1、五轴联动数控机床技术现状与发展趋势口梁铖口刘建群广东工业大学机械电子学院广州5 1 0 0 0 6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中图分类号：T 一1文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 4 9 9 8(2 0 1 0)0 1 0 0 0 5 0 3A b s t r a c t：T h ea d v a n t a g e sa n di m p o r t a n c eo ff i v e a x i sC
2、N Cm a c h i n et o o l si ni n d u s t r i a lm a c h i n i n ga r ep r e s e n t e d T h es t a t u sq u oo fd e v e l o p m e n to ff i v e a x i sC N Cm a c h i n et o o l sa th o m ea n da b r o a di sd e s c r i b e da n dt h e i rd e v e l o p i n gp r o s p e c tg i v e n K e yW o r d s：F i
3、v e a x i sC N CM a c h i n eT o o l sT e c h n o l o g yS t a t u sD e v e l o p i n gT r e n d s数控机床是制造装备业的工作母机，是实现先进制造技术和装备现代化的基石，是保证高技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。随着工业化的发展，五轴联动数控机床被认为是航空航天、船舶、精密仪器、发电等行业加工关键部件的最重要加工工具。作为难度最大、应用范围最广的数控机床技术，五轴联动数控机床在加工方面有着其不可替代的优点1 2 J：1 能够加工一般三轴联动机床不能加工或者无法一次装夹加工完成的连续光滑的自由曲
4、面。例如航空发动机转子、大型发电机转子、大型船舶螺旋桨等。由于五轴联动数控机床在加工过程中刀具相对于工件的角度可以随时调整，避免了刀具的加工干涉，因此五轴联动数控机床可以完成三轴联动机床不能完成的许多复杂的加工。可以提高自由空间曲面的加工精度、加工效率和加工质量。相对于三轴数控机床加工一般的型腔复杂的工件，五轴数控机床可以在一次装夹中完成加工，并且由于五轴数控机床加工时可以随时调整位姿角，五轴数控机床可以以更好的角度加工工件，避免了多次装夹，大大提高了加工效率、加工质量和加工精度。符合机床发展的趋势。在零件加工过程中，大量的时间被消耗在搬运工件、上下料、安装调整等时间上，为了尽可能减少这些时间
5、，人们希望可以用一台机床完成尽量多的加工。五轴数控机床可以完成数台三轴数控机床才能完成的加工任务，大大节省了占地空间和工件在不同加工单元之间运转的时间和花费。五轴联动数控机床的重要作用使其成为当今机床工业发展的热点和重点。1五轴联动数控机床国内外现状1 1五轴联动数控机床实现五轴联动的基本结构五轴联动数控机床除了可以实现X Y Z 轴的运收稿日期：2 0 0 9 年6 月器机械制造4 8 卷第5 4 5 期动，还需要实现两个轴的回转。以立式加工中心为例子，立式五轴加工中心的回转头有两种实现方式【3】：工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以绕x 轴转动，定义为A 轴。工作台的中间还设有一个回转台
6、绕z 轴转动，定义为c 轴。这样通过A 轴和C 轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面，其余五面可以由加工中心的主轴进行加工。这种设置方式的优点是主轴比较简单，主轴刚性好，制造成本低，缺点是工作台不能设置太大，承蕈较小。依靠主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，这个回转头一方面可以绕z 轴旋转3 6 0。，成为C 轴，另一方面可以绕x 轴旋转，成为A轴。这种设置方式的优点是主轴头比较灵活，可以加工例如大型客机机体等大型零件，因此在大型龙门机床上应用较广。由于这种设置在切削过程中使得主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证一定的线速度，可提高表面切削精度，所以这种结构非常受高精度曲面
7、加工的欢迎。除了上述两种结构外，卧式加工中心还有通过工作台旋转和主轴头摆动相结合等实现五轴联动的结构。1 2国外五轴联动数控机床研究现状当前国外五轴联动数控机床以欧美、日本为代表，这些国家的五轴联动数控机床代表了当今五轴联动数控机床发展的最高水平。目前国外著名机床厂五轴联动数控机床技术发展重点可归结为：高速、高精度、环保、智能、复合化。力矩电机在国外作为回转坐标驱动装置的广泛使用，使得国外机床进给机构实现了高速、低损耗、高精度、高效率的目标。D M G 公司的D M C l 6 5 !E 配上了旋转工作台后，可以进行五轴联动的数控加-E。该机床的最高转速可达到3 00 0 0r m i n，由
8、于采用高性能直线电机驱动，其最快移动可达到9 0m m i n，加速度2g。而作为复合机床的代表，德2 0 1 0 1 万方数据国D M G 公司的G M X 2 5 0 1 i n e a r 五轴车铣复合中心和D M U 8 0 P H 五轴车铣复合中心、韩国D o o s a n 公司P U M AM X 2 5 0 0 S T 九轴控制五轴车铣复合中心、瑞士威力铭一马科黛尔公司的W 一5 0 8 M T 八轴控制五轴联动铣车复合中心、瑞士宝美技术公司展出的S 1 9 2 b l 和S 1 9 1 F r L R 五轴车铣复合中心等，在C I M T 2 0 0 7 上也得到了广泛的关注
9、。新的机床技术在五轴联动机床上的使用，使得五轴联动机床在结构上越来越简单，在性能、功能上却越来越优秀6。最近为了避免叉式主轴头在主轴发生微小偏摆时，c 轴必须转动很大角度的情况，德国Z i m m e r m a n n 公司设计出了一种M 3 A B C 性主轴头，这种主轴头增加了一个弧形导轨，因而多了一个曰坐标。所以，它是一种具有A、B、C 三个回转坐标头，除有约正负4 0。的偏摆角限制外，还有其它位置限制。这种铣头将迄今为止各种结构方案的所有优点都结合在一起了。具体优点如下：刚性非常好、结构紧凑；有A、B、C 三个坐标；偏转范围大；C 轴转动不受限制。这种设计使得五轴联动数控机床在加工时
10、精度更高。1 3国内五轴联动数控机床研究现状由于我国工业基础薄弱，国外同类产品的技术封锁，国内五轴联动数控机床相对于国外整体水平还较低，具体体现在关键功能还不能自主研发或者与国外同类产品比，稳定性、精度等相差较大。但是在国家相关政策的支持及相关企业、学校等部门的努力下，我国五轴数控机床技术也得到了飞快的发展，逐渐形成了较为成熟的产品。从C I M T 2 0 0 7 展会上所展机床情况来看，我国五轴联动数控机床已经形成了品种多样、技术成熟、拥有自主技术知识产权的特点”】。沈阳机床展出了适合于航空工业钛合金和铝合金机框加q-的主轴j 4、B 轴摆动的V M C 2 5 1 0 0 u 五轴立式加
11、工中心和G M C l 2 3 0 u 五轴龙门高速加工中心，这类产品长期以来一直依靠国外进口，是国外限制出口的高科技产品，这是我国五轴联动数控机床产业的一重大突破。济南二机床展出的X H S V 2 5 2 5 X 6 0 0 0 型五轴龙门移动式高速镗铣加工中心，工作台尺寸为60 0 0m m 25 0 0m m，X y Z 轴行程为60 0 0m m 25 0 0m m 12 5 0m m，进给速度0 2 00 0 0m m m i n，快速进给4 0m m i n，摆动回转铣主轴0 2 40 0 0r m i n，功率4 0k W，刀库容量2 0。这个产品是本届展会中规格最大的五轴联动
12、加工中心，表明我国在高档大型、重型数控机床的研发上也取得了最新进展。“十五”期间，中国五轴数控机床在发展上取得了一定的成果，主要可归结为5 点1 7,S】：取得了一些原创性的成果。有齐齐哈尔二机床集团联合清华大学、哈尔滨电机厂有限公司研制的X N Z D 2 4 1 5 大型龙门式五轴联动混联机床在我国并联五轴联动数控机床方面取得了四2 0 1 0 1一个重要的突破，并在哈尔滨电机厂水分厂两年的运用中获得了较高的评价。对五轴数控机床的技术创新取得了突破。例如齐齐哈尔二机床自主研制的高速五轴数控铣床，通过技术的引进消化，掌握了铣头内油雾冷却、横梁预应力反变形控制等关键技术，并利用谐波传动原理，开
13、发出A C 摆角铣头，满足了大型水泵叶片曲面加工的精度要求；沈阳机床集团通过与国外联合设计，攻克了动力驱动单元、大直径大通孔的高速强力主轴、刀架、热平衡、精度补偿等多项关键技术，高性能车铣复合机床刀库和机械手换刀装置完伞具有自主知识产权。主轴最高转速为7 00 0 0r r a i n，可满足形状复杂的大型回转体零件如飞机发动机主轴、起落架、船用发动机活塞等的高速高敏加工；北京机电院高技术股份公司为东方汽轮机厂研制出五轴叶片加工中心系列产品，在对大型叶片加工3-艺研究的基础七，给出了最佳刀心距的求解方法，设计出了回转轴的新型消除间隙机构和机构平衡系统，首创提出自由组合弹簧，使得平衡效果达到8
14、0。功能部件研究开发步伐加快。北京机床研究所开发的电主轴和分离传动式高速主轴单元，以及洛阳轴承研究所研制的多种内装式电主轴单元，使我国在高速主轴单元技术上日趋成熟；清华大学在直线伺服电动机研究上取得重要的成果，其研发的高响应直线电机和高推力直线电机伺服系统具有所用专用电源稳定可靠的优点。在控制系统、构建高推力永磁直线交流电机全数字伺服驱动控制的软硬件平台、伺服控制方面也取得了很大的突破；通过自主创新以及与国内外的技术合作，目前国内已经有多家机床生产企业掌握了A C 轴复合摆角铣头的没计制造技术，开发出不同结构的五轴联动数控机床，北京机电院高技术股份有限公司还开发了力矩电机直接驱动的A c 轴复
15、合摆角铣头。由力矩电机直接驱动的数控转台和刀库研制成功。通过对H S K 工具系统的研究分析，开发了u J 卜H s K 工具系统的专家知识系统，建立了H S K 工具系统综合实验性能数据库，开发出H S K 刀柄技术及相关产品，并使开发的H S K 工具系统达到了同类进口技术产品的技术水平。尽管我国在五轴数控机床技术上已经取得了一定的成果，但是我们必须看到我们和国外同类产品的差距，只有走自主研发，不断创新的道路，我国五轴联动数控机床技术才能得到真正的提高，我们有理由相信国家蕈=大专项的启动必然会带动我国高档机床技术的又一次弋跃。2 五轴联动数控机床的发展趋势从国内外五轴联动数控机床的研究现状
16、，我们可以很清晰地看到当今五轴联动数控机床的发展趋势为阻n】：1)高速、高效率。现代加工工业高效率、低成本、高机械制造4 8 卷第5 4 5 期?盘 万方数据质量的要求使得欧美日等囤热衷于高速甚至超高速机床的研究。随着机床技术的发展旧J，高速机床主要功能部件高速电主轴单元、高速进给机构、高性能数控以及伺服系统都得到了突破，高速机床应用范围越来越广，目前直线电机驱动的主轴转速可达1 50 0 0 1 0 00 0 0r r a i n，进给运动部件快速移动速度6 0 1 2 0m r a i n。切削进给速度6 0m m i n 最高加速度1 0g。2)高可靠性。五轴联动数控机床加工表面比较复杂
17、，一般要求其平均无故障时间在2 00 0 0h 以上，且有多种报警和防护措施，减少由于故障造成的损失。国外驱动装置平均无故障时间可以达到3 00 0 0h。3)高精度。随着C A M 系统的发展，机床加工精度得到了大幅度的提升3 1，日本F A N U C 公司设计的一款超精密加工机床加工精度0 0 0 1I x m，其特有的往复运动单元，能够超精密微细加工凹槽。4)复合化。与以往单纯追求高速主轴和进给机构不同，当今市场对于个性化的要求日益强烈，交货日期也在不断缩短，因此五轴加工中心更趋向于小规模，甚至单件生产。为了满足这一要求，机床厂商需要开发出复合程度更高的复合机床，上文中提到的五轴车铣复
18、合加工中心就是这一趋势的重要例子。5)智能化、网络化、柔性化。智能化包含在机床控制的各个方面I，主要有自适应控制技术、故障诊断装置，智能化数字伺服驱动装置等。网络诊断、远程控制，网络设计等技术的兴起使五轴联动数控机床向网络化发展。6)绿色化。干切削或半干切削技术已经得到了较快的发展I”l，在欧洲已经有大概1 0 1 5 的加工采用了干切削或半千切削技术。3总结-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，我国只有紧跟世界机床发展的步伐，深人研究，不断加大自主创新的力度，才能在新的机床工业发展中不断前进。参考文献【1】范超毅透
19、过C I M T 2 0 0 7 看五轴联动加工机床的发展【J】机床与液压，2 0 0 8，3 6(8)：1 6 6 1 6 9 2】林胜五轴数控机床发展及应用【J 1 航空精密制造技术，2 0 0 5 4 1(4)：1 6【3】蕊阳机床工业亟须发展五轴数控技术【J】机电新产品导报，2 0 0 3(4)：4 4 4 6【4 1 匿名我国数控机床技术发展与展望l J】机械工程师，2 0 0 7(2)：2 1 0【5】中国机床工具工业协会市场部C I M T 精品荟萃【J ，世界制造技术与装备市场，2 0 0 7(2)：8 4 9 2【6】沈福金更加灵巧的铣头【J】，世界制造技术与装备市场，2 0
20、 0 8(4)：8 3【7】杨红华数控机床技术发展现状【J 1 湖南农机，2 0 0 8(5)：1 8 8 1 8 9【8】李东茹我国数控技术发展与展望 J】世界制造技术与装备市场，2 0 0 6(1)：3 0 3 5【9】郑东喜，邹传平浅析数控机床的发展趋势及国内形势 J】工业技术，2 0 0 6(2 3)：2 0【l O】吴志衡，徐旋波数控机床技术发展趋势 J】机电工程技术，2 0 0 4，3 3(9)7 一1 1【1 1】安胜谈我国数控机床技术发展趋势【J】农机使用与维修，2 0 0 7(6)：9 1 1【1 2】盛博浩，唐华数控机床技术发展浅析 J 1 航空制造技术，2 0 0 2(6
21、)：1 7 2 1 1 3】沈福金加工中心的主要发展动向一第2 3 届日本国际机床展(J I M T O F 2 0 0 6)评述【J】航空制造，2 0 0 7(2)：6 4 6 7【1 4】樊小年数控技术的应用与发展趋势初探【J】岳阳职业技术学院学报，2 0 0 5，2 0(2)：6 9 7 2【1 5】孙杰数控机床技术发展趋势 J】内蒙古科技与经济，2 0 0 7(2 2)：7 6 7 8(编辑文圻)铁路用工程机械呼之欲出2 纵列1 6 轴线，每轴双桥四轮，共6 4 轮，在不久前的第十届B I C E S率先打破铁路机械制造与工程机械制造领域的隔膜。T Y 9 0 0 型运梁上，徐工带来了
22、有别传统意义上工程机械产品的T Y 9 0 0 型运梁车。该车与传统铁路专用机械设备一个很大不同是，它采用轮胎式的行走产品主要用于接收提梁机运来的整孔预制箱梁，然后将其运输到桥方式，而非在铁轨上行走。这款产品也视为一个信号为有准备的梁架设工位。它采用了包括无级变速、激光测距等在内的多项先进技企业提供了发展铁路专用工程机械产品的方向。术，可实现遥控操作，为安全施工提供了良好的解决方案。目前，我国铁路明显运力不足。高速铁路、客货分离、城际快轨等此前，工程机械领域内，并没有专门服务于铁路领域的产品，铁项目络绎不绝地上马，从市场的角度来看，发展这个领域的工程机械路用的工程机械产品多属于特种机械。工程机
23、械产品用于道路建设产品具有非常广阔的前景。从技术储备上来讲，工程机械产品除了铁的专用设备仅限于公路领域，沥青拌合站、混凝土拌合站、摊铺机，压路领域专业化程度不够高以外，通用性技术都已经储备得较为完善。路机、平地机等，公路建设所需产品几乎应俱全。在铁路机械制造企业纷纷涉足工程机械制造领域的今天，是该工程前些年，南车时代等铁路设备制造企业开始进军工程机械市场，机械制造企业杀一个回马枪的时候了。(司宁博)三一一。“一p 一I 胪。P。一一咖一一卅一一，。”p”P 憎_ m 帅，”一p-一“-一_ 一一”“一一一一一r 卅，一P 伊，-，“，一，”，”-毒越机械制造4 8 卷第5 4 5 期2 0 1
24、 0 1 万方数据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作者：梁铖，刘建群，Liang Cheng，Liu Jianqun作者单位：广东工业大学机械电子学院,广州,510006刊名：机械制造英文刊名：MACHINERY年，卷(期)：2010,48(1)被引用次数：3次 参考文献(15条)参考文献(15条)1.范超毅 透过CIMT2007看五轴联动加工机床的发展期刊论文-机床与液压 2008(08)2.林胜 五轴数控机床发展及应用 2005(41)3.蕊阳 机床工业亟须发展五轴数控技术 2003(04)4.匿名 我国数控机床技术发展与展望期刊论文-机械工程师 200
25、7(02)5.中国机床工具工业协会市场部 CIMT精品荟萃期刊论文-世界制造技术与装备市场 2007(02)6.沈福金 更加灵巧的铣头 2008(04)7.杨红华 数控机床技术发展现状期刊论文-湖南农机 2008(05)8.李东茹 我国数控技术发展与展望期刊论文-世界制造技术与装备市场 2006(01)9.郑东喜;邹传平 浅析数控机床的发展趋势及国内形势 2006(23)10.吴志衡;徐旋波 数控机床技术发展趋势期刊论文-机电工程技术 2004(09)11.安胜 谈我国数控机床技术发展趋势期刊论文-农机使用与维修 2007(06)12.盛博浩;唐华 数控机床技术发展浅析期刊论文-航空制造技术
26、2002(06)13.沈福金 加工中心的主要发展动向一第23届日本国际机床展(JIMTOF2006)评述期刊论文-航空制造 2007(02)14.樊小年 数控技术的应用与发展趋势初探 2005(02)15.孙杰 数控机床技术发展趋势期刊论文-内蒙古科技与经济 2007(22)本文读者也读过(2条)本文读者也读过(2条)1.杜玉湘.陆启建.刘明灯.DU Yu-xiang.LU Qi-jian.LIU MING-deng 五轴联动数控机床的结构和应用期刊论文-机械制造与自动化2008,37(3)2.张惠敏.ZHANG Huimin 五轴联动数控机床的设计期刊论文-机床与液压2010,38(8)引证
27、文献(3条)引证文献(3条)1.孙杰.金珊 经济型五轴数控机床后置处理系统研究与应用期刊论文-制造技术与机床 2011(10)2.唐勇 关于我国数控机床行业发展之路的探讨期刊论文-科技创新导报 2011(21)3.Li LU.Shusheng LIU.Shenggen SHI.Jianzhong YANG An Open CAM System for Dentistry on the Basis ofChina-made 5-axis Simultaneous Contouring CNC Machine Tool and Industrial CAM Software期刊论文-华中科技大学学报（医学）（英德文版）2011(5)本文链接：http:/
