多轴多刀数控技术研究进展

董伟，杨向东

(1. 广东技术师范学院天河学院机电工程系，广东广州510540;2. 广州华立科技职业学院机电工程系，广东广州511325)

自1952 年美国麻省理工学院与美国军方合作研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天以及军事工业中被广泛应用，数控技术无论在硬件还是软件方面，都呈现出飞速发展的趋势。

一般来讲，具有四轴以上、连续使用两把以上刀具加工的数控加工称为多轴多刀数控技术，已经成为先进制造装备领域的最前沿、最尖端技术，受到各个国家军工企业、科研院校的大力追捧，如图1 所示。其重要性在1987 年日本的“东芝事件”中，可窥见一斑 (该事件中所涉及的多轴机床为高约10 m、宽22 m、质量250 t 的九轴数控大型船用螺旋桨精密铣床［1］)。

图1 数控机床轴数示意图

1 技术原理

图2 五轴数控加工中心结构

多轴多刀数控加工技术最直接的载体是多轴数控加工中心，如图2 所示为五轴加工中心，主要由输入装置、数控装置、伺服系统等部件组成，如图3 所示。其工作原理就是将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再对其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动完成零件的加工［2］。

图3 典型数控机床CNC 装置

2 设备

在产业界，作为传统的数控机床制造强国的德国、美国、日本等国家在并联机床、复合加工机床、数控加工刀具与夹具及数控机床与工业机器人的结合方面研究较为深入，也取得了较大的成就。德国DS公司开发的Z3 铣头、意大利COMAU 公司的平动机床、瑞士STARRAG 公司的关节机床等，都是相当典型的并联机床，如图4 所示为一种并联机床示意图。图5 所示为德国DS 公司开发的铣头，就是根据并联原理研制成功的，可钻到飞机的机翼里面进行加工［3］。

图4 一种并联机床示意图

图5 德国DS 公司开发的Z3 铣头

我国数控机床的发展经历了30 年的跌宕起伏，已经由成长期进入成熟期。2002—2008 年，我国金属切削机床产量年均增长18.58%;而同期数控机床产量年算术平均增长率更是高达33.22%，明显快于普通金属切削机床的增长速度。同时，数控机床在金属加工机床总量中的比重逐年上升，我国机床的数控化率逐年提高，从2001 年的9.12%上升为2008 年的19.79%，同时产值数控化率也从37.8%提高到2008年的48.6%。2009 年行业重点企业机床产值数控化率达到50%以上［4］。而作为新兴数控机床市场国家的韩国、中国等国家及台湾地区，在多轴多刀机床的生产方面也具备了较强的实力和较猛的后劲。如韩国的斗山数控，中国的广州数控、华中数控、四开数控及北京机床厂、大连机床厂等企业，在数控系统、多轴多刀机床方面都有较为成熟的产品，满足了相应的生产需要。但在高端多轴多刀数控机床研制方面，与日本FANUC、德国西门子、美国辛辛那提等公司的产品还存在较大的差距。

1990 年燕山大学研制出我国第一台并联机器人实验样机［5］;1997 年东北大学研制出我国第一台平移自由度并联机床样机，如图6 所示;1998 年清华大学、天津大学合作研发的VAMTIY 并联机床首次展出，如图7 所示。清华大学、天津大学、东北大学、沈阳自动化所、哈工大等开展了并联机床研究。图8 为清华大学等单位为满足混流式水轮机叶片的加工精度要求为主要目标，亦可用于其他叶片类、大型模具等复杂曲面零件加工而研制的具有自主知识产权的大型龙门式五轴联动混联机床。其中，3-PTT 水平滑块式平移钢锭磨削并联机床产品已实用化。华中科技大学和武汉重型机床厂于2002 年共同承担了国家863 重点项目“大型舰船螺旋桨加工七轴五联动车铣复合数控机床”项目，并取得了成功。

图6 东北大学研制的平移自由度并联机床

图7 清华大学、天津大学合作研发的6-TPS 型并联机床

图8 清华大学研制的龙门式五轴联动混联机床

3 程序编制

对于多轴多刀加工编程技术，从形式上分，主要有下列几种:手工编程，自动编程及仿真技术。

3.1 手工编程

手工编程具有速度较慢、不利于复杂结构零件编程的弱点，但要注意的是也具有可修改性强、程序短小、可用标准参数方程表示曲线(如正圆、抛物线、渐开线、摆线等)等优点。现代的多轴多刀加工如手工编程技术多借助宏程序来完成，例如在圆周上钻、镗图9 所示均匀分布的n 个孔，其宏程序如下所示:

#1 =50

#2 =6

#3 =1

#5 =3.141 59/180

#6 = －20

#7 =5

while#3LE#2

#4 =360/#2* ［#3 －1］* #5

#10 =#1* COS(#4)

#11 =#1* SIN(#4)

G90G98G81X［#10］Y［#10］Z［#6］R［#7］F500

#3 =#3 +1

ENDW

G80

G91G28Z0

M05

M30

3.2 自动编程

针对手工编程工作量大、易出错、很难实现复杂零件的加工等缺点，借助于计算机三维绘图软件的自动编程从一出现，就受到业界的广泛欢迎。越来越多的企业已逐步认识到应用多轴数控机床可以高效率、高精度地加工自由曲面零件，但要使其真正发挥效益，还必须依靠性能优良完善的CAD/CAM 软件。目前国内外流行的CAD/CAM 软件有:UG、CADDS5、Pro/Engineer、CATIA 等，它们主要运行在工作站或微机平台上。但国外软件市场价格却十分昂贵，这在一定程度上限制了CAD/CAM 技术的推广［6］。

图9 宏程序编程示例

近年来，我国CAD 技术的开发和应用取得了长足的发展，如高华CAD、CAXA 等，由于这些软件价格便宜，符合本国国情和标准，赢得了越来越大的市场份额。但我国CAD/CAM 软件不管是产品开发水平还是商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。由于国外CAD/CAM 软件出现得较早，开发和应用的时间也较长，如UG、PTC、I-DEAS 等公司都是CAM行业的顶级产品，可以方便地仿真刀具及机床的运动，可以从简单的2 轴、2.5 轴加工到以7 轴5 联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化，所以它们发展比较成熟，现在基本上已经占领了国际市场和一部分国内市场。因此，我国CAD/CAM 软件前景不容乐观，尤其是在应用在五轴数控加工的CAD/CAM 软件开发方面，国内软件厂家做得都不是很理想，都存在不同问题［7］。

3.3 自动仿真技术

数控加工仿真技术就是利用计算机软件来模拟数控加工过程，并将加工过程和结果中的信息在计算机中用图形、数字、图表等方式表达出来，以达到供人们判断、验证和控制数控加工过程和结果的正确性、合理性以及加工效率高低等目的的方法［8］。目前，数控仿真主要分为几何仿真和力学仿真两个方面［9］。

在国外，美国Maryland 大学开发了用于培训数控操作人员的虚拟数控机床仿真器;韩国Turbo-TEK公司开发出了面向培训的虚拟数控车削及铣削加工环境，能够实现数控加工的几何仿真并配有声音信息;日本SONY 公司研制出FREDAM 系统;意大利Bologna 大学用B 样条曲线建立了端铣刀与工作台模型，并采用真实感图形显示铣床精加工过程等［10］。

在国内，有华中科技大学研究开发的NCPVSS 系统、同济大学研制的数控程序微机动画仿真系统、哈尔滨工业大学研究开发的NCMPS 系统、清华大学CINIS 工程研究中心研究开发的“通用加工过程仿真器”、大连理工大学研究开发的数控曲面加工微机仿真器等［11］。

虽然目前的主流三维软件都带有三维仿真功能，但由于多轴加工的复杂性，都不能完全消除零件与刀具、刀具与夹具、刀具与工作台之间的干涉碰撞。国产的仿真软件如上海宇龙等，在此方面还有待于加强。

4 发展趋势

4.1 硬件方面

主要表现为以下几个方面:

(1)高速度与高精度化。

(2)高柔性化。

(3)复合化。复合化包含工序复合化和功能复合化。铣削与激光复合可用于精细型面模具的三维加工;冲压与激光切割复合可用于板材加工。

(4)多功能化。

(5)智能化。常用的智能加工系统的基本结构模式如图10 所示，由智能监测模块、决策规划模块和实时控制模块3 个基本模块组成。

图10 智能化数控加工系统结构模式

(6)造型宜人化。

4.2 软件方面

图形的生成技术和建模技术，是改进和提高国产CAD/CAM 软件的当务之急。

4.3 自动仿真技术

综合全面考虑干涉、避让检查等约束条件及尝试考虑切削参数、切削力及其他物理因素的影响，从而实现几何仿真和力学仿真的结合。

5 结束语

论述了多轴多刀数控加工技术的定义及原理，并对其硬件数控机床的研究现状进行了总结，指出:

(1)并联机床、复合加工机床、数控加工刀具与夹具及数控机床与工业机器人的结合是其主要发展方向;

(2)对软件进行了综述:手工编程也有适用场合，自动编程是主流，仿真技术是其薄弱点。

(3)对多轴多刀数控加工技术在硬件、软件发展趋势方面进行了预测。

【1】http://chaojixing. blog. china. com/200710/1044154. html，2007.

【2】周济，周艳红.数控加工技术［M］.北京:国防工业出版社，2002.

【3】徐正平. 机床加工的梦想成真［J］. 中国机械与金属，2007(12).

【4】中国投资咨询网.2011 －2015 年中国数控机床市场投资分析及前景预测报告［R］，2011.

【5】王成勇.先进制造技术［CP］，2006.

【6】陈汗军，廖文和.多轴加工微机版软件的开发［J］.机械设计与制造，2000(1):43 －44.

【7】梅黎锦.CAD/CAM 技术在我国的发展和应用现状［J］.机械工程师，2009(9):75 －76.

【8】吴晓.七轴五联动数控加工仿真系统的研究［D］.武汉:华中科技大学，2005.

【9】QUESADA Robert.计算机数控技术应用［M］. 崔洪斌，张敬凯，译.北京:清华大学出版社，2006.

【10】乔咏梅，张定华，张淼. 数控仿真技术的回顾与评述［J］.计算机辅助设计与图形学学报，1999(4):311 －315.

【11】谢波.多轴数控编程及其仿真技术的研究［D］. 广州:广东工业大学，2010.