解析多軸多刀數控技術研究進展

張現磊

隨著中國工業、軍事工業的快速發展，對于數控技術提出了新的要求。當前，多軸多刀數控技術已經成為工業生產的前沿科技領域。通常而言，多軸多刀數控技術指的是具有四軸以上、兩把以上刀具的數控加工技術。在當前，這種數控技術的研究方興未艾。在本文中，筆者結合自身的理論知識，首先分析了多軸多刀數控技術的基本原理，然后分析了該數控技術的設備、程序編制等。

一、多軸多刀數控技術的基本技術原理

多軸多刀數控技術的最直接，同時也是最有效的載體是多軸數控加工中心，這個數控加工中心主要包括數控裝置、輸入裝置和伺服裝置等。多軸多刀數控技術的基本技術原理是：把數控機床中的數控裝置、伺服裝置和工藝參數等，轉換成數字信息，然后以編成相應的程序代碼輸入到機床控制系統之中，由控制系統負責處理這些程序代碼，最后安裝伺服系統的指令完成控制機床各個部件協調的動作，完成各種零部件的加工生產。

二、多軸多刀數控技術的設備

在數控機床產業界來說，在世界范圍內，美國、德國和日本等國家在復合加工機床、數控機床與工業機器人、并聯機床和數控加工刀具的結合方面的研究成果比較大。其中，德國的DS公司、意大利的COMAU等公司研發的平動機床，等都是當前世界上比較先進的并聯機床。

而對于中國的數控機床的發展來說，隨著改革開放經濟的快速發展，也有了30多年的跌宕起伏的發展史，當前已經進入到了成熟時期。在世紀之處的幾年例，中國金屬切削機床的產量的粘平均增長率達到了19%左右，而同時期的數控機床的產量更是比同期提高了33個百分點，由此可以看出，數控機床的增長速度要比金屬切削機床的增長速度快。

當前，中國還是新興的數控機床市場國家，其它的國家比如韓國等，以及中國的臺灣地區也是新興的數控機床市場，在這些國家和地區，多軸多刀數控機床的生產方面具備很強的實例，而且市場相當廣闊。比如中國的廣州數控、北京機床廠、大連機床廠等，以及韓國的斗山數控，在數控系統、多軸多刀數控機床方面均有了技術比較先進的產品，有效滿足了所在地區工業生產的需要。但是這些新興市場國家在高端多軸多刀數控機床研究方面卻無法與傳統的數控機床技術研究強國相比，比如沒有的辛辛那提公司、德國的西門子公司和日本的FANUC公司等。

在1990年，中國的燕山大學研制出了中國的第一臺并聯機器人實驗樣機，而七年之后，東北大學研制出中國的第一臺平移自由度并聯機床樣機。一年之后，也就是在1998年，清華大學和天津大學共同研發出并聯機床VAMTIY。這些數控機床設備主要以提高加工的精度為主要的設計目標，同時也能夠應用于其他的葉片類、大型模具等復雜曲面零件的加工生產，其中，具有自主知識產權的當屬大型龍門式五軸聯動混聯機床。

三、多軸多刀數控機床的程序編制

從形式上來分類，多軸多刀數控技術主要分為三種：第一種是手動編程，第二種是自動編程，第三種是仿真技術。

手動編程。多軸多刀數據編程的缺點是顯而易見的，比如編程的速度比較慢、不能用于復雜結構零件的編程、編程的耗時比較長等。不過，應當注意的是，手動編程也具有程序短小、可修改性非常強和可用標準參考方程曲線等優勢，比如拋物線、擺線等。該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環球市場信息導報》雜志http：//www.ems86.com總第539期2014年第07期-----轉載須注名來源現階段，很多多軸多刀的加工手法都是應手動編程來完成的，比如圓周上鉆等。下面筆者將通過一個實例來介紹手動編程程序：

#1=60

#2=7

#3=2

#4=2.3398823/180

#5=21

#6=23

While#4LE#3

#7=360/#6*[#4-7]*#2

#8 = #2* COS（ #4）#11 = #2* SIN（ #4）

G88G89G90X[#18]Y[#8]Z[#6]R[#7]F300

#5= #5+ 1

ENDW

G120

G91G28Z1

M15

M30

自動編程。通過上文中的分析，我們知道手動編程具有容易出錯、不適用于復雜零件編程的缺點，而且編程的工作量也比較大，但是應用了計算機技術的自動編程，由于具有編程速度快等優勢，受到業界的廣泛歡迎。當前，越來越多的企業認識到，自動編程技術具有高精度、該效率等特點，不僅可以應用于復雜零件的編程，而且性能也比較高。但是，當前由于技術條件的限制，這種編程技術要想真正發揮其性能，還需要性能優良的CAD/CAM軟件。

現階段，中國國內應用比較廣泛的CAD/CAM軟件主要包括：Pro/ENGINeer、UG和CATIA軟件等。這些軟件普遍應用于工作站或者微機平臺上。但是這些軟件的價格通常比較昂貴，因此在一定程度上限制了該技術的應用和推廣。

隨著我國經濟技術的快速發展，我國的CAD/CAM技術取得了比較大的進步，比如高華CAD等，相比國外的技術軟件，這些軟件的價格相對來說比較便宜，因此符合我國的基本國情，從而占領了大年的大部分市場份額。由此我們也可以看出，我國在這方面的發展，無論從技術研究水平，還是從市場推廣方面來說，都與西方發達國家有著不小的差距。

國外的CAD/CAM技術軟件出現的時間比較早，而且研發和利用的時間相對來說比較長，比如UG等公司都是CAM行業的領軍企業，生產的都是世界范圍內的頂級差異，可高效仿真刀具和機床的運動。當前，這些公司的產品在我國已經占領了一部分的市場份額。因此，無論從技術研發角度，還是從市場開發層面看，我國的CAD/CAM軟件的前景都不是特別的樂觀，特別是在五軸數控機床研究方面，中國的企業做的還不是很好，存在不少的問題和缺陷等。

自動仿真技術。數控加工生產中的仿真技術是利用計算機軟件來模擬數控加工生產的過程，然后把加工過程和結構通過數字、圖形和圖表等方式展示出來，通過計算機展示出來，從而為人們的判斷、驗證和控制加工過程提供合理的方法。現階段，數控加工仿真技術主要包括兩個方面，一是幾何仿真技術，二是力學仿真技術。

當前，雖然主流的三維軟件均有三維仿真功能，但是由于多軸加工生產具有復雜性的特征，所以無法徹底消除零件與刀具、刀具與工作臺等之間的碰撞，其控制方法和技術還有待完善。

多軸多刀數控技術的發展趨勢。 多軸多刀數控技術的發展趨勢主要表現在以下幾個方面：首先，高精度與高速度；其次，高柔性化與復合化；再次，多功能化；第四，智能化；第五，自動仿真技術。通盤考慮干涉、避讓檢查等約束條件，結合幾何仿真與力學仿真技術的自動仿真技術。

多軸多刀數控機床技術屬于高科技前沿科技領域，現階段，中國在這方面的研發水平和市場推廣做得還不是很好。但是，其成為數控技術的發展方向所在，因此必須重視這方面的研發。在文本中，筆者從多軸多刀數控技術的概念、基本技術原理和設備、數控編程等方面對其做了系統的分析。

（作者單位：山東華宇工學院）