五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床的研制與應(yīng)用

凌秉達(dá)

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361006）

0 引言

在金屬切削加工領(lǐng)域，普通高速鋼刀具和焊接式硬質(zhì)合金刀具將逐漸被整體硬質(zhì)合金刀具和各種可轉(zhuǎn)位刀片所替代。與傳統(tǒng)高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具具有硬度高、脆性大等特點(diǎn)，因而對(duì)于工作曲面形狀較為復(fù)雜的硬質(zhì)合金刀具，利用傳統(tǒng)加工方法一般難以滿足要求，需要采用數(shù)控工具磨床來進(jìn)行加工［1］。

數(shù)控工具磨床，特別是多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床是高效、高質(zhì)量磨削制造精密、復(fù)雜形狀刀具的關(guān)鍵設(shè)備，與數(shù)控銑削和車削相比，多軸工具磨削加工對(duì)編程系統(tǒng)的要求更高，特別是需要控制砂輪與工件接觸和所要求的工件精度標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。數(shù)控工具磨床也是各類數(shù)控機(jī)床中結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、自動(dòng)化程度高、精度和可靠性要求高的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品，其研究開發(fā)具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床是目前業(yè)界公認(rèn)的精度和可靠度要求極高的工具機(jī)，目前全球也只有為數(shù)不多的廠商有此研發(fā)生產(chǎn)能力。廈門金鷺特種合金有限公司在引進(jìn)消化國外先進(jìn)數(shù)控工具磨床生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，突破了關(guān)鍵核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該種設(shè)備的國產(chǎn)化，所研制的樣機(jī)的加工性能經(jīng)測試達(dá)到了國外同類先進(jìn)機(jī)床的水平。

1 工具磨床主要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 磨床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)方案

通過對(duì)國內(nèi)外機(jī)床工作臺(tái)的典型結(jié)構(gòu)分析后發(fā)現(xiàn)，一般層疊式工作臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，而立柱式工作臺(tái)可以使剛度得到較好的保證。圖1為三坐標(biāo)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)方案，它綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)［2］。該方案布局合理，占用空間小，是比較合理的工具磨床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)。其中X軸、Y軸和Z軸的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直，帶動(dòng)砂輪的聯(lián)動(dòng)進(jìn)給和砂輪的更換和對(duì)刀；C軸是旋轉(zhuǎn)軸，控制工作頭的擺動(dòng)；A軸是工作頭，控制刀具的旋轉(zhuǎn)角度；U軸是輔助軸，用于X/Y軸的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)充；其中X軸、Y軸、Z軸、C軸和A軸是聯(lián)動(dòng)軸，用程序控制砂輪組和刀具的相互運(yùn)動(dòng)位置，從而實(shí)現(xiàn)刀具的一次性磨削加工。各軸的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工具磨床三坐標(biāo)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)方案

1.2 砂輪主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

砂輪主軸采用電主軸結(jié)構(gòu),電主軸將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體，主軸由內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去了皮帶、齒輪、聯(lián)軸器等中間變速和傳動(dòng)裝置，其主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動(dòng)、停止的響應(yīng)特性，有利于控制振動(dòng)和噪聲；利用交流變頻技術(shù)，電主軸可以在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。

1.3 棒料輔助支撐機(jī)構(gòu)

采用自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)時(shí)，棒料的前端跳動(dòng)量會(huì)較大，經(jīng)常不能滿足刀具的加工要求。而且砂輪對(duì)棒料進(jìn)行磨削時(shí)，在磨削力的作用下，棒料會(huì)有較大的撓曲變形，影響刀具的加工精度。通過增加輔助支撐后，撓曲變形減小了，刀具棒料的跳動(dòng)值下降，磨削系統(tǒng)剛性也得到了較大的提升。利用三維建模軟件SolidWorks工具磨床進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)后，其裝配模型外觀如圖3所示。

圖2 棒料輔助支撐機(jī)構(gòu)

圖3 數(shù)控工具磨床模型整體外觀圖

2 磨床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)控硬件系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)采用基于瑞士NUM AG集團(tuán)出品的高階控制器Flexium68系列產(chǎn)品。Flexium系統(tǒng)應(yīng)用先進(jìn)的處理器來裝備了最新的NC內(nèi)核，因此擁有更多的MIPS指令；更多的內(nèi)存空間，NC內(nèi)存可達(dá)60MB以上，PLC內(nèi)存可達(dá)1 000 MB以上；采用標(biāo)準(zhǔn)化的通訊如CAN、以太網(wǎng)等總線控制方式；可控制多軸（多于200軸）、靈活擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)以及使用IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)編程［3］。

電氣部分采用CANopen總線控制，其系統(tǒng)圖、主操作面板和控制功能面板如圖4所示，擁有CAN協(xié)議的手輪，63個(gè)按鈕，2個(gè)倍率開關(guān)，1個(gè)三位鑰匙開關(guān)，急停按鈕等。

2.2 數(shù)控軟件系統(tǒng)

磨床數(shù)控軟件系統(tǒng)采用NUMROTOplus專業(yè)刀具加工軟件進(jìn)行開發(fā)。簡化的編程系統(tǒng)使標(biāo)準(zhǔn)刀具的生產(chǎn)和修磨更加簡便，可為標(biāo)準(zhǔn)刀具設(shè)置默認(rèn)參數(shù)，適用于Windows系統(tǒng)的編程環(huán)境，所有參數(shù)均配有輔助圖片并按真實(shí)刀具尺寸顯示圖像（如圖5所示），可提前計(jì)算加工時(shí)間并可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)磨削余量、進(jìn)給率等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)給率的設(shè)置不用考慮軸設(shè)置，并可以在磨削點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，精度可達(dá)0.01 μm。

圖4 Flexium 68數(shù)控系統(tǒng)

圖5 銑刀參數(shù)化編程

軟件主要功能還包括有2D刀具模擬、3D刀具模擬加工、砂輪參數(shù)設(shè)置、機(jī)床碰撞干涉模擬、加工過程測量和磨削去除率計(jì)算等。在軟件系統(tǒng)中可根據(jù)加工刀具的類型選擇砂輪，設(shè)置砂輪參數(shù)、加工工藝過程及加工步驟等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)球頭立銑刀、圓弧刃立銑刀、直角頭立銑刀、錐形立銑刀、鉸刀、端銑刀等各類切削刀具的磨削加工。即使是最好的軟件和最佳的磨具有時(shí)也不能夠避免磨削時(shí)的碰撞。一個(gè)空轉(zhuǎn)的砂輪、砂輪芯軸或者安裝好的附加設(shè)備（尾座、支柱）都有可能是造成碰撞的原因（如圖6所示）。為了避免這種情況發(fā)生，NUMROTO和NUMROTO-3D軟件相互結(jié)合，可以提供一項(xiàng)集成的、全自動(dòng)的碰撞檢測。

在下命令或者在傳輸CNC文檔的同時(shí)，整個(gè)磨削過程將受到碰撞檢測。如果系統(tǒng)認(rèn)出一個(gè)碰撞，磨削過程將被終止，然后將出現(xiàn)相應(yīng)的操作提示。此碰撞檢測也可以同加載器一起使用，這樣每一個(gè)工件都可以在測量后（探頭檢測），在磨削前進(jìn)行碰撞的檢測。除了生產(chǎn)和修磨標(biāo)準(zhǔn)刀具的“普通”應(yīng)用之外，軟件也涵蓋了許多特殊應(yīng)用。可以在基于砂輪技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)化的加工速率。

用于加工硬質(zhì)合金刀具的砂輪制造商通常會(huì)說明砂輪的最大比磨削去除率Qw′，它是在砂輪緣厚為1 mm的寬度上，以mm/s為單位詳細(xì)說明了砂輪磨削部位上每一個(gè)點(diǎn)的最大材料磨削去除率。實(shí)際上，有類似公式通過Qw′數(shù)值來計(jì)算加工速率。然而這些類似值并不總是正確的，最終用戶在大多數(shù)情況下往往通過“直覺”來選擇加工速率。一個(gè)不恰當(dāng)?shù)倪x擇將會(huì)導(dǎo)致不必要的較長加工時(shí)間（速率太低）或砂輪的較高磨損（速率太高）。

這些加工過程中的不確定因素可以通過加強(qiáng)的NUMROTO三維模擬功能來進(jìn)行避免。在模擬中的每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)和砂輪上的每一個(gè)磨削點(diǎn)都可以準(zhǔn)確地確定有多少材料正在被磨削掉。該磨削余量可與Qw′數(shù)值對(duì)比，而Qw′數(shù)值通常記錄在每個(gè)砂輪的參數(shù)欄中。基于這個(gè)對(duì)比，砂輪的邊緣受力部位激活以不同顏色顯示功能，還可對(duì)受力顏色進(jìn)行調(diào)整。在圖7中，磨削余量比例超過編程峰值的區(qū)域以紅色動(dòng)態(tài)顯示，而從綠色到藍(lán)色區(qū)域表示材料磨削去除率從較小到正常。

圖6 刀具加工過程碰撞干涉檢查模擬

圖7 砂輪磨削去除率模擬分析

NUMROTO能發(fā)現(xiàn)任何諸如此類的過載問題。從而使每一個(gè)步驟可在砂輪最大峰值線以下合理選擇最佳速率，編程人員能十分容易地進(jìn)行調(diào)整。因此，砂輪不會(huì)超過磨削余量比率的最大峰值。從而保證了砂輪在最低磨損的狀態(tài)下達(dá)到最佳加工時(shí)間。

3 自制工具磨床的主要性能參數(shù)

所研制的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床樣機(jī)的主要性能參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)如下：1）可加工刀具柄徑為2～20mm；刀具長度為50～200mm；刀具直徑為2～20 mm；2）電主軸為額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min，額定功率4 410 W；3）工件旋轉(zhuǎn)軸為回轉(zhuǎn)精度達(dá)到±10″，重復(fù)精度達(dá)到±2″；4）X軸、Y軸和Z軸的靈敏度和重復(fù)定位精度＜2μm；各軸導(dǎo)軌平行度＜3 μm/100 mm以內(nèi)；5）砂輪主軸徑向跳動(dòng)＜2 μm；軸向跳動(dòng)＜5 μm。

4 數(shù)控磨床加工性能評(píng)價(jià)

采用本自制的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床試生產(chǎn)了幾種規(guī)格的平頭立銑刀、圓角頭立銑刀和鉆頭。通過ZOLLER刀具檢測機(jī)、工具顯微鏡和投影儀對(duì)刀具進(jìn)行抽檢，從8種刀具中隨機(jī)各抽取5個(gè)樣品進(jìn)行檢測，從結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，各個(gè)主要的參數(shù)都在規(guī)定值的上下限之間。由此可見，所研制的工具磨床完全能符合刀具的生產(chǎn)要求。

如圖8所示的試加工鉆頭的抽檢數(shù)據(jù)表，如表1所示。

圖8 試加工鉆頭外形圖

表1 試加工鉆頭抽檢的5組數(shù)據(jù)情況

5結(jié)語

在引進(jìn)消化國外先進(jìn)數(shù)控工具磨床生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用三維建模軟件對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行建模、仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。借助Flexium68高階控制器系列產(chǎn)品和NUMROTOplus專業(yè)刀具開發(fā)軟件，研制了帶有友好人機(jī)界面、便攜手持單元，具有刀具參數(shù)化編程、刀具模擬加工、機(jī)床碰撞干涉檢驗(yàn)、加工工藝規(guī)劃、加工過程測量和磨削去除率優(yōu)化等功能的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)球頭立銑刀、圓弧刃立銑刀、直角頭立銑刀、錐形立銑刀、鉸刀、端銑刀等各類切削刀具的磨削加工。試加工結(jié)果表明，所研制的工具磨床完全能符合刀具的生產(chǎn)要求。

［1］ 崔建昆，范灝，奚偉辰，等.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011（4）：209-211.

［2］ 楊國哲,王立平,郁鼎文,等.三坐標(biāo)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)底座的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2005（7）：21-22.