國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床實(shí)操初探

摘 要：以作者在陜西西安參加2018首期“少年智造創(chuàng)客營(yíng)”的小木雕工藝品設(shè)計(jì)和加工的經(jīng)歷，介紹了基于國(guó)產(chǎn)中望CAD 2017教育版軟件和HWATEC-5M160五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模擬仿真和實(shí)際加工的整個(gè)過(guò)程。期望能使讀者對(duì)國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)有一個(gè)更加直觀的了解。

關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床；CAD軟件；零件建模；機(jī)械加工

中圖分類號(hào)：TG547 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The paper explains the whole process of design， simulation and actual make of a small handicraft work. The work was completed by means of ZhongWang CAD2017 education software and five-axis CNC machine tools， during the first ‘2018 Youth Intelligent Creation Camp held in Xian， Shaanxi Province. It is expected that the reader will have a more intuitive understanding of the technology of domestic five-axis CNC machine tools.

Keywords：five-axis CNC machine tool； CAD software； parts modeling； mechanical operation

0 引言

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床（5 Axis CNC Machine Tool）是一種高科技含量、高精密度的專門用于加工復(fù)雜曲面的機(jī)床。這種機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國(guó)家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力。

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是指在一臺(tái)機(jī)床上至少有5個(gè)坐標(biāo)軸（3個(gè)直線坐標(biāo)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)），而且可以在數(shù)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工。它的優(yōu)勢(shì)在于：可一次性完成零件的五面加工，減小重復(fù)裝夾次數(shù)，提高加工精度，節(jié)約時(shí)間。眾所周知，重新夾裝被加工件，對(duì)夾裝位置要求很高。多次裝夾需要重新尋找基準(zhǔn)坐標(biāo)，會(huì)影響加工的定位精度。用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床一次定位后可以完成對(duì)5個(gè)面位的加工，對(duì)于只要求加工5個(gè)面位及以下的零部件能一次完成全部加工。

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是由傳統(tǒng)三軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)外加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸發(fā)展而來(lái)，是目前解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等等零部件加工的唯一手段。正是基于這個(gè)原因，中國(guó)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略所制定的10年行動(dòng)綱領(lǐng)——中國(guó)制造2025的高端裝備創(chuàng)新工程，對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床提出了新的目標(biāo)，要求研發(fā)具有高精密、高速、高效的高檔數(shù)控機(jī)床。

高科技裝備和人之間的關(guān)系，人是決定因素。作者認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首先需要越來(lái)越多的技術(shù)人員對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床有更多的了解，最好具備實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。由于大型的五軸數(shù)控機(jī)床因制造成本、維修費(fèi)用高昂等原因，技術(shù)人員的機(jī)床綜合應(yīng)用能力得不到有效提升，創(chuàng)新性探索更是駐足不前。隨著國(guó)產(chǎn)CAD軟件平臺(tái)和五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，尤其是小型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，為相關(guān)技術(shù)人才實(shí)際操作能力的培養(yǎng)提供了一個(gè)高效的實(shí)踐平臺(tái)。

1 五軸數(shù)控機(jī)床原理簡(jiǎn)介

五軸機(jī)床是在原有三軸的加工中心發(fā)展而來(lái)。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的規(guī)定，在描述數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用右手直角坐標(biāo)系，其中平行于主軸的坐標(biāo)軸定義為Z軸，繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分別為A、B、C。各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)可由工作臺(tái)，也可以由刀具的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但方向均以刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)方向來(lái)定義。通常五軸聯(lián)動(dòng)是指X、Y、Z、A、B、C中任意5個(gè)坐標(biāo)的線性插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。換言之，五軸指X、Y、Z三個(gè)移動(dòng)軸加任意兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。五軸依據(jù)聯(lián)動(dòng)軸擺動(dòng)機(jī)構(gòu)不同，有工作臺(tái)搖籃式、立式主軸雙擺頭、臥式主軸雙擺頭、工作臺(tái)擺動(dòng)式和工作臺(tái)主軸擺動(dòng)5類，如圖1所示。

作者使用的是陜西華拓科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HWATEC-5M160桌面式微型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，如圖2所示。這是一款工作臺(tái)搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，基于傳統(tǒng)三軸加工中心的基礎(chǔ)，加上搖籃式工作臺(tái)，變成3+2式的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。聯(lián)動(dòng)軸為X/Y/Z/A/C，Y軸方向B軸不旋轉(zhuǎn)。該機(jī)床采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的華拓開(kāi)放式PC+I/O型多軸聯(lián)動(dòng)（五軸聯(lián)動(dòng)及以上）數(shù)控系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、搬運(yùn)方便和操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，主要用于加工生產(chǎn)各種微小型復(fù)雜零件，可以加工玉石、陶瓷、工程塑料、石墨、實(shí)木和有色金屬等多種材質(zhì)。

該機(jī)床的有效行程為：X軸160mm，Y軸195mm，Z軸175mm；工作臺(tái)尺寸F160mm；A軸：-110°～ 15°；C軸：0°～ 360°；定位精度≤0.02mm，重復(fù)定位精度≤0.01mm；外形尺寸940mm×960 mm×980 mm。

下面以一個(gè)六面體小木雕的加工為例，介紹軟件設(shè)計(jì)和機(jī)床加工的全工程，圖3給出了設(shè)計(jì)仿真和加工的全流程圖。其中，設(shè)計(jì)仿真軟件采用中望3D 2017教育版，它是一款圖形化編程軟件，易于掌握和使用?？梢詮墓倬W(wǎng)上下載有效期為30天的試用版（http：//www.zwcad.com/download/）。加工機(jī)床采用前面介紹的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。中望軟件系統(tǒng)和HWATEC系列機(jī)床可以無(wú)縫連接，使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便。

2 設(shè)計(jì)

2.1 零件建模

通過(guò)下列步驟設(shè)計(jì)并建立零件造型。

（1）打開(kāi)中望軟件，創(chuàng)建新建項(xiàng)目，選則“零件/裝配”；

（2）選擇“造型”。選擇“六面體”并設(shè)置六面體的參數(shù)；根據(jù)需要在六面體上利用給出的工具設(shè)置倒角、圓角、打孔等操作，如圖4所示。

（3）建“草圖”，選擇設(shè)計(jì)圖案的平面，用給出的草圖工具設(shè)計(jì)要雕刻的圖案，如圖4（b）所示。

（4）返回主菜單，“添加胚料”。

2.2 工序選擇

（1）選擇加工方案（如圖5所示）。點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵選擇“工序”、 “插入工序”，選擇工序類型，作者選的是“2軸銑削”中的“輪廓”；選擇“刀具”，并根據(jù)將使用的刀具進(jìn)行設(shè)置；設(shè)置輪廓切削的參數(shù)。

（2）選擇“參數(shù)”，如圖6所示。設(shè)置“坐標(biāo)”，注意“公差和步進(jìn)”中的“底部余量”必須設(shè)置為負(fù)數(shù)；“連接和進(jìn)退刀”菜單中的“自動(dòng)進(jìn)刀和退刀”為“無(wú)”；

（3）設(shè)置“限制參數(shù)”；

（4）設(shè)置“特征”，新建→特征→輪廓，用鼠標(biāo)點(diǎn)選需要加工的輪廓，最好選擇一筆能連下來(lái)的圖形為一個(gè)輪廓；

（5）重復(fù)步驟4，直至所有設(shè)計(jì)界面的所有圖案都被選中；

（6）設(shè)置“加工安全高度”；

（7）設(shè)置坐標(biāo)系，創(chuàng)建坐標(biāo)基準(zhǔn)面。

2.3 軟件仿真

在“工序”選項(xiàng)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵“計(jì)算全部”后選擇“實(shí)體仿真”。圖7為實(shí)體加工仿真界面，這時(shí)可以看到模擬的加工軌跡。

至此，完成了加工對(duì)象的建模、實(shí)體加工仿真過(guò)程。檢查實(shí)體仿真無(wú)誤后，可以進(jìn)入實(shí)際機(jī)床加工過(guò)程。

3 實(shí)際機(jī)床加工

3.1 輸出數(shù)據(jù)

（1）選擇設(shè)備。選擇在“設(shè)備”處用鼠標(biāo)右鍵調(diào)取“設(shè)備管理器”，根據(jù)所使用機(jī)床設(shè)置設(shè)備參數(shù)。

（2）工序文件輸出。用鼠標(biāo)右鍵在工序處選擇輸出，并根據(jù)機(jī)床要求，選擇相應(yīng)的輸出文件類型文件類型（CL格式——程序1，或NC格式——程序2）。

程序1 輸出的CL格式文件

$$ CAM-ID： ZW3D V15.1

PARTNO / '輪廓切削 2 1'

MACHIN/ZWPost，Anilam_Crusader

PPRINT / ‘Programmed by Administrator

PPRINT / ‘

TMARK/1

SEQNO/0，INCR，1

FROM/0.00000，0.00000，500.00000

$$ End startup sequence.

$$ Begin first tool sequence.

PPRINT / 'Tool 0 is 刀具 1.'

PPRINT / ‘SHAPE PARAMETERS

CUTTER/1.00000，0.10000，0.40000，0.10000，1000.00000，

0.00000，5.00000

TOOLNO/0，IN，0，MILL，OSETNO，0

SELECT/TOOL，0

LOADTL/0

SELECT/TOOL，0

SPINDL/RPM，1000，CLW

COOLNT/FLOOD

$$ End first tool sequence.

MULTAX/ON

$$ Begin new operation sequence.

PPRINT / 'Operation - 輪廓切削 2'

PPRINT / 'Tactic - 輪廓切削 2'

PPRINT / 'Plan - 零件005_CAM'

PPRINT / 'File - 零件005.Z3'

$$ End new operation sequence.

OPER_TYPE/MILLING，

RAPID

GOTO/8.00000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

RAPID

GOTO/-39.50000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

FEDRAT/MMPM，375.00000

SPINDL/RPM，1000，CLW

GOTO/-40.00000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

FEDRAT/MMPM，50.00000

GOTO/-42.50000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

FEDRAT/MMPM，250.00000

GOTO/-42.50000，-59.53507，-3.54201，1.00000，0.00000，0.00000

……

GOTO/-42.50000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

RAPID

GOTO/8.00000，-59.62062，-2.23675，1.00000，0.00000，0.00000

OPER_TYPE/OFF，

MULTAX/OFF

$$ Begin termination sequence.

SPINDL/OFF

COOLNT/OFF

PPRINT / ‘End of program.

REWIND

FINI

程序2 輸出的NC格式文件

%

O輪廓切削 2 2

N1G00G70G90

N2G29T1000X0Y0

N3T0

N4T0M08

N5G00X8.Y-59.6206Z-2.2367

N6X-39.5

N7G01X-40.F375.

N8X-42.5F50.

N9Y-59.5351Z-3.542F250.

N10Y-59.2799Z-4.8249

……

N54Y-59.6206Z-2.2367

N55G00X8.

N56M09

N57X0Y0

N58G29E

%

3.2 機(jī)床加工

將輸出將文件導(dǎo)入機(jī)床系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)械加工，如圖8所示。

圖9中圓圈標(biāo)出的是作者利用中望3D 2017教育版設(shè)計(jì)并利用HWATEC-5M160加工出來(lái)的六面帶圖案的六面體木雕小部件成品（經(jīng)過(guò)后期著色處理），其余是其他創(chuàng)作人員完成的作品。因?yàn)榧庸さ氖橇骟w，一次只能加工5個(gè)面，實(shí)際加工中進(jìn)行了二次夾裝，與圖9左側(cè)仿真圖形相比，最終完成的產(chǎn)品達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。首期“少年智造創(chuàng)客營(yíng)”營(yíng)期10天，每個(gè)人完成作品5件，如圖10所示。

結(jié)語(yǔ)

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是高精度機(jī)床，其運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、編程難度大，對(duì)操作人員的操作水平和經(jīng)驗(yàn)都有較高的要求。小微型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對(duì)于操作人員進(jìn)行實(shí)踐加工訓(xùn)練十分方便有效。本文對(duì)木雕部件的設(shè)計(jì)、仿真和加工全過(guò)程進(jìn)行了介紹，期望使越來(lái)越多的人對(duì)國(guó)產(chǎn)五軸數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和使用有一個(gè)較全面的了解，激發(fā)對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)設(shè)備的興趣，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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任沐華住址：陜西省西安市雁塔區(qū)太白南路二號(hào)南院69號(hào)樓。