五轴联动数控机床技术现状与发展趋势

五轴联动数控机床技术现状与发展趋势摘要：介绍五轴联动数控机床在工业加工中的优势和重要性，从国内、国外两个方面阐述目前五轴联动数控机床发展的现状，最后从目前机床工业发展动态出发展望五轴联动数控机床的发展趋势。关键词：五轴联动数控机床技术现状发展趋势Abstract：Theadvantagesandimpo~anceoffive—axisCNCmachinetoolsinindustrialmachiningarepresented．Thestatusquoofdevelopmentoffive—axisCNCmachinetoolsathomeandabroadisdescribedandtheirdevelopingprospectgiven．KeyWords：Five——axisCNCMachineToolsTechnologyStatusDevelopingTrends[17]一、简介五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。目前，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。二、国内外研究现状陈则仕，张秋菊2005年提出一种五轴联动机器人运动学建模与仿真研究，探讨在VC＋＋6．0集成编程环境下，调用OpenGL实现机器人的建模与仿真。对一种五轴联动机器人首先建立几何模型，对其正逆运动学问题进行分析求解，然后建立友好人机交互界面，对机器人示教再现过程进行模拟，最终实现让机器人走空间直线路径的轨迹规划仿真[1]。该方法为五轴联动机器人研究开辟新的道路，为五轴联动机器人的实用化做好理论实践经验。赵世田，孙殿柱，孙肖霞2006年提出基于UG／POST五轴联动加工中心专用后置处理器的研发，通过结舍UG／PostBuilder后置处理器开发工具和上述后置处理算法，开发了该机床的专用后置处理器，并通过试验进一步验证了该后置处理器的正确性和实用性[2]。德国兹默曼公司2007年开发出FZ25龙门铣床，标志着Zimmermann（兹默曼）公司再次扩展了其高度专业化的五轴联动HSC龙门铣床的应用范围。FZ25非常适合大工件的干式切削，尤其是轻型的复合材料的加工，例如碳纤维和玻璃纤维强化塑料、环氧树脂、亚安酯、聚苯乙稀等[3]。杜玉湘，陆启建，刘明灯2007年提出五轴联动数控机床的结构和应用，介绍了五轴联动数控机床的几种结构及其特点和发展趋势；阐述了几种五轴联动机床加工的加工造型、编程(CAD／CAM系统)及其优缺点；详细描述了五轴联动数控机床对数控系统的要求及四开公司五轴联动数控系统的关键参数；列举了四开公司历年来参展的五轴联动数控机床及现场加工工件的情况[4]。燕红波，杨庆东，刘芳在2007年提出五轴联动的数控加工技术的研究及应用，五轴联动加工以其高柔性,高复合性,优良的切削位置姿态赢得越来越多用户的青睐,但编程的抽象和操作的复杂已经成为提高数控加工技术的一大瓶颈问题.本文介绍了多轴联动数控加工中心的结构模型,提出了基于典型的CAD/CAM软件UG的多轴后处理方法和加工实例,并对某一新型的五轴联动机床阐述了其各轴的坐标变换关系,开发了后处理系统,为多轴联动加工方案的制定提供了参考[5]。李培楠，郭锐锋，黄艳等在2008年提出四元数五轴联动插补算法的研究，设计一种基于四元数五轴联动的插补算法，不仅简化了插补计算量，同时能够使刀具从一点平稳的运动到另一点，而且插补的轨迹更光滑连续．文章引入四元数理论，重点研究了四元数在构造数学模型和运动变换中的应用，并在Matlab中成功的进行了仿真．实验结果表明了该算法的可行性[6]。四元数是最简单的超复数，那可不可以引入其他元数理论，产生的效果将会是怎么样呢？刘士玉,徐树洛在2008年提出五轴联动龙门加工中心现状与发展探讨，通过对五轴联动龙门加工中心现状的分析，总结了机床总体结构特点，找出了国内外机床在技术上的差距。提出了高端机床发展的相关理念。高端机床也意味着高技术，高投入和高产出。向高端技术发展，是我国民族企业必须要有的念头，更是民族企业做大做强的必由之路[7]。张晓辉，于东，胡毅等2009年提出一种新型五轴联动数控系统的研究，详细描述了该五轴联动数控系统的结构，对其中的RTCP模块和基于四元数的空间运动学变换模块进行了重点探讨，并对该数控系统进行了测试．实验结果表明该数控系统具备一个工作程序在不同结构的机床进行加工的功能[8]。黄堪丰，张平，简启廉在2009年提出基于NURBS曲线的五轴联动数控插补算法研究，针对复杂曲面实际加工中五轴线性插补存在的不足，研究一种基于双NCRBS曲线的五轴联动插补算法，能有效提高零件加工效率与表面精度；同时对插补前进行三次样条曲线加减速处理，减小加加速度阶跃性变化对机床造成的往复振动；通过UG二次开发成双NCRBS样条代码实例，表明其具有显著的优越性[9]。李洪波2009年提出五轴联动加工技术的探讨，过去，五轴联动技术都掌握在欧美H等发达国家手中，严禁向中国出口。但是，随着中国国内对该项技术的迫切需求，国外的禁运状况有所缓解，同时，国内一些数控系统厂商，如华中数控大森数控等，也都适时推出了具有自主知识产权的五轴联动数控系统，使得五轴联动加工终于揭开神秘面纱，得到了越来越广泛的应用[10]。魏华亮2009年提出基于并联技术高速加工大型工件的车载式五轴联动机床，基于并联技术，设计了高速加工大型工件的车载式五轴联动车床，采用核心模块的并联机构仅有6个关节、10个自由度，相对前一代并联车床的关节数及自由度数大为减少，刚性，动态性能及高速性能大幅提高[11]。徐正平2009年创新是机床发展的不懈动力——CIMT2009加工中心评述，通过对我国和欧美及日本等发达国家所展的五轴联动数控车床进行介绍，对比国内和国外的产品，找出差距，从而得出创新是机床发展的不懈动力的论点[12]。葛荣雨，冯显英，郭培全2009年基于五轴数控机床弧面凸轮廓面创成方法研究，：根据弧面凸轮廓面的成形运动分析。主轴摆动单转台和双转台两大类通用五轴联动数控机床可以用于等价创成弧面凸轮廓面。基于弧面凸轮廓面的数学模型。求解了两大类数控机床创成廓面时的运动坐标，并进行了弧面凸轮廓面的创成仿真[13]。焦恩璋，陈美宏2009年五轴联动机床的轨迹控制研究，在分析了目前的数控加工自动编程系统后，提出了一种以仿真实现五轴联动机床轨迹控制的新方法。该方法首先从提取加工路径信息入手，建立了仿真所需要的驱动函数。然后在ADAMS平台上。从加工起点发起仿真运动。加工过程仿真产生的各轴运动参数信息，直接为五轴联动机床的数控编程提供了控制依据。一个圆柱凸轮加工仿真的实例证明，用仿真结果替代传统控制算法，使得五轴联动车床的数控编程变得更加容易和快捷。该方法同样适合解决其它多轴联动设备的轨迹控制[14]。李彩霞，杨洁明在2010提出基于五轴联动数控系统刀具半径补偿的研究，在深入研究平面刀具半径补偿原理的基础上，推导出了一种适合直线插补的二维刀具半径补偿通用公式，并结合空间变换原理，将三维空间内的刀位点投影到二维平面内，确定半径补偿方向，得出了三维空间刀具半径补偿的算法[15]。有没有多维空间刀具半径补偿的算法呢，将来是不是可以向这个方向发展？庄朱协，王炜，严岳刚在2010年提出年基于加速度双曲线的五轴联动NURBS曲线插补算法，指出该算法是三次样条曲线的特例。提出“如果某种加减速方法无法解决高阶连续问题，不妨把该方法用于更高一阶图像”的结论。论证了节点矢量预估计算公式中V值的参数应为t。通过计算比较直接插补和预处理再插补的计算量，论证了后者能有效减小计算复杂度[16]。梁铖，刘建群在2010年提出五轴联动数控机床技术现状与发展趋势，介绍五轴联动数控机床在工业加工中的优势和重要性，从国内、国外两个方面阐述目前五轴联动数控机床发展的现状，最后从目前机床工业发展动态出发展望五轴联动数控机床的发展趋势[17]。德国德马吉公司的DMU100．是其DMUmonoBLOCK系列数控万能铣床的新增产品。在原有的DMu1OO基础上，取消原有工作台部件新配置带头架和尾座的工作台部件。该机床结构为刀具摆动轴(B轴)进行X、Y轴运动，工件旋转轴(A轴)进行z轴运动。此种结构设计，改善了机床的动态性能，并保证z轴导轨的受力最合理，稳定性增加、表面质量提高、占地面积减小。机床底座结构为漏斗型，可以保证最佳地回收切屑和冷却液[18]。司徒渝叶轮五轴联动数控加工关键技术研究及在DMU100T机床中的实现，研究了整体式叶轮在五轴联动机床中加工的流程及关键技术，并结合DMU100T机床的特点与性能实现了整体式叶轮的数控加工[19]。德马吉的“ECOLINE”梦想。德马吉推出Ec0LINE，是为了使更多的用户在早期阶段能够接触德马吉的设备，并了解德马吉的服务及技术支持。那么，随着用户的不断发展，他们的需求会不断释放，从而使德马吉更多的高端设备帮助其快速成长，继而推动产业进步[20]。三、展望代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。五轴联动数控车床在工业生产中占有非常重要的作用，而且现在出现了新的特征，五轴联动数控技术正在向高速、高效率、高可靠性、高精度、复合化、智能化、网络化、柔性化、绿色化等方向发展，我国由于工业底子薄，装备制造业水平比较低，生产出来的五轴联动数控车床质量跟欧美和日本产品还存在一定的差距，落后就要挨打，面对历史因素和现实的紧迫性，我国要想在接下了发展空间中占有一席之地，就需要做到以下几点：1、加大研发资金投入力度，加大加强基础理论研究，为设备研究做好理论准备。2、研究外国先进设备技术，深研其中的核心知识。在仿照的基础上进行创新。3、研究国内外五轴联动技术的发展方向，做到先人一步开展研发。4、了解国内外各个用户群体的需要，开发出适合不同用户需要的设备。5、创新是保持领先的内在要求，没有创新就没有进步。国家应该鼓励企业进行五轴联动技术的研发。6、在保护好自己核心技术的前提下与其他先进企业进行技术交流。7、大力发展高端五轴联动车床，实施精品工程。四、小结五轴联动数控机床已经成为当今加工工业最重要的加工工具，随着工业化的深入，五轴联动数控机床必将应用于更加广泛的领域，但是我国装备制造业水平还比较低，五轴联动作为关键设备，打破国外技术垄断，实现高端机床自给自足，实现“中国装备装备中国”任重而道远，国内制造企业必须寻求突破，以高端产品为点，带动其他低端产品，继而实现产全线启动市场。参考文献[1]陈则仕，张秋菊．一种五轴联动机器人运动学建模与仿真研究[J]．制造业自动化，2005，27（12）：36-39．[2]赵世田，孙殿柱，孙肖霞．基于UG／POST五轴联动加工中心专用后置处理器的研发[J]．组合机床与自动化加工技术，2006（1）：26-28，34．[3]德国兹默曼公司开发出FZ25龙门铣床[J]．制造技术与机床，2007，（5）：137-137．[4]杜玉湘，陆启建，刘明灯．五轴联动数控机床的结构和应用[J]．机械制造与自动化,2008,37(3):14-16,20．[5]燕红波，杨庆东，刘芳．五轴联动的数控加工技术的研究及应用[J]．机械工程师，2007（5）：120-121．[6]李培楠，郭锐锋，黄艳等．四元数五轴联动插补算法的研究[J]．小型微型计算机系统，2008,29（7）：1362-1365．[7]刘士玉,徐树洛．五轴联动龙门加工中心现状与发展探讨[J]．产品与技术，2008，（6）：84-87．[8]张晓辉，于东，胡毅．一种新型五轴联动数控系统的研究[J]．小型微型计算机系统，2009，30(2)：371-375．[9]黄堪丰，张平，简启廉．基于NURBS曲线的五轴联动数控插补算法研究[J]．机床与液压，2009,37（10）：54-57,29．[10]李洪波．五轴联动加工技术的探讨[