| 标题 | 国产五轴联动数控机床实操初探 |
| 范文 | 摘 要：以作者在陕西西安参加2018首期“少年智造创客营”的小木雕工艺品设计和加工的经历，介绍了基于国产中望CAD 2017教育版软件和HWATEC-5M160五轴联动数控机床，进行产品设计、模拟仿真和实际加工的整个过程。期望能使读者对国产五轴联动数控加工技术有一个更加直观的了解。 关键词：五轴联动数控机床；CAD软件；零件建模；机械加工 中图分类号：TG547 文献标志码：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 五轴联动数控机床（5 Axis CNC Machine Tool）是一种高科技含量、高精密度的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、高精医疗设备等行业，有着举足轻重的影响力。 五轴联动数控机床是指在一台机床上至少有5个坐标轴（3个直线坐标和两个旋转坐标），而且可以在数控计算机系统的控制下同时协调运动进行加工。它的优势在于：可一次性完成零件的五面加工，减小重复装夹次数，提高加工精度，节约时间。众所周知，重新夹装被加工件，对夹装位置要求很高。多次装夹需要重新寻找基准坐标，会影响加工的定位精度。用五轴联动机床一次定位后可以完成对5个面位的加工，对于只要求加工5个面位及以下的零部件能一次完成全部加工。 五轴联动数控机床系统是由传统三轴联动技术外加两个旋转轴发展而来，是目前解决叶轮、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零部件加工的唯一手段。正是基于这个原因，中國制造强国战略所制定的10年行动纲领——中国制造2025的高端装备创新工程，对高档数控机床提出了新的目标，要求研发具有高精密、高速、高效的高档数控机床。 高科技装备和人之间的关系，人是决定因素。作者认为要实现这个目标，首先需要越来越多的技术人员对五轴联动数控机床有更多的了解，最好具备实际操作经验。由于大型的五轴数控机床因制造成本、维修费用高昂等原因，技术人员的机床综合应用能力得不到有效提升，创新性探索更是驻足不前。随着国产CAD软件平台和五轴联动数控机床的发展，尤其是小型五轴联动数控机床的发展，为相关技术人才实际操作能力的培养提供了一个高效的实践平台。 1 五轴数控机床原理简介 五轴机床是在原有三轴的加工中心发展而来。根据国际标准化组织ISO的规定，在描述数控机床的运动时，采用右手直角坐标系，其中平行于主轴的坐标轴定义为Z轴，绕X、Y、Z轴的旋转坐标分别为A、B、C。各坐标轴的运动可由工作台，也可以由刀具的运动来实现，但方向均以刀具相对于工件的运动方向来定义。通常五轴联动是指X、Y、Z、A、B、C中任意5个坐标的线性插补运动。换言之，五轴指X、Y、Z三个移动轴加任意两个旋转轴。五轴依据联动轴摆动机构不同，有工作台摇篮式、立式主轴双摆头、卧式主轴双摆头、工作台摆动式和工作台主轴摆动5类，如图1所示。 作者使用的是陕西华拓科技有限责任公司生产的HWATEC-5M160桌面式微型五轴联动数控机床，如图2所示。这是一款工作台摇篮式五轴联动数控机床，基于传统三轴加工中心的基础，加上摇篮式工作台，变成3+2式的五轴联动加工中心。联动轴为X/Y/Z/A/C，Y轴方向B轴不旋转。该机床采用具有自主知识产权的华拓开放式PC+I/O型多轴联动（五轴联动及以上）数控系统，具有体积小、重量轻、搬运方便和操作灵活等优点，主要用于加工生产各种微小型复杂零件，可以加工玉石、陶瓷、工程塑料、石墨、实木和有色金属等多种材质。 该机床的有效行程为：X轴160mm，Y轴195mm，Z轴175mm；工作台尺寸F160mm；A轴：-110°～ 15°；C轴：0°～ 360°；定位精度≤0.02mm，重复定位精度≤0.01mm；外形尺寸940mm×960 mm×980 mm。 下面以一个六面体小木雕的加工为例，介绍软件设计和机床加工的全工程，图3给出了设计仿真和加工的全流程图。其中，设计仿真软件采用中望3D 2017教育版，它是一款图形化编程软件，易于掌握和使用。可以从官网上下载有效期为30天的试用版（http：//www.zwcad.com/download/）。加工机床采用前面介绍的五轴联动数控机床。中望软件系统和HWATEC系列机床可以无缝连接，使用起来简单方便。 2 设计 2.1 零件建模 通过下列步骤设计并建立零件造型。 （1）打开中望软件，创建新建项目，选则“零件/装配”； （2）选择“造型”。选择“六面体”并设置六面体的参数；根据需要在六面体上利用给出的工具设置倒角、圆角、打孔等操作，如图4所示。 （3）建“草圖”，选择设计图案的平面，用给出的草图工具设计要雕刻的图案，如图4（b）所示。 （4）返回主菜单，“添加胚料”。 2.2 工序选择 （1）选择加工方案（如图5所示）。点鼠标右键选择“工序”、 “插入工序”，选择工序类型，作者选的是“2轴铣削”中的“轮廓”；选择“刀具”，并根据将使用的刀具进行设置；设置轮廓切削的参数。 （2）选择“参数”，如图6所示。设置“坐标”，注意“公差和步进”中的“底部余量”必须设置为负数；“连接和进退刀”菜单中的“自动进刀和退刀”为“无”； （3）设置“限制参数”； （4）设置“特征”，新建→特征→轮廓，用鼠标点选需要加工的轮廓，最好选择一笔能连下来的图形为一个轮廓； （5）重复步骤4，直至所有设计界面的所有图案都被选中； （6）设置“加工安全高度”； （7）设置坐标系，创建坐标基准面。 2.3 软件仿真 在“工序”选项，点击鼠标右键“计算全部”后选择“实体仿真”。图7为实体加工仿真界面，这时可以看到模拟的加工轨迹。 至此，完成了加工对象的建模、实体加工仿真过程。检查实体仿真无误后，可以进入实际机床加工过程。 3 实际机床加工 3.1 输出数据 （1）选择设备。选择在“设备”处用鼠标右键调取“设备管理器”，根据所使用机床设置设备参数。 （2）工序文件输出。用鼠标右键在工序处选择输出，并根据机床要求，选择相应的输出文件类型文件类型（CL格式——程序1，或NC格式——程序2）。 程序1 输出的CL格式文件 $$ CAM-ID： ZW3D V15.1 PARTNO / '轮廓切削 2 1' MACHIN/ZWPost，Anilam_Crusader PPRINT / ‘Programmed by Administrator PPRINT / ‘ TMARK/1 SEQNO/0，INCR，1 FROM/0.00000，0.00000，500.00000 $$ 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 $$ Begin new operation sequence. PPRINT / 'Operation - 轮廓切削 2' PPRINT / 'Tactic - 轮廓切削 2' PPRINT / 'Plan - 零件005_CAM' PPRINT / 'File - 零件005.Z3' $$ 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 输出的NC格式文件 % O轮廓切削 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 机床加工 将输出将文件导入机床系统，进行机械加工，如图8所示。 图9中圆圈标出的是作者利用中望3D 2017教育版设计并利用HWATEC-5M160加工出来的六面带图案的六面体木雕小部件成品（经过后期着色处理），其余是其他创作人员完成的作品。因为加工的是六面体，一次只能加工5个面，实际加工中进行了二次夹装，与图9左侧仿真图形相比，最终完成的产品达到了预期结果。首期“少年智造创客营”营期10天，每个人完成作品5件，如图10所示。 结语 五轴联动数控机床是高精度机床，其运动复杂、编程难度大，对操作人员的操作水平和经验都有较高的要求。小微型五轴联动数控机床对于操作人员进行实践加工训练十分方便有效。本文对木雕部件的设计、仿真和加工全过程进行了介绍，期望使越来越多的人对国产五轴数控机床的设计和使用有一个较全面的了解，激发对五轴联动设备的兴趣，促进国产机械加工行业的发展。 参考文献 [1]http：//www.sohu.com/a/146966666_744121.五軸联动数控机床的种类及应用[Z]. [2]王帅，祁宇明.五轴数控模拟机调试与维修实训设备的设计[J].电气传动自动化，2017，39（3）：35-39. [3]HWATEC-5M160 （http：//www.hwatec.com/product/5m160.html），陕西华拓科技有限公司多轴联动数控加工设备[Z]. [4]吴卫江.五轴加工中心加工复杂零件案例分析[J].中国设备工程，2017，1（下）：182-183. [5]杜兆君.五轴加工技术探讨[J].技术与应用，2014（7）：175. [6]虞行国， 蒋晓倩.五轴加工设备功能部件配置及应用[J].金属加工，2016（5）：6-8. 任沐华住址：陕西省西安市雁塔区太白南路二号南院69号楼。 |
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