五轴联动数控机床发展与应用

2024-04-20

五轴联动数控机床发展与应用（精选7篇）

篇1：五轴联动数控机床发展与应用

五轴联动数控机床的发展

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。

发展现状国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲面零件加工而出现的。随着机床复合化技术的新发展，在数控车床的基础上,又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的加工效率相当于两台三轴机床，有时甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资,大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，CIMT99 展览会上国产五轴联动数控机床第一次登上机床市场的舞台。自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以来，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业也相继开发出五轴联动数控机床。

当前，国产五轴联动数控机床在品种上已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应不同大小尺寸的杂零件加工，加上五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等的开发，基本涵盖了国内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ25HMC40 卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的TH61160 卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，可与发达国家的产品相媲美。在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等企业的产品已获得国内市场的认同。

2013年7月31日上午由大连科德制造的高精度五轴立式机床，启运出口德国。工信部装备司副司长王卫明表示：“这一高档数控机床销往西方发达国家，是中国机床制造行业的重要里程碑。”

研究背景及应用

最近10多年来，数控技术快速发展，特别是数控系统大容量存贮技术的解决，开放体系结构控制器（OAC）的应用，快速处理器和运动控制，日益完善的人机接口软件（Human Machine Interface,HMI）以及工厂自动化设备支持通过网络的互联性，使5轴数控机床潜在生产能力能够被充分发挥；高速加工ＨＳＭ技术，高速电主轴或复合主轴头技术的发展，有力推动了机床设计／制造技术的发展与创新，使5轴数控机床制造技术难度大大降低，造价也大幅度减少，许多中小型5轴联动立／卧式加工中心（VMC,HMC）一般制造企业已能接受；计算机软硬件技术快速发展和费用持续降低，使5轴联动和3轴联动控制系统价格已相差无几了；5轴联动CAM编程软件价格（包括5轴程序检验软件）也已大幅度下降，使得许多制造企业可接受使用它，尽管其价格还是偏高；软件技术的进步，特别是仿真技术和虚拟NC加工等可视化技术的应用，用户掌握和应用5轴加工编程软件较以前也容易得多了。加上用户对5轴数控机床的需求日益迫切，因此，包括从适应轻载切削、中载切削到重载切削的各种（高速）5轴数控机床在宇航、汽车、装备、运输、模具以及医疗器械等制造行业中得到了越来越广泛

应用。

①加工复杂空间曲面的产品零件

②大型复杂结构件的高效率加工

③复杂多面体带孔系结构件的高生产率加工

④取代EMD加工

⑤取代快速原型制造（RP）

⑥个性化产品零件加工

⑦组成柔性生产系统用于中/小批量产品的加工

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。

参考文献

德国兹默曼公司开发出FZ25龙门铣床[J]．制造技术与机床

杜玉湘，陆启建，刘明灯．五轴联动数控机床的结构和应用[J]．机械制造与自动化梁铖，刘建群．五轴联动数控机床技术现状与发展趋势[J]．机械制造

篇2：五轴联动数控机床发展与应用

11月5日在上海新国际博览中心结束的2006中国国际工业博览会上，上海交通大学与上海电气集团股份有限公司中央研究院、上海第三机床厂联合开发的五轴联动数控机床获得2006中国国际博览会创新奖。具有五轴联动功能的开放结构高端数控装备是发达国家禁止向中国出口的先进制造技术，也是我国独立自主发展航空、航天、国防、汽车等行业所必不可少的先进装备。

机械与动力工程学院王宇晗副教授与上海电气集团股份有限公司中央研究院合作研究完成具有自主知识产权的开放式数控平台，在此基础上，研制了SE305M五轴联动高档数控系统产品。该系统是上海市首台全国产化的五轴联动高档数控系统，在五轴联动插补算法、微小线段的五轴联动速度平滑技术、五轴联动NURBS曲面高速加工运动控制技术等国家急需的关键技术上取得创新性的突破和应用，使上海的现代装备制造业的技术水平向前迈进了一步。

那么什么是五轴联动呢？五轴联动：除同时控制 X、Y、Z 三个育线坐标轴联动外．还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的 A、B、C 坐标轴中的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动这时刀具可以被定在空间的任意方向．比如控制刀具同时绕 x 轴和 Y 轴两个方向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度。

在传统的模具加工中，一般用立式加工中心来完成工件的铣削加工。随着模具制造技术的不断发展，立式加工中心本身的一些弱点表现得越来越明显。现代模具加工普遍使用球头铣刀来加工，球头铣刀在模具加工中带来好处非常明显，但是如果用立式加工中心的话，其底面的线速度为零，这样底面的光洁度就很差，如果使用四、五轴联动机床加工技术加工模具，可以克服上述不足。

五轴机床发展的趋势

首先是采用直线电机驱动技术。经过十几年的发展，直线电机技术已经非常成熟。直线电机刚开发出来易受干扰和产热量大的问题已经得到解决，而直线电机的定位技术，既在高速移动中快速停止，也有部分机床厂家采用阻尼技术给予解决。

直线电机的优点是直线驱动、无传动链、无磨损、无反向间隙，所以能达到最佳的定位精度。直线电机具有较高的动态性，加速度可超过2g。采用直线电机驱动还具有可靠性高、免维护等特点。

其次是采用双驱动技术。对于较宽工作台或龙门架型式，假如采用中间驱动，实际无法保证驱动力在中心，轻易造成倾斜，使得动态性能较差。使用双驱动，双光栅尺，一个驱动模块，就能使动态性能非常完美。一个驱动指令，双驱同时工作，光栅尺来检测两点是否平衡，假如不平衡则通过不同指令使其达到平衡。当然，五轴联动机床技术的发展还远远不止这些，许多技术在德马吉的机床产品中都将会体现出来。

五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家工业化水平的标志

由于使用五轴联动机床，使得工件的装夹变得容易。加工时无需特殊夹具，降低了夹具的成本，避免了多次装夹，提高模具加工精度。采用五轴技术加工模具可以减少夹具的使用数量。另外，由于五轴联动机床可在加工中省去许多特殊刀具，所以降低了刀具成本。五轴联动机床在加工中能增加刀具的有效切削刃长度，减小切削力，提高刀具使用寿命，降低成本。采用五轴联动机床加工模具可以很快的完成模具加工，交货快，更好的保证模具的加工质量，使模具加工变得更加容易，并且使模具修改变得容易。

当前，国产五轴联动数控机床在品种上，已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应大小不同尺寸的复杂零件加工，还有五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等，基本涵盖了国内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ-5HMC40卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的TH61160卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，可与发达国家的产品相媲美。在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等企业的产品，已获得国内市场的认同。

篇3：五轴联动数控机床发展与应用

数控加工设备的结构形式逐步趋向紧凑化、集成化、复杂化、多样化, 现代数控加工机床的加工程序编制仅仅依靠手工编程的方式, 在准确率和编程效率上已经不能满足复杂、精密零件的加工要求, 甚至一些复杂加工程序是无法用手工编程的方式来实现的.随着计算机技术的不断发展, 计算机辅助制造 (CAM) 技术日臻完善, CAM软件已经被广泛应用于航空、航天、医疗、汽车、电子等诸多领域.其中, 西门子公司的UG NX辅助设计制造软件是目前主流的计算机辅助CAD/CAM/CAE集成设计软件之一.利用UG NX/CAM编制数控加工程序, 一般包括前置处理和后置处理2个过程, 如图1所示.

前置处理是指在计算机辅助制造过程中, 将CAD设计的模型, 通过CAM软件模块计算产生的刀位轨迹的整个过程.前置处理产生的是刀位轨迹源文件 (cutter location source file) , 要将其转换成机床能够识别的G代码就必须通过后置处理来完成.因此, 后置处理是数控加工中的一个重要环节, 其主要任务是将CAM软件生成的刀位轨迹源文件转成特定机床可接收的数控代码 (NC) 文件[1].不同的数控机床, 因控制系统的不同, 对其数控程序要求的代码格式辅助命令等使用不同.因此要针对不同的数控系统生成不同的后置处理生成器[2].到目前为止, 机床后置处理算法研究基本成熟, 但如何运用已有的成熟算法解决实际加工中具体机床的NC程序后置处理问题, 用于实际零件加工, 仍然具有重要的工程应用价值[3].以德马吉非正交五轴联动数控机床DMU50V为例 (即转动工作台与主轴成45°倾角的特殊双转台五轴联动数控机床) , 分析机床结构, 建立了机床结构运动学数学模型及算法.并介绍了如何将数学模型及算法写入Tcl语言, 完成后置处理程序的编制.

1 机床运动学算法分析

DMU50V数控机床结构采用双轴数控回转摆动工作台, 机床运动坐标包括X、Y、Z 3个移动坐标和转动轴C及与Z轴成45°夹角的转动轴B, 如图2所示.其中, C轴为任意角度, B轴的运动范围是0°～180°.机床第4轴B轴与Z轴交点与机床原点之间的距离H是机床的一个重要参数, 如图3所示.该参数影响工作台旋转后的坐标[4].

假设工件坐标系OWxyz与机床坐标系OXYZ平行, 且OW在机床坐标系OXYZ中的坐标为 (x0, y0, z0) , 工件坐标系中任意点的刀具中心位置即刀位点为 (xw, yw, zw) , 假定刀轴矢量为单位向量n, n=axi+ayj+azk (az≥0) .从而, 确定加工点 (xw, yw, zw) 时, 机床运动坐标X、Y、Z、B、C的值[5].

1.1 确定机床B、C轴旋转角度

将任意刀轴矢量ON的起点移到机床坐标系的原点, 并平移B轴使之过O点.在实际加工中, B、C轴的运动方向都是刀具相对工作台的运动方向, 与工作台的实际运动方向相反, 因此问题可转化为任意刀轴矢量ON如何转化成ON0 (如图4所示) , 即如何将刀轴矢量旋转到与机床坐标系Z轴方向一致的位置.要达到上述要求需进行4次旋转: (1) 将刀轴矢量ON绕Z轴顺时针旋转一周, 形成一个圆弧; (2) 将单位矢量ON0绕B轴旋转形成一个半圆弧 (0°≤B≤180°) , 2个圆弧产生交点M; (3) 将刀轴矢量ON绕Z轴旋转角度C至OM; (4) 将OM绕B轴顺时针旋转角度B至ON0.从而, 使任意刀轴矢量与Z轴重合.

根据图4中向量关系可推导出

$\begin{array}{l} \vec{Ο Μ} = \vec{Ο Ο_{1}} + \vec{Ο_{1} Μ} = a_{z} k + \sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}} \cdot \\ (\cos C^{″} i + \sin C^{″} j) (1) \\ \vec{Ο Μ} = \vec{Ο Ο_{2}} + \vec{Ο_{2} Μ} = \frac{1}{2} (- j + k) + \frac{\sqrt{2}}{2} \times \\ (\frac{\sqrt{2}}{2} \cos B (j + k) + \sin B i) (2) \end{array}$

由式 (1) 、式 (2) 可得

$\begin{array}{l} \cos B = 2 a_{z} - 1 \\ C^{″} = \arcsin (\frac{1 - a_{z}}{\sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}}}) \end{array}$

得出机床的旋转坐标为

B=arccos (2az-1) (3)

$C = \arcsin (\frac{1 - a_{z}}{\sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}}}) + C^{'} (4)$

其中, C′为向量ON与X轴的夹角, 根据向量所在象限的不同, 具体取值随之变化.令 $\sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}} = a_{x y}$ , 则旋转角度C可表示为

$C = {\begin{cases} \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | [\begin{array}{l} a_{x} > 0 \\ a_{y} > 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + 90 ° ? [\begin{array}{l} a_{x} = 0 \\ a_{y} > 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | + 180 ° [\begin{array}{l} a_{x} < 0 \\ a_{y} > 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + 180 ° [\begin{array}{l} a_{x} < 0 \\ a_{y} = 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | - 180 ° [\begin{array}{l} a_{x} < 0 \\ a_{y} < 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} - 90 ° [\begin{array}{l} a_{x} = 0 \\ a_{y} < 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} - \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | [\begin{array}{l} a_{x} > 0 \\ a_{y} < 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} [\begin{array}{l} a_{x} > 0 \\ a_{y} = 0 \end{array}] \end{cases} (5)$

1.2 求解旋转后的直角坐标值

求解工作台旋转后的任意刀位点 (xw, yw, zw) 在机床坐标系OXYZ中的坐标 (X, Y, Z) , 根据机床的运动顺序进行如下空间变换

(1) 将工件坐标系Owxyz原点平移到机床坐标系OXYZ原点O, 平移距离为 (x0, y0, z0-H) , 其中 (x0, y0, z0) 为工件坐标系原点在机床坐标系中的坐标值, 变换矩阵为

$Τ_{1} = [\begin{array}{l} 1 0 0 ? 0 \\ 0 1 0 ? 0 \\ 0 0 1 ? 0 \\ x_{0} y_{0} z_{0} - Η 1 \end{array}] (6)$

(2) 工件绕B倾斜轴旋转B角, 变换矩阵为

$\begin{array}{l} R_{2} = [\begin{array}{l} 1 0 0 0 \\ 0 \cos 45 ° - \sin 45 ° 0 \\ 0 \sin 45 ° - \cos 45 ° 0 \\ 0 0 0 1 \end{array}] \times \\ [\begin{array}{l} c o s B 0 s i n B ? 0 \\ - s i n B ? c o s B 0 0 \\ 0 ? 0 1 0 \\ 0 ? 0 0 1 \end{array}] \times \\ [\begin{array}{l} 1 0 0 0 \\ 0 \cos 45 ° \sin 45 ° 0 \\ 0 - \sin 45 ° \cos 45 ° 0 \\ 0 0 0 1 \end{array}] (7) \end{array}$

(3) 工件绕Z轴旋转C角, 变换矩阵为

$R_{1} = [\begin{array}{l} c o s C s i n C 0 0 \\ - s i n C c o s C 0 0 \\ ? 0 0 ? 1 0 \\ ? 0 0 ? 0 1 \end{array}] (8)$

(4) 将工件坐标系原点平移到新工件坐标系O1x1y1z1原点处的坐标变换矩阵为

$Τ_{2} = [\begin{array}{l} 1 ? 0 ? 0 ? 0 \\ 0 ? 1 ? 0 ? 0 \\ 0 ? 0 ? 1 ? 0 \\ - x_{0} - y_{0} - z_{0} + Η 1 \end{array}] (9)$

因此, 工作台旋转后的刀位点的齐次坐标[X, Y, Z, 1]表达式为

[X, Y, Z, 1]=[xw, yw, zw, 1]T1R1R2T2 (10)

2 后置处理的Tcl语言编程实现

Tcl 是“工具控制语言 (tool control language) ”的缩写, 是一种交互式解释性计算机语言, 几乎可以在所有的平台上解释运行, 有强大的功能和简单的语法, 具有很强的可扩充性和可移植性.嵌入UG NX系统中, 通常用于CAM中的后置处理程序和加工文档处理程序.

应用Tcl语言编制后处理程序主要开展2项工作: (1) 完成事件定义文件的编写; (2) 完成事件处理文件的编写.事件定义文件用来控制事件处理后输出的数据格式, 事件处理文件用来控制加工过程中的每个事件的处理方式.为了快速搭建后置处理程序框架, 可以通过NX/Post Builder建立事件定义文件和事件处理文件的程序框架, 根据实际情况, 在程序框架中通过Tcl语言, 添加相应的用户化内容.

2.1 编写子程序完成B、C角度和刀位点坐标计算

在事件处理文件框架中新建3个子程序为:

proc MOMbeforemotion { };proc rotatec {c posin posout};proc rotateb {b posin posout}.

通过3个子程序分别完成B、C旋转角度的计算、坐标变换矩阵和刀位点在新坐标系中的坐标计算.

子程序proc MOMbeforemotion { }, Tcl语言源代码示例 (部分) :

(1) 定义全局变量

上述程序段为子程序proc MOMbeforemotion 的部分程序段示例, 由于篇幅关系不再展开叙述.通过Tcl语言进行一系列事件的逻辑判断、数学计算, 最终完成B、C旋转角度的计算、坐标变换矩阵和刀位点在新坐标系中的坐标计算.

2.2 后置处理程序与UG/CAM系统的集成

将定义好的事件处理文件和事件定义文件存储在相应的后置处理程序存放的根目录下, 如: (E:＼Program Files＼UGS＼NX 3.0＼MACH＼resource＼postprocessor) .并在该根目录中找到templatepost.dat文件, 打开该文件并对文件进行如下修改.DMU50V后置处理器$ {UGIICAMPOSTDIR}DMU50V.tcl, $ {UGIICAMPOSTDIR}DMU50V.def.

通过上述编辑完成了后置处理程序与UG/CAM系统的集成, 用户通过UG/CAM系统直接对DMU50V机床后置处理进行调用.

3 结束语

以上通过结合非正交五轴联动数控机床 (DMU50V) 的结构特点, 介绍了后置处理算法, 并将该算法成功应用到Tcl语言编程中, 实现了非正交五轴联动数控机床后置处理程序编制并已成功应用于工程实际中.后置处理作为CAD/CAM系统中的关键环节, 决定了CAD/CAM软件的应用效果和复杂零件加工的质量、效率等.文中提出的机床运动学算法的推导对同类型设备和标准五轴联动数控机床的后置处理程序开发具有一定的参考价值.

摘要：针对非正交五轴联动数控机床, 即转动工作台与主轴成45°倾角的特殊双转台五轴联动数控机床, 进行了机床结构分析, 通过对机床运动学求解, 提出了刀位点后置处理坐标变换的计算方法, 推导出相应的坐标变换公式, 并将该算法成功应用到Tcl语言编程中, 实现了非正交五轴联动数控机床后置处理程序编制.该后置处理程序稳定可靠, 并已成功应用于工程实际中.

关键词：Tcl语言,后置处理,五轴联动

参考文献

[1]张磊.UG NX4后处理技术培训教程[M].北京:清华大学出版社, 2007.

[2]李海泳, 张森棠, 赵明, 等.UG NX数控加工技术[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[3]成群林, 侯正全, 宋健, 等.特殊五坐标数控机床后置处理技术研究[J].航天制造技术, 2007 (6) :20-22.

[4]葛振红, 姚振强, 赵国伟.非正交五轴联动数控机床后置处理算法[J].机械设计与研究, 2006, 22 (2) :79-81.

篇4：五轴联动数控机床发展与应用

一、引言

近年来，许多医疗设备，航空零部件，汽车零部件和模具都需要具有较高的精度和复杂的空间几何形状，使得五轴加工越来越重要，但是因为五轴机床具有自由度大，精度高且承受不了碰撞的特点，因此五轴机床在执行切削加工前，必须进行切削模拟测试。鉴于此，我们设计了一个五轴机床机构的运动仿真模型，并使用这个机构模型进行数控刀具路径的仿真模拟。首先，由Creo没计该五轴机床的机构模型和工件模型，通过CAM软件设计五轴加工NC代码，然后再通过VERICUT仿真模拟软件整合两者资料并构建刀具资料后，即可开始五轴加工仿真模拟，通过这样的方式将Creo、CAM软件和VERICUT软件三种软件中的五轴机床资料整合在一起，使用户可以看到五轴机床的运动仿真场景的结果，并切削模拟，还能让使用者在NC加工程序之后，可以更容易且更快地获得切削加工仿真的结果。

二、建模仿真用的机床各部件

1.机床结构

该机床型号UCP800，是双摆台五轴联动立式加工中心，本机床配备X、y、Z、A和C轴，是一款A轴绕X轴旋转，C轴绕Z轴旋转的五轴加工中心。各轴行程如下：X轴行程800mm，Y轴650mm，Z轴500mm，A轴-100°-120°，C轴0-360°，各轴相对初始位置关系，由于机床模型的复杂性，我们首先利用Creo三维软件构建三维机床，并且以组件形式逐个输出STL格式模型文件，需要注意输出组件模型时的参考基准坐标系，此参考坐标系相当于导入VERICUT中的坐标系原点，如图1所示。

2.机床结构的逻辑关系

在Cre02.0中将7个机构模型画出，如基座模型、y轴机构模型、X轴机构模型、Z轴机构模型、C轴机构模型、A轴机构模型和刀轴机构模型，导入机构模型必须转换成STL格式。由于五轴机床的结构为整合的基础，因此，有必要先建立五轴机床的结构，以Mikron_Ucp800五轴机床为例，其结构要分成X和Z两部分，如图2所示。

3.虚拟机床部件树的建立

当所有的机构模型与五轴机床结构整合完成后，即可得到如图3所示，每一个子结构中都包含了各自所代表的机构模型。

双摆动机型五轴立式加工中心的结构描述如图3所示，其中X和Z在机床本体上移动，所以在机床本体下面建立两个子结构X和Z，并且把该结构分为X和Z两部分来看。

（l）X部分：当X运动会带动Y一起运动并且X是一个移动滑块，其中夹具和工件都固定在回转工作平台C上，所以在X下面建立Y，并且使夹具和工件都依附于C回转工作平台下。

（2）Z部分：当X轴运动时将会带动A轴一起运动，而A轴运动会带着C轴一起运动，所以X轴下面建立A轴，在A轴下面建立C轴，我们把此模型称为双摆台机型，刀轴是建立在Z轴上，所以在Z轴下建立主轴并在主轴下建立刀具。

当有了五轴机床的结构后，即可开始进行五轴机床结构与其他资料的整合。

4.导入机构模型的STL资料

将机构模型的资料与导入五轴机床的结构中，并在视窗中显示五轴机床的各个机构模型。

本文将机构模型的资料导入五轴机床的结构方式说明如下，并以将基座模型导人为例。

（l）因为本研究是将外部资料与五轴机床的结构做整合，所以使用的方式为将外部资料导入至五轴机床的结构中，如图4所示，运用加入模型档案（Model File）的方式来将机构模型资料导入至结构中。

（2）将基座模型导入至结构后，模型会以模型设计时的坐标系原点为基准导入，如图5所示，坐标系原点与五轴机床结构的机械原点会重合，且当资料导入后，即可在视窗中看见五轴机床的基座模型。

当所有的机构模型与五轴机床结构整合完毕后，即可得到如图6所示，每一个子结构中皆包含了各自所代表的机构模型，并如图7所示，整合完成的机构模型皆会显示在视窗中。

5.机床初始化设置

在机床设定中设定行程（图8）及其他参数，检查机床运动结构是否符合真实运动情况，以此完成机床的构建。

三、调入控制系统、工件、夹具及NC程序

此机床采用TNC530控制系统，调入VERICUT控制系统文件hei530.ctl。

工件模型主要是提供使用者观察整个NC加工模拟完的结果，所以整合资料中包含了工件模型资料，而在VERICUT系统中要取得工件模型的资料有两种方式，第一种方式为由VERICUT系统本身建立工件模型，而另一种方式为由外部系统产生工件模型，然后将工件模型资料与五轴机床的结构整合。

夹具模型由外部系统产生，然后将夹具模型资料与五轴机床的结构整合。

NC程序的功能为驱动五轴机床的切削运动，所以在执行五轴机床的NC加工模拟前也需将此资料整合，当NC程序导入完成后，五轴机床才能按照NC程序中的内容来执行NC加工模拟。

四、刀具库建立

刀具资料是由使用者在VERICUT系统中建立的，使用者也可以先行在VERICUT系统中建立一个刀具资料库档案，当需要使用时，可以直接呼叫刀具资料库档案进来，并且需定义刀具被夹持的位置点。

参考Creo系统中所设定的刀具资料来建立NC加工模拟所需使用的刀具，如图9及图10所示，在刀具资料库中建立刀具、其中刀具参数包括了刀具的型式、刀具的长度、刀刃的直径和刀刃的长度等。

五、设定工作坐标系及相关参数

因为NC程序都参照工作坐标系为基准，所以由图11中的G代码偏置来定义VERICUT系统的工作坐标系，并如图12所示，定义工作坐标系的参照位置为TooL至MCS，系统会根据参照位置自动为机器做刀具补偿的动作。

六、仿真结果

图13为某零件在五轴机床加工模拟完成后的结果，其仿真过程反映了真实的加工过程，通过自带比较功能，及时发现碰撞及干涉情况，有针对性的对刀具的走刀路径进行优化，减少空走刀。

当NC加工模拟测试完成后，Creo及PowerMILL及VERICUT三者的资料整合已完成，接下来可以让使用者直接使用此整合资料执行其他不同类型工件的NC加工模拟。

七、结语

篇5：中国五轴数控机床的发展现状

近年来，我国五轴加工机床和技术突破了国外的封锁，取得了快速发展。五轴五联动加工机床国内生产厂家已增至20家。从1999年开始，在CIMT、CCMT等国际、国内机床展览会上，国内的五轴数控机床产品纷纷亮相，国内五轴数控机床的市场逐渐打开。

CIM T99、CCMT2000分别推出3台国产五轴联动机床；CIMT2001国际机床展览会上，北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速10000r/min的五轴高速龙门加工中心；北京市机电院的主轴转速15000r/min 的五轴高速立式加工中心；清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63，采用标准Stewart平台结构，可实现六自由度联动；大连机床厂自行研制的串并联机床DCB—510，其数控系统由清华大学开发，该机床通过并联机构实现X、Y、Z轴直线运动，由串联机构实现A、C轴旋转运动，从而实现五轴联动，其直线快速进给速度可达80m/min。这些机床均已达到国际先进水平，体现出我国机床工业为国防尖端工业发展提供装备的实力又有突破性提高。

国产五轴叶片加工机床目前已能批量生产，北京机电院高技术股份有限公司的五轴叶片加工中心已有十多台在东方汽轮机厂使用，替代了进口产品。首台为航空发动机叶片加工的产品已通过使用方认可和验收。桂林机床股份有限公司十余台五轴加工铣床进入航空制造业。大连、沈阳、济二等机床厂的五轴五联动加工机床也进入了航空航天制造业和通用机械制造业。

沈阳机床集团有限公司最近自主研发的主轴A、B轴摆动的五轴立式加工中心和龙门加工中心，打破国外长期技术封锁，首台即得到了飞机制造业的青睐。华中数控等公司已能生产和提供五轴联动数控系统和加工软件。

要特别强调的是，今后要特别重视新工艺的研究与创新，从而促进数控产品的创新；要特别重视数控加工工艺参数的优化和建立数据库的工作，以提高生产效率和加工质量。要特别重视新材料的研究与应用，以提高数控机床性能；要特别重视数控技术的智能化网络化技术的开发与应用，其前景广阔。

篇6：数控五轴加工实验感想

数控五轴加工实验早已结束，回头看看却收获颇多。不仅是我对数控机床的认识更加深刻，而且还学到了很多数控方面的专业知识，像Mastercam编程软件、数控机床的硬件装置等。尤其是最后我们对于机床的实际操作，使我对数控知识的理解有了很大的改变，对数控机床的认识不再那么感性，有了很理性的认识。整个实验，十分注重动手能力，对我们的实践能力的提高大有帮助。

在五轴加工实验之前, 徐老师带领我们参观了实验数控机床，重点给我们讲解数控机床的知识，并演示了数控机床的操作。我们所用的机床是双转台固定车身式五轴联动数控机床，机床的数控系统是西门子840D，程序传输介质时U盘，五轴分别是X、Y、Z、A、B。徐老师先讲解了机床的总体布局，以及面板的各个旋钮、按键在机床加工中的作用。首先正确启动机床进入操作界面，初步了解数控操作系统各个参数的意义，以及不同硬件模式下所允许的各种操作，比如修改系统参数时只能在MDI方式下，编辑程序时需要在EDIT状态下等。参观实验机床之后，徐老师带领我们参观了实验室的各种不同型号的机床,并进行了详细的讲解,以前在大学工厂实习时我也接触过一些机床，不过那都是一些很普通的机床，这次可是开了眼界，可参观结束之后心里却很难受，在我们国家那些所谓的很先进加工精度很高的机床原来大多数都是国外淘汰了以高价卖给我们国家的，也就是我们国家的机床技术落后人家十几年甚至更多，作为当代的研究生，对于这些我深感危机，深刻感到我们肩上的重担。

参观之后，我们就要实践了，数控程序的编制和机床的实际操作，经过小组讨论没，我们决定加工发动机叶片模型。数控机床加工程序的编制采用的是自动编程，我们只需要用Mastercam软件做出自己的3D模型，然后根据实际需要，选择不同的刀具及加工方式，编辑加工路径，然后运行，软件自动生成所需要的NC文件，即数控加工程序。刚开始学习Mastercam 软件时，曾经学习过Solidworks三维软件，所以Mastercam三维造型部分的学习比较容易，只需要稍稍适应Mastercam的操作界面及各个快捷键即可。接下来就是自动生成数控加工程序的操作，其实生成数控程序看起来简单，其实也是需要一定的专业知识的，因为每个数控系统能识别的数控代码不一样，所以根据软件生成的数控程序也是有一定差异的，对于生的程序要根据相应的加工机床进行修改。我们所用的程序传输介质是U盘，只要把相应的数控程序用程序介质考到机床里即可。为了防止机床操作系统中毒，我们把程序都拷到徐老师的U盘里在输送到数控系统中。接下来的就是加工过程中的实际操作，像设定绝对坐标系、工件坐标系，对刀等操作。在这期间，也出现了很多错误，像，主要是由于我们经验不足，考虑不周，这也暴露出我们分析问题时缺乏系统思维，对问题估计不足。

在这次五轴加工的实验过程中，我们遇到的最大问题就是在刀具路径生成后总是发现刀具旋转轴与实现预设旋转轴不一致，检查很多次也没找到问题，即使重新建模也没有解决，后来经过老师的悉心指导才发现是在建模是由于选择了右视图作为建模视角，因此才导致旋转轴不是按照X轴旋转。这给我感触很深，使我意识到了实践经验真的很重要，只靠专业知识，而没有理论联系实践是不行的。最后加工出的叶片，其厚度与设计有一定的误差，经过我们分析可能的原因是：叶片再建模时由于毛坯尺寸大于实际毛坯尺寸，因此在加工时空加工了一段时间，为了消除这段空加工，就在加工程序中修改了起始点，但是在后续的加工中依然是使用原始设计的进给，因此导致加工出来的叶片比设计的要薄。

这次的数控实验真的使我受益匪浅，使我对数控机床的理解不再停留在感性认识，又有了理性认识。以前在普通机床上加工零件时，都是先由工艺人员按照设计图样事先制订好零件的加工工艺规程。在工艺规程中制订出零件的加工工序、切削用量、机床的规格及刀具、夹具等内容。操作人员按工艺规程的各个步骤操作机床，加工出图样给定的零件，零件的加工过程是由人来完成。而数控机床则是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工。我们把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数以及辅助功能，按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上，然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。不仅节约时间而且加工精度还高。

篇7：五轴联动数控机床发展与应用

随着当今制造业的蓬勃发展,对高档数控机床的需求也越来越迫切,精密、超精密以及纳米级加工成为主要发展方向。而五轴联动数控机床的出现,极大地顺应了世界制造业的发展,它不仅集成化程度高、复合化性能好、加工方式灵活,而且还保证了均匀的误差分布与良好精密度,可用于多而复杂的曲面加工,显著提高了加工效率,对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业,有着举足轻重的影响力[1]。因此,在实际生产过程中,为了确保预期的加工品质,有必要在出厂前对其进行测试与调整。基于上述考虑,本文在Sinumerik840D数控环境下,首先阐述了五轴联动机床的圆度测试方法,对可能出现的测试结果进行了分析,提出了具体的解决方案。而后,讨论了同步龙门轴的调整过程,对相应的系统参数进行了具体设置,并结合实际的参数值对工作过程进行了描述。

2 五轴联动机床的圆度测试与同步龙门轴调整

2.1 五轴联动机床各平面的圆度测试

与普通机床类似,圆度测试在五轴联动机床调整过程中也必不可少。因为机床运行的绝大多数线路是由一个三维曲线组成的,在实际的加工过程中本质上就是用一些圆弧来逼近它。所谓圆度测试,就是机床在某一速度下完成某一半径大小的平面圆,根据机床实际运行得到的圆是否标准,来评价机床在拐点的位置是否具有优良的动态性能。在进行圆度测试的过程中,所选取的圆的半径以及相应的速度应由机床的快移速度与加速度来决定。通常情况下,如果在较高速度下进行测试时,能够保证得到的半径较小的圆的试验结果,那么半径较大的圆的试验结果也会得到相应的保证。

对于五轴联动机床,需要对X-Y,Y-Z以及X-Z分别进行圆度测试。由于过程类似,这里仅以X-Y为例加以说明。为了避免产生椭圆轨迹,在开始测试之前应首先选定手动模式,在同一运行速度下对X轴和Y轴的跟踪误差进行测试,确保二者具有相同大小的值。之后,选定MDA操作模式,编制并运行如下所示的圆加工程序[2]:

如图1所示,在程序正在运行的过程中,选定驱动伺服界面的“圆度测试”选项,在“Axis”下拉菜单内填入进行圆形插补的X1轴、Y轴;在“Parameter”区域内给出圆的半径和进给速度与测试次数。下一步,选定“Start”软键,参与插补的X1轴、Y轴的实际位置就由系统实时存储。测试完成之后选择“Display”软键,跟踪得到的圆形曲线就相应地在数字屏幕中展示出来。

为了使圆的展示效果更清晰,需要调整展示圆弧的分辨率大小。如果经过优化之后得到的结果不够理想,展示的是一个不标准的圆。这种情况下,可以通过对相关参数进行调整来得到一个标准的圆。在位置环参数与速度环滤波器增益不相同的情况下,所得到的圆的形状如图2所示。

在得到较标准的圆之后,也不排除在圆弧的四个象限点周围出现“小尖峰”的可能。产生这种现象的原因是,当穿越象限点的时候,参与插补的轴中有一个轴正在进行换向,而这一过程中存在的摩擦力在换向点位置通常会使轴发生滞后。一般而言,如果机床的动态特性较好,其自身就会弱化在换向点位置的滞后现象;当误差滞后现象过于明显,那么可以通过过象限误差补偿的方法来对其进行补偿。补偿的过程为:在轴进行换向之前施加一个适当的速度信号。为了避免欠补偿或者过补偿,该速度信号幅值的大小和提前的时间值需要与产生的误差大小相适应。调整过程中常用到的参数列出如下:

MD32500 FRICT_COMP_MODE:摩擦力补偿生效数据;

MD32520 FRICT_COMP_CONST_MAX:摩擦力补偿的幅值数据;

MD32540 FRICT_COMP_TIME:摩擦力补偿的时间数据;

通过修正相应参数得到的测试结果如图3所示。

2.2 同步龙门轴调整

同步龙门轴可驱动较大的负载,也可能应用于五轴联动机床,因此有必要对同步龙门轴的调整进行讨论。同步龙门轴的结构如图4所示,机床X方向由两个轴X1和X2组成,Z方向由Z1和Z2组成。系统共有六个轴,两个龙门轴组。

假设X1和Z1为主动轴,系统参数设置如下[3]:

(1)龙门轴是一个选项功能,在使用前必须由MD19310来激活。(2)按照正常轴的调整步骤设置好机床的六个轴,然后设置X1和Z1分别为龙门轴组1和2中的主动轴:

(3)设置X2和Z2分别为龙门轴组1和2中的从动轴:

(4)设置龙门轴之间的位置监控值:

当龙门轴组回零完成后,实际位置差值大于MD37110中所设置的位置监控值,那么就会出现系统报警10652Channel%1 axis%2 gantry warning threshold exceeded,而轴组的同步关系仍然保留。在PLC侧则可通过监控DB31..DBX101.3这一位来判断是否出现位置偏差预报警,并作出相应处理。

当龙门轴组回零完成后,如果主动轴与从动轴实际位置的差值大于MD37120中所设置的值,那么就会出现系统报警10653 Channel%1 axis%2 gantry error threshold exceeded,轴组的同步关系也由系统相应地消除,从属于龙门轴组的各轴在预先设定好的加速度下制动停车,并将接口数据DB31..DBX101.2置位。

在龙门轴返回零点之前,如果主动轴与从动轴实际位置的差值大于MD37130所设置的值,那么系统同样会出现10653号报警,轴组的同步关系也由系统相应地消除,从属于龙门轴组的各轴在预先设定好的加速度下制动停车,并将接口数据DB31..DBX101.2置位。

可将此参数用于消除轴组的同步关系,这样从属于龙门轴组的各个轴的控制就会互不影响。对它进行调整的时候应当确保龙门轴机械连接元件不会遭到危害。应当指出的是,对于从属于龙门轴组的各个轴,应当将机床数据MD37110、MD37120、MD37130与MD37140写为同一个值。

在龙门轴组设置完成后,龙门功能生效的条件是:龙门轴组不被机床数据MD37140所消除。一旦上电,龙门轴与其它轴同样都需要返回参考点。在龙门轴返回参考点的过程中,主动轴首先返回参考点,而后从动轴才能返回参考点。如果是首次调整,那么它们各自的参考点坐标通常会存在显著的差异,应将该差异写入主动轴或从动轴的机床数据MD34090之中。此后,如果龙门轴再返回参考点,那么屏幕就会显示大小一致的坐标值了。倘若还要重新调整主动轴坐标的大小,就要求在主动轴和从动轴的坐标偏移中都写入需要调整的差值。

首次调整完成后,就将参考点的首次调整值作为龙门轴机械部环节的基准。这样,每当上电时,各龙门轴的差值就会以返回参考点的方式来检测。如果这个差值小于在机床数据MD37110中设置的值,它将由系统所自动调整,使其大小近似为零。反之,如果误差过于显著,相应的提示信息“系统等待同步启动”就会由系统自动输出。此外,PLC还将收到一个来自系统的接口信号DB31..DBX101.4。这样,如果需要再一次使龙门轴同步及其误差近似为零,就必须首先将PLC设置为“启动同步”。

在PLC程序中,所有与龙门轴有关的功能只要求设置一个用户的自定义键即可,而无需作其它的改动。当龙门轴返回参考点时,系统会自动检测龙门轴的位置误差,如果这个误差超过MD37110中的设置值,那么相应的提示信息就会由系统会输出,等候用户给出同步命令。这样,倘若要启动龙门同步,可在PLC程序中将前述的用户定义键信号传给主动轴的数据DB31..DBX29.4之中。

3 结语

本文探讨了五轴数控机床的圆度测试与龙门轴调整问题,给出了具体的实现方案。该方案除了为数控机床的测试与调整提供了技术指导外,还在沈阳机床集团某款机床的批量投产中应用,对加工精度提供了保证,得到了客户的一致好评,被市场所广泛认可。但是,文中的讨论是基于是西门子840D数控系统环境的,是否能够推广到其它品牌的数控系统还需要进一步验证。

摘要：针对应用西门子840D数控系统的五轴联动数控机床,阐述了它基于软件的圆度测试过程,对可能出现的测试结果给出了具体的分析与解决方案。讨论了同步龙门轴的调整过程以及相应参数的设置方法。实验结果表明了文中所述方法的有效性。

关键词：五轴联动机床,圆度测试,同步龙门轴调整

参考文献

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