基于旋轉五軸與CNC加工中心聯機控制系統及控制方法

摘?要：國家“十四五”規劃提出要明顯提高高檔數控機床的國際競爭力。其中五軸加工中心就是科技含量高、精密度高的高檔數控機床的代表之一，專門用于加工復雜的曲面。傳統的三軸聯動機床很難滿足目前精密制品加工的需求，開發出高性能五軸與CNC加工中心既是科技發展的需要，也順應了時代發展的趨勢。

關鍵詞：數控機床;五軸;CNC加工中心;控制系統

Online?Control?System

and?Control?Method?Based?on?Rotating?Fiveaxis?and?CNC?Machining?Center

Wang?Jianling

Shenzhen?FurPrecision?Products?Co.，Ltd.?GuangdongShenzhen?518000

Abstract：The?national?"14th?FiveYear?Plan"?proposed?to?significantly?improve?the?international?competitiveness?of?highgrade?CNC?machine?tools.Among?them，the?fiveaxis?processing?center?is?one?of?the?representatives?of?highgrade?CNC?machine?tools?with?high?technological?content?and?high?precision，specially?used?for?processing?complex?curved?surfaces.It?is?difficult?for?the?traditional?threeaxis?linkage?machine?tool?to?meet?the?current?needs?of?precision?products?processing.The?development?of?highperformance?fiveaxis?and?CNC?processing?center?is?not?only?the?need?of?the?development?of?science?and?technology，but?also?conforms?to?the?trend?of?the?development?of?The?Times.

Keywords：CNC?machine?tool;fiveaxis;CNC?machining?center;control?system

近年來，隨著我國國民經濟的發展和科學技術的進步，智能制造一直以來作為我國制造強國建設的主攻方向，高檔自動化數控機床的開發便是重中之重。

數控機床技術被認為是一個國家機械制造業發展水平的標志，而五軸與CNC加工中心聯機機床則代表了整個機械制造行業的最高科學技術，從某些程度上也反映了一個國家機械工業發達的程度水平。五軸聯動數控技術就是在三軸的基礎上再次增加了兩個方向的螺旋軸，所以又叫旋轉五軸。對一些復雜工件需要進行曲面加工，五軸具有三軸所不能比擬的優勢，三軸在操作時工件不能一次裝夾，很難實現對平滑曲面的加工，而旋轉五軸卻可以通過一次裝夾而實現高精度、高效率的復合加工，工序集中度高，能保證工件在各個表面位置的加工精度。旋轉五軸與CNC加工中心聯機控制系統在制造業加工中發揮著舉足輕重的作用，能在很大程度上提高產能和質量。

智能制造業作為大國重器的重點，是推進工業結構優化升級的主要內容，旋轉五軸與CNC加工中心聯機機床是高效和智能的代表，是高檔數控機床的發展趨勢，對它的控制系統和控制方法的研究具有深遠的意義。

一、旋轉五軸與CNC加工中心技術背景

當前國際上五軸與CNC加工中心相互聯動的數控機床技術以歐美和日本等國家為主要代表，這些國家都掌握了當前最高水平。很長時間以來，以美國和歐洲為首的西方工業相對比較發達國家，旋轉五軸與CNC加工中心聯合聯動的數控機床始終是我國作為社會主義國家的重點和戰略性物資，出口產品均實行了出口和授權許可證管理制度。

我國在數控機床上的研究已經有幾十年的發展，通過引進、消化和吸收，初步形成了一定規模的數控產業。但是五軸聯動機床市場占有率不到5%，而且絕大多數依賴進口。缺少五軸聯動技術生產加工的產品甚至會面臨價格上下滑三分之二，根本不具備競爭優勢。在這種嚴峻的形勢下，打破國際上的技術壟斷，發展具有中國自主知識產權的旋轉五軸與CNC加工中心聯動控制技術已成為政府、企業和研究機構的共同目標。

二、旋轉五軸與CNC加工中心聯機控制系統介紹

（一）五軸聯動數控系統

五軸與CNC加工中心聯動控制系統是指利用計算機控制機床實現加工的功能，CNC即Computerized?Numerical?Control，翻譯為電腦數字化控制。數控控制的原理是通過可編程邏輯控制器（簡稱PLC）、伺服系統和機床本體實現的，數控裝置就相當于一個微型的計算機，它是根據輸入事先編輯好的程序，經過轉碼為一種機器語言來給機床下達指令，準確地說它本身就是機床的CPU，通過機器語言能夠實現一整套加工操作，他的結構是在三軸的基礎上增加了旋轉軸，如下圖1所示。伺服系統一直是數控技術的難點所在，它充當了數控設備和機床本體的紐帶作用，通過它起到控制數控加工中心的動力部位。輔助的設備會配套以各個位置的測點，監測機床的在各個方向上的進給速度和位移，同時監測每個部位的執行動作。數控機床加工中心的機械部分—機床本體包括主軸箱體、工作臺、進給部件、夾具等，旋轉五軸技術的使用能通過一次編程，完成復雜成型工件的洗削、開槽、鉆孔等全套加工，可自動更換刀具，交替切削工件，工作環境安全性高，同時還滿足防護噪聲和防護粉塵要求。

（二）電氣控制系統

旋轉五軸與CNC加工中心聯機電氣控制系統主要由三個部分共同構成，分別是電氣原理圖、電氣元器件布局圖和電氣安裝接線圖。電氣原理圖是整個機床的電氣控制的基礎和核心，它包括主電路、輔助電路和照明電路系統，它們都能直接反映出電氣、電氣元件和其他連接點零部件的控制運行線路圖。電氣元件的布置圖主要反映了電氣元件安裝時所在的位置，是電氣元件的整體布概況。而電氣安裝接線圖則是用規定的電氣圖形符號和數字標識來反映CNC加工中心的接線情況。電氣硬件部分接線完成即需要進行五軸平臺總線通訊測試，對通訊的穩定性測試主要是看系統是否具備初始化條件，通過采集驅動器的運行速度曲線圖，對圖形進行分析可以推測通訊成功與否的現象。外部設備的例行可靠性測試也是一項重要任務，如IO、油泵、刀庫和對刀儀是否可以正常使用，都需要開發者在開機之前進行加工測試。五軸聯動機床能實現正常啟動的同時實現位置的調整點動工作，點動控制主要可以對機床上的刀架、橫梁等進行快速移動和對刀，點動及長動控制線路圖如圖2所示。

三、旋轉五軸與CNC加工中心聯機控制關鍵技術

（一）旋轉五軸與CNC加工中心的特點

旋轉五軸聯動與CNC加工中心聯機具有效率高、精度高的特點，工件通過夾具裝夾在機床上，輸入預先編制好的程序，執行操作可以完成復雜的加工，這種高檔機床能夠適應復雜汽車零部件、飛機結構件等模具的加工。旋轉五軸與CNC加工中心聯機控制是解決葉輪、螺旋槳、大型柴油機曲軸等關鍵零部件加工的唯一設備。旋轉五軸與CNC加工中心聯機控制具有以下特點。

1.提高加工精度的同時減少了加工時間

旋轉五軸比傳統三軸多了兩個方向的旋轉軸，能一次性加工五個面，與CNC聯機控制的話C軸可以無限制地旋轉，A軸也可以旋轉半周，這些特性使得設備在加工時不會發生干涉。一次裝夾也避免了多次裝夾所帶來的重復定位產生的誤差，而且對夾具的依賴性也降低，規則和不規則工件都可以夾持，對于一些不規則工件則便采用一面兩銷的夾持方式，既提高了精度又提高了效率，實現自動化式的加工。如有一個曲軸試制的加工案例提供一個曲軸的工藝流程改進：對于定制化的大型鋼件，沒有達到批量生產。按照之前的傳統工藝，需要從鍛件開始做到成品，時間大概需要兩個月左右。但是使用旋轉五軸復合加工機的話僅需一道工序即可成型，時間可縮短一半。

2.減少車間占地面積，降低設備投資成本

旋轉五軸加工中心集多種加工工能于一體，從車床到銑床到磨床都可以實現，如果單獨買一臺立磨設備價格非常昂貴，通過設備成本和加工工時等核算下來會發現用五軸的性價比高。國內隨著近幾年數控機床的飛速發展，對旋轉五軸的工程集約式生產只需導入整機模擬軟件，通過一定的調試時間就可以完成設備的初始化，所以目前很多汽車配件和一些高端制造產品基本都采用旋轉五軸與CNC加工中心聯機為主要加工設備。

（二）旋轉五軸與CNC加工中心聯機控制方法

1.刀具旋轉中心編程控制

國外高檔五軸聯動控制系統中，普遍采用刀具旋轉中心編程，簡稱RTCP，用戶通過CAM軟件以球形刀具中心點X/Y/Z和旋轉軸坐標來輸出執行代碼的，數控系統以刀具中心點為計算基準進行自動補償，同時根據曲面加工曲線在空間的運動軌跡，自動對五軸機床的旋轉軸進行補償，以確保球形刀具的中心點在插補的過程中始終處于編程所需要的移動軌跡上。該類編程可以解決代碼之間的通用性，又有利于提高編程效率。高性能三軸的關鍵算法之一為拐點速度控制算法，其功能可以沿用到五軸聯動中，空間刀具的軌跡圖如下圖所示。

2.網絡總線型數控系統控制

五軸聯動機床的控制效率瓶頸之一在于底層控制數據的傳輸效率，而采用網絡總線技術不但可以解決底層數據傳輸存在的可靠性和效率問題，還可以實現納米插補，在配線上變得簡單、配置絕對編碼器，抗干擾性增強，總線技術無疑把機床的核心功能集成化，通過總線實現了越來越多的復雜功能，系統功能擴展變得更簡便，對大型結構件的加工不再是神話，許多國際品牌數控系統和伺服驅動裝置的開發商都在研究和改進相關的標準與協議，紛紛推出了基于現場總線的機床。沈陽機床廠開發的i5智能機床系統是中國高端機床領域的一個突破，通過總線型控制實現了操作方便、功能開放的特點。

結語

旋轉五軸與CNC加工中心聯機控制需要以應用為基礎，開發出高性能的控制系統，扎實的基本功是開發工作的前提保證。通過控制系統關鍵技術問題的分析，以機床加工為設計目標，對技術人員和操作工人進行培訓，把母機設備生產做到交鑰匙工程，提升模具制造產業的技術升級，提高我國制造業加工的競爭力水平。

參考文獻：

[1]龐鈞文.五軸聯動數控機床的結構和應用[J].中國科技博覽，2017（30）.

[2]黃文波.高性能五軸聯動機床結構設計與系統應用[J].科學技術創新，2019（19）.

[3]高玉俠.論如何高效學習五軸聯動數控加工技術[J].南方農機，2019（8）.

作者簡介：王建翎（1974—?）男，漢族，北京人，總經理兼技術總監，主要從事產品生產工藝及技術創新，研究方向：五軸加工及工裝夾具、大型壓鑄鋁合金、平角度及尺寸精密度控制。