鎖刀機構(gòu)用于工件的裝夾，保證在自動上下料過程中，工件不會掉落，完成自動上下料操作。該組件的鎖刀動作一般依靠液壓傳動實現(xiàn)，需要適宜的鎖緊力，既保證工件不會掉落，也不會損壞工件。

雖然自動上下料機構(gòu)是五軸磨床的輔助加工機構(gòu)，但對其進行的研究，可有效提高五軸加工的效率和自動化程度。林陽等[15]設(shè)計了一種適用于五軸聯(lián)動工具磨床的刀具上下料機構(gòu)，完成了料盤、機械手和鎖刀機構(gòu)的設(shè)計，分析了卸刀、換刀和上刀3個重要工序的運動控制過程，利用PLC控制各部件，使得各部件的運動達到精度要求并平穩(wěn)運行。王冬生等[16]設(shè)計了一種陶瓷托輥磨床的自動上下料系統(tǒng)，基于設(shè)計的磨床上下料系統(tǒng)，在軟件對上下料系統(tǒng)進行仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)符合工作要求，可提高工作效率。段閃閃等[17]設(shè)計了一種用于自動上下料的機械手結(jié)構(gòu)，分別對機械手的腰座結(jié)構(gòu)、末端執(zhí)行器進行了設(shè)計，利用步進電機驅(qū)動伺服液壓缸的形式實現(xiàn)機械手的驅(qū)動，可達到一定的運動精度。陳虎等[18]設(shè)計了一種五軸立式自動上下料加工系統(tǒng)，包括有送料、上料機構(gòu)和數(shù)控機床三大部分，送料機構(gòu)沿X/Y軸運動，上料機構(gòu)沿Z軸運動，通過兩者的相互配合實現(xiàn)自動上下料。

2.4 工件輔助支撐機構(gòu)

五軸聯(lián)動工具磨床在磨削較長的刀具時，磨削加工接觸點與刀具裝夾位置的距離過長，會使工件在加工過程中發(fā)生形變和跳動，嚴重影響加工精度。此類工況下，需要工件輔助支撐機構(gòu)為工件提供有效支撐，實現(xiàn)穩(wěn)定、高精度加工過程。圖4所示為工件輔助支撐機構(gòu)示意圖[19]，該機構(gòu)的重要指標是最大支撐尺寸，分為最大支撐直徑和最大支撐長度。支撐機構(gòu)應盡量精簡，降低占用機床的體積，同時避免與磨削砂輪的干涉。

圖4 工件輔助支撐機構(gòu)示意圖

在工件輔助支撐機構(gòu)的研究中，趙春永等[20]針對原支撐結(jié)構(gòu)會損傷工件的問題，將原結(jié)構(gòu)改進成雙支撐輪結(jié)構(gòu)，該機構(gòu)便于裝卸且有效支撐寬度大于30 mm，有效提升了工件的平面度。葛建華[21]對UWIF 五軸磨床的支撐結(jié)構(gòu)進行了改進，增加了支撐機構(gòu)的橫向調(diào)節(jié)功能并闡述其工作原理，改進后的支撐結(jié)構(gòu)制作更容易，提高了實用性。

2.5 磨削砂輪

砂輪是五軸工具磨床中，與零件直接接觸的關(guān)鍵部件，直接影響工件加工質(zhì)量和磨床加工性能。砂輪主要由磨料和結(jié)合劑組成，磨料、粒度、硬度是影響砂輪性能的主要因素，可從這幾個方面考慮砂輪的適用情況。圖5所示為砂輪一般選用原則，根據(jù)加工需求來選用適合的砂輪十分重要，使用合適的砂輪將有效避免砂輪破損的情況，有效降低工件的報廢率。

圖5 砂輪一般選用原則

為適應逐漸提高的磨削要求，需要不同形狀的砂輪，常見的砂輪形狀有平形砂輪、蝶形砂輪和碗形砂輪[22]，圖6 所示為常見的砂輪形狀[14]，不同規(guī)格形狀的砂輪常組合成1個砂輪組。

圖6 常見的砂輪形狀

除了選用合適的砂輪外，對砂輪的磨削性能研究也十分必要。Deng 等[23]使用納秒級的紫外激光束在金剛石晶粒砂輪顆粒的表面上切割微米級的凹槽，如圖7所示，該工藝旨在減小磨粒與工件間的接觸面積，并增加砂輪表面上有效磨削刃的數(shù)量，以改善磨削后工件的表面質(zhì)量。Wang等[24]認為使用金屬結(jié)合金剛石砂輪進行超精密磨削是明智的選擇，實驗結(jié)果表明，金屬結(jié)合金剛石砂輪對復雜零件的小凹面進行超精密磨削加工后，工件的表面粗糙度有所改善，工件磨削過程如圖8所示。

圖7 激光切割后的顆粒形狀

圖8 工件磨削過程的運動鏈

對于具有復雜曲面的工件，常常也需要形狀復雜的專用砂輪進行磨削加工，這使得砂輪的制造及刀具的加工成本大大提高。Wasif等[25]提出一種簡單易行的優(yōu)化磨削砂輪溝槽的方法，使用具有簡單幾何特征輪廓的砂輪替代具有自由幾何形狀的砂輪來加工立銑刀，并為磨削溝槽提供了精確的幾何模型，如圖9 所示[25]。這項工作不僅提高了立銑刀的制造精度，而且減少了具有復雜輪廓的專用砂輪的需求，也降低了生產(chǎn)成本。朱衛(wèi)仁[26]設(shè)計了一種段差用新型砂輪，該砂輪為上寬下窄的蝶形砂輪，砂輪工作層與砂輪基體寬端固定，具有一定的斜角，此類砂輪無需人工手搖出段差，可滿足不同工況下的精度要求。

圖9 砂輪輪廓線

砂輪在磨削加工過程中的磨損會大大影響工件的加工精度和表面質(zhì)量，因而很有必要開發(fā)磨削砂輪磨損的在線檢測系統(tǒng)。母德強等[27]利用誤差分離技術(shù)建立了砂輪輪廓磨損的在線檢測系統(tǒng)，在線測量結(jié)果顯示，砂輪修正后外圓輪廓和磨削達6 mm 的外圓輪廓的均方差分別為0.0302 和0.0076，砂輪磨削后的均方差值若小于給定均方差閾值則被看作鈍化，因而該系統(tǒng)可準確測量砂輪的初始輪廓和鈍化輪廓，對預報鈍化時間和提高加工效率具有實用價值。劉森等[28]利用鈦合金磨削加工時的振動信號和走刀次數(shù)實現(xiàn)對砂輪狀態(tài)的在線監(jiān)測，通過實驗確定振動信號均方根閾值為0.008，走刀次數(shù)閾值為11，并基于此用Labview 設(shè)計了砂輪磨損監(jiān)測軟件，該軟件實現(xiàn)了砂輪磨損時磨床能夠自動停機和報警的功能。Krishnan 等[29]建立了隱馬爾可夫模型（HMM，Hidden Markov Model），利用磨削過程中捕捉到的聲發(fā)射（AE）信號來預測自動進給表面磨削過程中的砂輪狀態(tài)，將砂輪分為“鋒利”、“中等鋒利”和“磨損”3種狀態(tài)，每種狀態(tài)對應不同的HMM 模型，在用于測試的117 個序列中，根據(jù)砂輪狀態(tài)正確分類了110 個序列，只有7 個序列被錯誤分類，這證明了HMMs 對砂輪狀態(tài)有優(yōu)秀的預測能力。

3 五軸磨床數(shù)控系統(tǒng)的研究進展

五軸磨床的數(shù)控系統(tǒng)是整個磨削加工過程的“控制中樞”，是各個工步緊密配合、實現(xiàn)復雜工藝的關(guān)鍵。除了實現(xiàn)高效、高精度加工外，數(shù)控系統(tǒng)還要求有較低的學習成本，可減少培訓學習數(shù)控軟件的時間，降低加工誤操作的次數(shù)，從而提高企業(yè)加工效率及降低制造成本。五軸數(shù)控系統(tǒng)相較于一般的機床數(shù)控系統(tǒng)，其開發(fā)難度大、研發(fā)成本高。目前主流的五軸數(shù)控系統(tǒng)主要來自德國、日本等國家的廠商，但是近年來，也不斷有國產(chǎn)五軸數(shù)控系統(tǒng)的推出，漸漸填補了國產(chǎn)五軸數(shù)控系統(tǒng)的空白。

開放式數(shù)控系統(tǒng)（ONC, Open Number Control）是可以讓不同應用軟件兼容運行，具有標準的軟件用戶界面，提供相關(guān)功能工具的系統(tǒng)[30]。表4 所示為2 種主要的數(shù)控系統(tǒng)[31]。

表4 2種常見數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)一般由數(shù)控硬件系統(tǒng)和數(shù)控軟件系統(tǒng)組成，軟件部分有用戶接口模塊、開放式數(shù)控應用系統(tǒng)、數(shù)控應用驅(qū)動包、數(shù)控接口模塊；硬件部分有伺服控制塊和驅(qū)動裝置[32]。各個模塊負責不同的功能，其中，數(shù)控接口模塊實現(xiàn)與硬件部分與軟件部分的連接，是軟硬件連接樞紐。一個好的數(shù)控系統(tǒng)，一定是易于操作和學習的，而用戶接口模塊就是實現(xiàn)人機交流的重要窗口。

有關(guān)數(shù)控系統(tǒng)的研究中，Rowe[33]早在1996年就提出將智能技術(shù)應用于計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNCs），Adam 等[34]則對先進加工數(shù)控技術(shù)進行了綜述，描述了數(shù)控系統(tǒng)在先進制造中的應用。

目前，開放性和智能化是計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNCs）的發(fā)展趨勢，Liu等[35]設(shè)計了一種基于Windows、TwinCAT（自動化技術(shù)）和.NET的多軸機床開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖10所示為基于TwinCAT 和.NET 的多軸機床開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[35]，其中TwinCAT（自動化技術(shù)）和.NET分別執(zhí)行實時任務(wù)（如插值、實時刀具補償?shù)龋┖头菍崟r任務(wù)（如代碼解釋器、離線刀具補償?shù)龋?，且這兩類任務(wù)中的數(shù)據(jù)之間可以快速交換，該結(jié)構(gòu)有效提高了數(shù)控系統(tǒng)的開放性、可擴展性和效率。

圖10 基于TwinCAT和.NET的多軸機床開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Xu 等[36]研究了基于PC 和運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)計了一個同心環(huán)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)管理軟件開發(fā)模型并基于該模型開發(fā)了高度集成，低耦合的系統(tǒng)管理軟件；最后采用基于運動控制器二階插值的算法、三次b樣條曲線和弦分割插值算法進行粗插值，通過實際應用后證明該數(shù)控系統(tǒng)可有效運行。為提高開放式CNC 系統(tǒng)的加工速度和精度，Li 等[37]將EtherCAT 技術(shù)應用到開放式數(shù)控系統(tǒng)中，詳細描述了Ether-CAT 的相關(guān)設(shè)計，采用雙處理器的硬件結(jié)構(gòu)和層次化、模塊化的軟件設(shè)計，最后通過工件加工實驗驗證了數(shù)控系統(tǒng)的性能。Correa等[38]開發(fā)了一種通用的、開放的體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可用于開源電子數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計并提供了具體的實驗信息，實現(xiàn)更多計算資源、更平穩(wěn)的運動和更大進給量的CNC 系統(tǒng)。楊欣雨等[39]基于運動與自動化通用控制器（UMAC，Universal Motion and Automation Controller）和.NET 平臺，設(shè)計了五軸磨床數(shù)控系統(tǒng)及軟件，該軟件能進行系統(tǒng)用戶個性化管理和參數(shù)調(diào)節(jié)等實用性操作。有關(guān)機床開放性數(shù)控系統(tǒng)的研究越來越多，要達到開放性的要求，就必須考慮數(shù)控系統(tǒng)的兼容性和擴展性，保證研究的數(shù)控系統(tǒng)達到一定的精度要求和加工速度要求，此外，也有必要對數(shù)控系統(tǒng)容易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)進行研究。羅靜等[40]在分析了大量的故障數(shù)據(jù)之后，借助重要性測度模型確定伺服驅(qū)動系統(tǒng)為數(shù)控系統(tǒng)的薄弱子系統(tǒng)，通過JAVA程序運行結(jié)果，判斷出伺服驅(qū)動系統(tǒng)中的電動機為主要薄弱部件，這種遞進式的診斷方法能較為全面地分析故障原因且能精確到具體部件。

4 五軸磨床檢測系統(tǒng)的研究進展

4.1 機床狀態(tài)檢測系統(tǒng)

在實際生產(chǎn)加工中，數(shù)控機床的可靠性是重點關(guān)注的指標，尤其在大批量生產(chǎn)過程中，因為機床的可靠性，對生產(chǎn)效率、成本和產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。一旦機床發(fā)生了故障，導致大批量的生產(chǎn)中斷或不能生產(chǎn)符合條件的產(chǎn)品，其損失不僅在于零部件更換和機床維修，更多的是生產(chǎn)停滯、不能如期交貨等方面的損失。因此，在機床發(fā)生故障前就對故障發(fā)生做出預判非常重要，這就需要在機床上應用機床狀態(tài)檢測系統(tǒng)。

近年來，越來越多的學者開始從事機床狀態(tài)檢測系統(tǒng)的研究。沈捷[41]認為CTM 系統(tǒng)是一種較為有效的機床狀態(tài)檢測系統(tǒng)，可以為機床生產(chǎn)運行時，提供故障預判，及時向工作人員提示機床狀態(tài)，盡早對機床進行檢修。機床檢測系統(tǒng)可根據(jù)不同的方法進行構(gòu)建，Li等[42]提出了一種具有4層結(jié)構(gòu)的CPS 數(shù)控加工過程智能檢測平臺，圖11 所示為數(shù)控機床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了對數(shù)控機床的實時監(jiān)控和三維顯示，即設(shè)備運行狀態(tài)可通過監(jiān)控界面顯示，在第一時間得到故障信息并傳遞給相關(guān)技術(shù)人員。

圖11 數(shù)控機床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

Jia 等[43]基于進給驅(qū)動系統(tǒng)動力學的統(tǒng)計特性提出了一種針對機床進給驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)的檢測方法。在這種方法中，根據(jù)進給驅(qū)動系統(tǒng)加速或減速運動情況，由慣性產(chǎn)生的自由振動響應來估算模態(tài)參數(shù)，分析其動力學的長期統(tǒng)計特性，并進一步研究了它們對加工過程的影響。結(jié)果表明，模態(tài)參數(shù)的方差隨螺桿磨損的增加而增大，這將顯著加快刀具的磨損速度。因此，可通過模態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計特性來精確地監(jiān)視機床進給驅(qū)動系統(tǒng)的運行狀況。Goyal等[44]提出了一種旋轉(zhuǎn)機械元件狀態(tài)監(jiān)測的非接觸式傳感器優(yōu)化配置（NC-OSP）方法，以獲得與機床動態(tài)特性相關(guān)的有效信息，該測量系統(tǒng)如圖12所示[44]。實驗結(jié)果表明，特征頻率的FFT 振幅和時域RMS 值是控制響應參數(shù)最有效的輸入變量，其次是軸速度、載荷和入射角。最優(yōu)模型提出的響應在入射角為8°時達到最大負載和速度，該結(jié)果已通過實驗驗證，可利用RSM跟蹤非接觸式傳感器的位置，用于軸承狀態(tài)監(jiān)測以及其他復雜的機器。

圖12 非接觸式測量系統(tǒng)

Verl 等[45]認為可以通過應用無傳感器自動狀態(tài)監(jiān)視（SACM）來減少機床系統(tǒng)的停機時間，其測量原理如圖13所示[45]。這種方法基于位置控制驅(qū)動器中的位置、速度和電機電流等可用的信號，開發(fā)和測試新的SACM 算法。該算法是基于將機床當前的特征參數(shù)與全新機床的默認參數(shù)進行比較，實現(xiàn)機床狀態(tài)的自動檢測。Xing 等[46]提出了一種基于體積誤差（VE）、矢量相似性（VSM）和指數(shù)加權(quán)移動平均（EWMA）控制圖的機床精度狀態(tài)監(jiān)測方案，通過模擬機床誤差數(shù)據(jù)和機床測試來驗證監(jiān)測方案的有效性，結(jié)果表明，VSMs 能有效地提取VEs 的特征，而VE 是對監(jiān)測機床精度狀態(tài)有意義的量，可以反映機床誤差引起的精度變化。

圖13 測量裝置原理

隨著相關(guān)傳感器和芯片的發(fā)展，機床狀態(tài)檢測系統(tǒng)發(fā)展也很迅速。目前的研究主要關(guān)注機床故障的檢測方法及其優(yōu)化，未來的研究方向應關(guān)注故障的早期檢測，使檢測系統(tǒng)能顯示較完整的故障信息并提供解決方案。

4.2 在線檢測系統(tǒng)

高精密數(shù)控機床設(shè)備具高精度、高效率的優(yōu)點，有賴于數(shù)控機床在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展，因為在數(shù)控機床上應用機床在線監(jiān)測系統(tǒng)，用計算機監(jiān)測程序替代傳統(tǒng)使用人力進行檢測的方式，在提高數(shù)控機床加工效率的同時可降低人力成本。在線監(jiān)測系統(tǒng)是一種借助計算機系統(tǒng)，對監(jiān)測對象進行實時監(jiān)測并分析做出響應的監(jiān)測系統(tǒng)[47]。五軸聯(lián)動磨床作為一種具有高精度、高性能的先進加工設(shè)備，也需要自主研發(fā)適用的在線監(jiān)測系統(tǒng)，進一步提高其加工能力和加工效率。

4.2.1 在線檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)一般有2 類，一是只利用程序，使用時直接調(diào)用需要的基本宏程序；二是需借助計算機且根據(jù)需要開發(fā)宏程序庫[47]。表5所示為數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各結(jié)構(gòu)的功能[47]。數(shù)控機床的在線檢測是系統(tǒng)內(nèi)各部分各司其職，共同實現(xiàn)的，各個部分缺一不可，相互影響，只有各個部分都有滿足要求的運行狀態(tài)，才能加工出符合加工要求的工件。

表5 在線檢測各組成部分的功能

4.2.2 在線檢測系統(tǒng)原理

零件的在線檢測一般借助計算機輔助實現(xiàn)，計算機向機床數(shù)控系統(tǒng)輸出檢測主程序，數(shù)控系統(tǒng)接收計算機的程序指令后，驅(qū)動測頭測量零件，測量結(jié)果經(jīng)轉(zhuǎn)換器又傳回數(shù)控系統(tǒng)，計算機提取數(shù)控系統(tǒng)中的測量結(jié)果，經(jīng)過分析、計算和補償?shù)?，得出測量最終結(jié)果[48]。圖14 所示為一種檢測零件的流程。

圖14 零件檢測的一般流程

得到零件的測量結(jié)果后，計算機需要對該結(jié)果進行判斷，若滿足加工需求，則不需要繼續(xù)加工該零件；若此次加工未能達到加工要求，則需要再次進行加工。

在線檢測系統(tǒng)的研究中，聲發(fā)射技術(shù)是應用于檢測系統(tǒng)的一種常見且有效的技術(shù)。Zhao 等[49]為提高磨削過程的安全性和高效性，利用聲發(fā)射（AE）技術(shù)實現(xiàn)了各種磨削狀態(tài)的檢測，基于支持向量機（SVM）設(shè)計了磨削狀態(tài)分類裝置，實現(xiàn)了磨削狀態(tài)的在線智能檢測。馬豪等[50]使用數(shù)字信號處理芯片（DSP）、ARM處理器和聲發(fā)射（AE）傳感器，設(shè)計了一種磨床實時檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖15所示，通過聲信號的實時采集和顯示，實現(xiàn)對磨床加工的控制，通過對軸承進行完整地磨削試驗，驗證了該系統(tǒng)對磨削過程有很好的監(jiān)控作用和兼容性，能適配國內(nèi)大多數(shù)數(shù)控磨床。

朱健等[51]設(shè)計了一種針對可轉(zhuǎn)位刀片尺寸測量的在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可對工件尺寸進行測量，還可對工件裝夾位置進行測量，通過專用的測頭對工件進行接觸式測量后將測量數(shù)據(jù)導入系統(tǒng)的計算模塊，借助PLC 實現(xiàn)對工件的自動測量和分析計算，在線測量誤差不超過5 μm。盧玉成[52]提出一種刀具在線測量的方法，如圖16所示，在磨削刀具時，對刀尖的縱向位置、刀體螺旋槽、刀具直徑等進行測量，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算得出刀具的加工參數(shù)，生成刀具加工程序，實現(xiàn)對刀具的自動測量和修磨。

圖15 磨床實時監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖16 刀具修磨參數(shù)測量

為了提高制造過程的高效率和高質(zhì)量，數(shù)控機床具備工件自動定位和測量的功能是當前的發(fā)展趨勢。由于傳統(tǒng)的工件測量是接觸式測量，難免會對工件造成一定的損傷，因此，利用3D掃描技術(shù)實現(xiàn)工件的非接觸式測量受到更多的關(guān)注。Chang等[53]開發(fā)了一套利用灰碼結(jié)構(gòu)光輔助數(shù)控機床工件在線定位的3D掃描系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能使數(shù)控機床有效降低工件的定位時間。徐淑婷[54]利用線激光設(shè)計了一種非接觸式的數(shù)控機床在機測量系統(tǒng)，其無線采集模塊如圖17 所示。該系統(tǒng)可收集測量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預處理和轉(zhuǎn)換坐標系，基于Labview 使用G 語言設(shè)計了在機數(shù)據(jù)采集與處理的軟件，經(jīng)實驗得知，線激光在機測量原始數(shù)據(jù)冗余且精度不高，數(shù)據(jù)點達32000 個，坐標系轉(zhuǎn)換最大誤差為1.730 mm，在優(yōu)化處理后，數(shù)據(jù)點降至16050 個，最大誤差降為0.168 mm，很大程度地提高了數(shù)據(jù)的精簡性和精確度。

圖17 測量系統(tǒng)無線采集模塊

4.2.3 數(shù)控機床在線檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）滿足個性化需求、實現(xiàn)智能化制造。個性化包括操作個性化和加工個性化，個性化操作更注重人的選擇，降低操作難度；加工個性化是滿足更多具有個性化的需求，對于小批量的產(chǎn)品依舊保持較高的加工效率。而智能化是發(fā)展的大趨勢，目前人工智能（AI）發(fā)展迅速，利用AI可以提高數(shù)控檢測技術(shù)的檢測能力，實現(xiàn)機床診斷-修復智能化。

（2）與網(wǎng)絡(luò)緊密連接，提高系統(tǒng)開放性。如今5G發(fā)展進入快車道，勢必會大大提高在線檢測系統(tǒng)的性能，利用5G的特點，可對機床實行遠端操控等先進控制方式。更加開放的數(shù)控系統(tǒng)，可以根據(jù)需求，對數(shù)控系統(tǒng)進行優(yōu)化，滿足編程、操作等需求。

（3）技術(shù)更加統(tǒng)一化。如今的在線檢測系統(tǒng)五花八門，各個廠商獨立工作，缺乏技術(shù)間的結(jié)合與聯(lián)系。在這個“萬物互聯(lián)”的時代，只有各類檢測系統(tǒng)的技術(shù)趨于統(tǒng)一化，提高檢測技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的兼容性，才能更大程度推廣和發(fā)展在線檢測系統(tǒng)技術(shù)。

5 五軸磨床磨削工藝的研究進展

5.1 直接驅(qū)動技術(shù)

直接驅(qū)動技術(shù)是指將力矩電機直接與機床主軸連接，電機直接驅(qū)動機床主軸，實現(xiàn)對負載的直接驅(qū)動，完成執(zhí)行部件的工作[55]。傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動方式是電機通過一系列機械傳動元件（齒輪組、蝸輪蝸桿和聯(lián)軸器等）將動力傳給主軸，使主軸轉(zhuǎn)動。如今，直接驅(qū)動技術(shù)廣泛應用于各類數(shù)控機床中，而五軸聯(lián)動磨床采用直接驅(qū)動技術(shù)，可替代傳統(tǒng)的使用機械傳動裝置的傳動方式，使結(jié)構(gòu)更加精簡的同時，提高傳動精度和降低傳動響應時間。

直驅(qū)技術(shù)在應用時也需關(guān)注一些接口問題，丁云飛等[56]提出五軸磨床上應用直驅(qū)技術(shù)時的接口問題，并以KBM力矩電機為例講述了直驅(qū)技術(shù)的優(yōu)勢，闡述了直驅(qū)技術(shù)的應用，有效提升了傳動速度和傳動精度，且大大降低制造成本。陳寶華[57]分析了直驅(qū)技術(shù)在五軸數(shù)控磨床上的應用特點時，同樣提到其接口問題，他認為直驅(qū)技術(shù)連接的溫度需額外關(guān)注，包括溫度傳感連接和冷卻連接，溫度的過冷或過熱都會嚴重影響加工的精度。胡秋等[58]設(shè)計了一種采用直驅(qū)技術(shù)驅(qū)動的精密回轉(zhuǎn)工作臺，這類工作臺可廣泛應用于各種多軸聯(lián)動、超精密機床且系統(tǒng)精度達2.5"，該研究總結(jié)了直驅(qū)式回轉(zhuǎn)工作臺的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計方案，對采用直驅(qū)技術(shù)的相關(guān)設(shè)計具有一定的參考價值。

若使用力矩電機直接驅(qū)動主軸，五軸磨床的主軸可實現(xiàn)無級變速，由于不存在齒輪等傳動元件，故沒有傳動元件的磨損問題，這大大提高了五軸磨床的可靠性和耐用性。直驅(qū)技術(shù)在五軸磨床上的廣泛應用，簡化了五軸磨床的結(jié)構(gòu)，不僅提高了五軸磨床的使用壽命和加工效率，而且大大降低了五軸磨床研發(fā)制造的難度。

5.2 多工步加工的后置求解方法

五軸聯(lián)動磨床往往需要多個工步才能完成對刀具的加工，這個過程涉及砂輪自動更換，易產(chǎn)生砂輪位置與刀位相互干涉的問題。因此，需要對五軸聯(lián)動磨床進行多工步后置處理，得到有效的后置求解方法，使五軸磨床在實際加工中可以流暢、高效運行。一臺五軸數(shù)控工具磨床一般有多個砂輪且若干個砂輪為一個砂輪組，可用不同類型的砂輪（平行砂輪、蝶形砂輪和碗形砂輪）作為一個組合。

要得到有效的后置求解方法，首先要定義砂輪組的安裝位置和安裝方向，除此之外，還要求工件坐標和機床坐標相互統(tǒng)一。圖18 所示為一種磨床砂輪庫，針對不同的工件，高效合理地調(diào)用砂輪庫內(nèi)的砂輪組對工件進行加工。高效的后置求解方法是程序指令與機床設(shè)備緊密聯(lián)系的重要一環(huán)。

圖18 一種磨床砂輪庫

在五軸數(shù)控加工后置求解的研究里，范清華[59]以一臺五軸聯(lián)動加工中心加工渦輪葉片為例，研究五軸數(shù)控加工后置處理的實現(xiàn)方法，他認為在得到旋轉(zhuǎn)軸的配置關(guān)系后，再結(jié)合機床實際結(jié)構(gòu)，也可有效得出其他雙轉(zhuǎn)臺機床的后置處理方法。李樂[60-61]對五軸工具磨床的后置求解研究中，在對五軸數(shù)控加工后置處理方面進行大量的調(diào)研后，得到五軸磨床運動量在不同坐標系下的統(tǒng)一求解，并設(shè)計了磨床后置處理軟件。劉明明[62]對五軸磨床進行平動運動求解和旋轉(zhuǎn)運動求解后，結(jié)合加工的刀位數(shù)據(jù)，得出磨床后置處理的算法和程序，實現(xiàn)對五軸磨床的后置處理。張?zhí)值萚63]通過建立機床運動創(chuàng)成函數(shù)，求解得出各旋轉(zhuǎn)軸和平移軸的運動量，完成從機床到工件的坐標系轉(zhuǎn)換，從而得到五軸工具磨床后置處理算法，提高了五軸工具磨床后置處理的通用性。

6 結(jié)束語

五軸聯(lián)動工具磨床等高精密加工設(shè)備的研發(fā)代表著一個國家制造生產(chǎn)能力，擁有自主研發(fā)的高水平五軸聯(lián)動工具磨床設(shè)備，可打破工業(yè)生產(chǎn)中的許多桎梏。本文介紹了國內(nèi)外五軸聯(lián)動工具磨床研究現(xiàn)狀，對國內(nèi)外五軸磨床主要廠商產(chǎn)品和數(shù)控系統(tǒng)進行了對比分析；并介紹了五軸工具磨床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和功能、數(shù)控系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)以及磨削工藝的研究進展。得出主要結(jié)論如下。

（1）國內(nèi)外五軸磨床研究現(xiàn)狀方面，全球范圍內(nèi)著名的五軸磨床設(shè)備制造商主要在德國、瑞士和澳大利亞等國家，國內(nèi)也有臺州北平機床、武漢機床廠和大連科德數(shù)控等公司有制造五軸磨床的能力，在加工精度和效率等方面與國際領(lǐng)先水平仍有一定差距。

（2）在五軸磨床關(guān)鍵結(jié)構(gòu)研究進展方面，介紹了五軸磨床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如工作臺、磨削砂輪等，并敘述了相關(guān)的研究進展。五軸磨床工作臺、砂輪、進給機構(gòu)和自動上下料等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究大多基于實際應用問題，提出改進方案或創(chuàng)新設(shè)計，有助于認識五軸磨床相關(guān)結(jié)構(gòu)和對其進行研究設(shè)計。

（3）在五軸磨床數(shù)控系統(tǒng)研究進展方面，介紹了數(shù)控系統(tǒng)的類型和組成，羅列了國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)的代表型號和主要性能。目前，許多學者針對數(shù)控系統(tǒng)的開放性做了相關(guān)研究，分別基于不同的運動控制器（如UMAC 等）和平臺（Windows、.NET等）開發(fā)開放性數(shù)控系統(tǒng)。未來對于開放性數(shù)控系統(tǒng)的研究應該更加注重兼容性和擴展性，而數(shù)控系統(tǒng)的運行速度和加工精度要繼續(xù)提升。

（4）在檢測系統(tǒng)研究進展方面，闡述了機床檢測系統(tǒng)功能對生產(chǎn)的作用，包括機床狀態(tài)檢測和工件檢測兩方面。在機床狀態(tài)檢測方面，目前的研究主要關(guān)注機床故障的檢測方法及其優(yōu)化，未來研究的方向應要關(guān)注故障早期的檢測，現(xiàn)實故障信息的完成顯示并可提供相關(guān)解決方案。在工件檢測方面，許多學者利用AE技術(shù)來設(shè)計檢測系統(tǒng)。對于非接觸式的工件測量系統(tǒng)，如基于3D結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)的測量系統(tǒng)的研究還較少，應加以研究，提高工件定位精度和速度，避免工件的測量損傷。

（5）在五軸磨削工藝研究進展方面，主要介紹了直接驅(qū)動技術(shù)在五軸磨床中的應用和五軸磨床后置求解方法。五軸磨床應用了直驅(qū)技術(shù)具有許多優(yōu)勢，但在應用時還需關(guān)注接口問題，該問題的優(yōu)化仍需進行更多的研究。目前已有關(guān)于五軸磨床后置處理的求解過程和方法的研究并提出后置處理的研究建議，但有關(guān)后置處理軟件的設(shè)計及其兼容性和拓展性的研究還較少。

五軸聯(lián)動磨床憑借其高精度、高加工性能等優(yōu)異特點，可以順應復雜刀具等工件的加工需求，在高端制造業(yè)有廣闊的前景。目前，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及5G正在迅速發(fā)展，將大范圍帶動周邊產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展，未來五軸聯(lián)動工具磨床的發(fā)展應尋求與上述產(chǎn)業(yè)的有效結(jié)合方式，促使五軸磨床向智能化、信息化方向發(fā)展，為先進制造業(yè)的發(fā)展打一劑強心針。