数控技术论文五轴机床轨迹控制

数控技术论文
-------五轴联动数控机床精度保证
学院：机械科学与工程学院
专业：机械设计制造及其自动化
完成日期：2009 年 5 月 12 日
五轴联动数控机床精度保证
关键词：电主轴直线电机扭矩电机刀具刀柄轨迹计算
内容提要：五轴联动机床简介、（董威）
硬件的精度保证、（赵栋）
加工轨迹的精度保证、（杨磊）
一、五轴联动数控机床简介
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。

现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、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加工的唯一手段。

装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。

即使是发达工业化国家，也无不高度重视。

近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。

机床是一个国家制造业水平的象征。

而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。

长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。

特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。

爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间谍船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。

五轴机床的种类有：
摇篮式、立式、卧式、NC工作台+NC分度头、NC工作台+90°B轴、NC工作台+45°B 轴、NC工作台+ A轴°、二轴NC 主轴等。

五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。

如配置上五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适宜象汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。

立式五轴加工中心这类加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴。

设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A 轴一般工作范围+30度至-120度。

工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。

这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。

A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。

A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。

这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。

但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。

另一种是依靠立式主轴头的回转。

主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。

这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。

这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。

这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做
到的。

为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。

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。

二、五轴数控加工中心主要硬件的精度保证
1．电主轴
高速电主轴是高速加工中心的核心部件。

在由曲面和复杂轮廓的加工中，常常采用2～12mm较小直径的立铣刀，而在加工铜或石墨材料的电火花加工用的电极时，要求很高的切削速度，因此，电主轴必须具有很高的转速。

目前，加工中心的主轴转速大多在18000～42000r/min，瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主轴转速已达54000 r/min。

而对于模具的微细铣削(铣刀直径一般采用0.1～2mm)，则需要更高的转速。

如德国Kugler 公司的五轴高精度铣床，其最高主轴转速达160000 r/min(采用空气轴承)，这样的高转速，当采用0.3mm直径的铣刀加工钢模时，就可达到150m/min的切削速度。

目前，德国Fraunhofer生产技术研究所正在开发转速为300000 r/min的空气轴承支撑的主轴。

加工工件时，总是采用很高的转速，而高转速产生的发热，以及切削时可能产生的振动是影响模具加工精度的重要因素。

为保证高速电主轴工作的稳定性，在主轴上装有用来测量温度、位移和振动的传感器，以便对电机、轴承和主轴的温升、轴向位移和振动进行监控。

由此为高速加工中心的数控系统提供修正数据，以修改主轴转速和进给速度，对加工参数进行优化。

当主轴产生轴向位移，则可通过零点修正或轨迹修正来进行补偿。

高速铣削机床的特点，采用主轴运动结构实现载荷的平稳，减小工作台由于运动的惯性，尤其是当工作台承载较大时，工作台本身和工件的运动载荷对高速切削极容易引起冲击，机床结构的新颖性对高速切削有着重要的影响，传统机床依靠工作台移动实现机床的XY方向的移动不是很适合高速切削。

一般情况下，高速切削其切削速度比常规速度高出5～10倍，其材料的去除率是常规切削的3～5倍以上。

对于铝合金铣削可达到1100m/min以上，铸铁可到700m/min，钢材可到380m/min以上，钻削200～1200m/min，磨削150～360m/min。

2.直线电机
目前，模具加工用的高速加工中心或铣床上多数还是采用伺服电机和滚珠丝杠来驱动直线坐标轴，但部分加工中心已采用直线电机，例如德国Rders公司的RXP500DS/RXP800DS型高速铣床和德吉马公司的DMC75V linear型高速加工中心(其轴加速度达2g和快速行程速度达90m/min)。

由于这种直线驱动免去了将回转运动转换为直线运动的传动元件，从而可显著提高轴的动态性能、移动速度和加工精度。

直线电机可以显著提高高速机床的动态性能。

由于工件大多数是三维曲面，刀具在加工曲面时，刀具轴要不断进行制动和加速。

只有通过较高的轴加速度才能在很高的轨迹速度情况下，在较短的轨迹路径上确保以恒定的每齿进给量跟踪给定的轮廓。

如果曲面轮廓的曲率半径愈小，进给速度愈高，那么要求的轴加速度愈高。

因此，机床的轴加速度在很大程度上影响到模具的加工精度和刀具的耐用度。

3.转矩电机
在高速加工中心上，回转工作台的摆动以及叉形主轴头的摆动和回转等运动，已广泛采用转矩电机来实现。

转矩电机是一种同步电机，其转子直接固定在所要驱动的部件上，所以没有机械传动元件，它像直线电机一样是直接驱动装置。

转矩电机所能达到的角加速度要比传统的蜗轮蜗杆传动高6倍，在摆动叉形主轴头时加速度可达到3g。

由于转矩电机可达到极高的静态和动态负载刚性，从而提高了回转轴和摆动轴的定位精度和重复精度。

目前，已有部分厂家的高速加工中心，已采用直线电机和转矩电机来分别驱动直线轴(X/Y/Z)和回转摆动轴(C和A)。

应该提及的是，直接驱动的直线轴与直接驱动的回转轴相组合，使机床所有的运动轴具有较高的动态性能和调节特性，从而为高速度、高精度和高表面质量加工自由曲面提供了最佳条件。

4.刀柄
由于高速切削时，主轴、刀柄及刀具在高速旋转情况下，较小的偏心就会产生较大的离心力，由振动引起产品的质量、降低主轴和刀具的使用寿命。

常规的刀具刀柄系统难以满足高速切削时的切削刚度和精度要求。

现阶段比较流行常用的高速刀柄系统主要有德国的HSK 刀柄、美国KM刀柄、日本NC5刀柄。

HSK刀柄及KM刀柄均为1:10的锥度，采用主轴锥孔和刀柄端面过定位的方式，实现刀具的定位夹紧，其重复定位精度在传统7:24的锥度刀柄±2.5μm提高到±1μm，采用这种刀柄系统可以提高主轴刚度、由于其楔形效果好，能提高刀具的抗扭能力，且转速越高其锁紧力越大。

但这种刀柄价格较贵，一般为常规刀柄的1.5～2倍，其最低转速小于KM刀柄。

一般情况下，高速铣削时，刀具刀柄的不平衡力小于切削力时，不影响刀具的使用寿命和切削效率。

根据高速切削的动平衡规定，主轴转速至少要达到8000 r/min以上。

其进给速度至少大于20m/min。

50柄转速达到10000～20000 r/min，40柄以及HSK刀柄20000～40000 r/min，KM刀柄达到35000 r/min以上。

由于高速铣削动平衡的要求，在配置高速铣削刀柄刀具时优先配置经过动平衡测试的刀具系统，其次用户可以自行采用动平衡机及调整系统进行动平衡调节，但其使用非常麻烦。

美国Kennametal公司推出了一种通过调节主轴系统的自动平衡刀柄系统TABS刀柄，但目前应用还不广泛。

为有效发挥高速切削的加工效率，在配置高速刀具夹持刀柄系统时显得非常重要，传统的弹簧夹头、螺钉连接刀柄已不能满足高速铣削
夹持精度高、结构对称性好、传递扭矩大等要求，以下为高速刀具及刀柄配置经验。

第一、优先配置热胀式刀柄通过热胀式加热仪装置进行加热，通过热胀冷缩的原理对刀具进行夹紧，其回转精度、结构对称性、动平衡性能均较液压式刀柄好，在欧洲应用非常广泛，尤其适合模具等行业产品的高速切削加工，该刀柄可达到40000r/min。

其中热胀式装刀装置以德国Thermal Grip为典型代表。

其次、液压式刀柄是高精度、高性能的刀柄夹持柄，其回转精度、结构对称性和动平衡性能均较好，减振性好，可有效提高切削效率和刀具的使用寿命，液压式刀柄以德国雄克公司的为典型代表，经过动平衡后转速可达到25000r/min。

第三、整体式刀柄，如日本Nikken公司刀柄、奥地利盘石的整体铝合金铣削刀柄，其结构主要是刀体和刀柄为一体，在经过动平衡测试调整后，再安装铣削刀片进行动平衡调节来满足高速铣削加工的需要，整体式刀柄尤其适合模具的高速粗加工和铝合金高速铣削。

其转速一般可以达到10000～30000r/min之间。

最后、高速铣削应用精密弹簧夹头刀柄和侧固式刀柄时，其转速由于本身结构的限制，一般难以达到20000 r/min，精密弹簧夹头刀柄一般可达到12000～15000 r/min，而侧固式刀柄则难以达到10000 r/min，在高速机床上尽量少用。

5.高速铣削刀具
由于高速铣削对刀具刀柄要求较高，在购置高速刀具时尽量购置经过动平衡测试的刀具，常用的硬质合金、涂层硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼（PCBN），聚晶金刚石（PCD）在经过长时间磨损后，可应用于普通数控机床进行加工。

另外一个方面由于高速切削的安全性，在进行工件加工时一定要注意加工防护，如40mm直径刀具，主轴转速达到30000r/min,其射出的速度可达到63m/s的速度，接近于230km/h的汽车速度，切削过程中如出现断刀摔出，势必有较大的冲击动量。

同时对没有把握的刀具刀柄一定要经过高速动平衡仪测试出真实数据，方可进行产品加工。

此外由于高速运转时，刀具的长度在高速环境下其刀具直径和长度与静态条件下有所差别，采用激光机内对刀仪可有效解决数控编程的刀具工艺参数的确定，因此在购置高速铣削机床时，配置激光机内对刀仪是不应少的选项，尤其在进行高精度产品的铣削加工时更能体现其优势。

高速切削钢材时，刀具材料应选用热硬性和疲劳强度高的P类硬质合金、涂层硬质合金、立方氮化硼(CBN)与CBN复合刀具材料(WBN)等。

切削铸铁，应选用细晶粒的K类硬质合金进行粗加工，选用复合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)复合刀具进行精加工。

精密加工有色金属或非金属材料时，应选用聚晶金刚石PCD或CVD金刚石涂层刀具。

高速铣削时应针对相应的材料选择合适的刀柄和刀具材料，铝合金高速铣削时可优先选用采用镶刀片的整体刀柄。

近十年来，驱动技术和控制系统的长足进步，推动了加工中心结构的不断创新和性能的不断提高。

电主轴、直线电机、转矩电机的应用对提高加工中心的高速、高动态和高加工精度起了决定性的作用。

而在工件加工机床的多种结构创新中，转矩电机起到了特别重要的作用。

它不仅应用于回转工作台的回转和摆动驱动，而且还应用于叉形主轴头的摆动或主轴头
的摆动和回转驱动，由此构成各种不同类型的五轴加工中心。

而回转和摆动主轴头的应用，又为发展加工大型模具的五轴龙门式高速精密铣床提供了技术支持。

今后，进一步提高主轴转速、动态性能和行程速度仍是高速加工中心的发展重点，这不仅仍要依赖于驱动技术和数控技术的进一步发展，还要有赖于机床构件轻量化的发展和并联机床的开发。

可以预料，在今后5年中，高速加工中心或高速铣床的轴加速度有望达到3～4g,坐标轴的快速行程速度达到100～140m/min。

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三、刀具加工轨迹的精度保证
大型雕塑零件的加工，如大型水轮机叶片、螺旋桨叶片等由多张雕塑曲面组成的封闭曲面体零件，其加工面积从几平方米到数十平方米，采用五轴联动数控加工是目前最有效的加工方法。

1、对于大型雕塑曲面五轴联动数控加工的刀位轨迹生成
五轴联动数控加工的刀位轨迹计算是大型雕塑曲面零件加工中一个很重要的问题，为了获得好的表面质量和高的加工效率，要求在零件上不同区域的曲面形状需要采取与之相适应的加工方式。

高质量的刀具轨迹生成方法除应保证编程精度和无干涉外，同时应满足通用性好、加工效率高、代码量小等等条件。

对于雕塑曲面的多轴联动端铣加工，均采用行切加工方式，各种行切加工方式均可归结为曲面上曲线的加工问题，这样就提出了如何根据加工的曲面生成正确的刀位轨迹的问题。

由曲面模型生成无干涉刀位数据主要有以下几种方法：1曲面模型→无干涉CC数据→CL数据；2曲面模型→多面体模型→CL数据；3 曲面模型→偏置面模型→CL数据；4 曲面模型→CC数据→无干涉CL数据。

经分析，在大型雕塑曲面的五轴联动加工中一般采用第4种方法生成刀位数据。

2、对于五轴联动加工的刀位轨迹规划
针对雕塑曲面零件的各张曲面的特点，进行合理的刀位轨迹规划和计算，是在保证加工质量要求的前提下高效率加工出大型零件关键的技术之一。

如大型叶片数控加工的刀位轨迹规划中，首先应考虑叶片的流体动力特性，确定和优化走刀路径。

第二步应根据叶片曲面几何设计要求，控制和合理分配误差，采用适合各曲面的刀具几何形状和参数，合理确定走刀步长和走刀行距计算出刀具切触（CC）点的数据。

大型曲面加工可采用等残余高度规划法搜索计算相邻的CC轨迹，完成走刀行距计算。

在大型雕塑曲面的刀位轨迹规划中既要严格控制加工误差，又要尽可能提高加工效率。

目前的CNC系统在五轴联动控制时一般只有线性插补功能，而五轴联动加工的各轴的联动规律是复杂的非线性关系，在CAM系统中，由弦弓高误差来近似确定加工误差和进给步长，而没有考虑回转轴的摆动长度对加工误差的影响。

另外在大型叶片加工中，回转轴的摆动长度一般都相对较大，这些非线性误差对大型雕塑曲面加工加工尤为重要，可采用考虑三维非线性误差来计算走刀步长。

第三步，应根据各曲面的曲率分布情况，确定合理的刀轴控制方式等，计算刀轴矢量，实现五轴联动刀位轨迹计算。

3、对于五轴联动数控加工的刀轴矢量计算
在五轴联动数控加工曲面的过程中，刀轴矢量是由定义在刀位轨迹上的局部坐标系（Frenet坐标架）的λL（后跟角）和ωL（摆转角）两个角度来确定。

当λL=ωL=0时，为刀具轴垂在于表面的端铣方式，当ωL=90°时，为刀具轴平行于加工表面的侧铣方式。

刀轴控制方式是影响五轴联动加工效果的一个重要因素，其确定原则是获得高的切削效率，同时考虑加工中可能存在的刀具干涉现象。

另外，它对于刀具的切削寿命、机床的受力状况等都有影响。

五轴联动加工中刀轴控制的最高境界是具有随曲面变化的自适应能力，在避免干涉的前提下获得最佳的加工效果。

由于问题的复杂性，目前的CAM系统中一般在五轴联动端铣加工方式提供了Sturz方法，即人工输入固定倾角，如何确定这两个角度便成为雕塑曲面的五轴联动加工刀位轨迹计算的关键问题。

在雕塑曲面零件的五轴联动加工刀位计算时，根据各张曲面加工的特点，确定其控制刀轴的姿态的两个角度。

实际加工表明，λL和ωL值太大，不仅降低加工效率，而且恶化了刀具的切削条件。

对于小曲率的曲面，采用大直径面铣刀，一般只需要调整λL即可。

因此在实际工程中，为了提高计算效率，在确定刀轴矢量的时候，可以先不考虑刀杆与整个零件曲面的干涉(碰撞)情况而只考虑刀盘底面与加工点附近局部加工表面的干涉(啃切)情况，其λL 可以按如下的简化方法计算确定。

将通用加工刀具的刀具模型简化为半径等于有效刀具半径为Re=R1+R2sinλL的端铣刀，设加工表面的微分几何结构为凹椭圆点表面(即加工表面的主曲率K1和K2都大于零)，铣刀与加工表面切触于CC点，在CC点建立局部坐标系，设Kb和Kf分别为加工表面在CC 点处沿b方向和f方向的法曲率。

取Kε=max(Kf,Kb)，通过推导分析，要刀盘与切触点微区域间的不干涉，刀具的后跟角应满足：
sin λL ≧ KεRε (1)
由于刀具的有效切削半径Rε是随的λL变化而变化，并取：
λL = arcsin(KεRε )+2° (2)
根据加工表面的曲率计算分析[2>确定曲面的局部性态，在凹椭圆点外，双曲点、凹抛物点可按上式计算，对于凸抛物点和凸椭圆点，取：λL =2°即可。

对于大型混流式叶片各曲面的特点，进行合理的刀位轨迹规划和计算，是使所生成的刀位轨迹无干涉、无碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。

由于五轴加工的刀具位置和刀具轴线方向是变化的，因此五轴加工的是由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具轴线方向矢量组成，刀轴可通过前倾角和倾斜角来控制，于是我们可根据曲面在切削点处的局部坐标计算出刀位矢量和刀轴矢量。

从加工效率、表面质量和切削工艺性能来看，选择沿叶片造型的参数线作为铣削加工的方向分多次粗铣和一次精铣，然后划分加工区域，定义与机床有关的参数，根据以上所选叶片的加工部位、装夹定位方式、机床、刀具及切削参数和余量分布情况将叶片分为多个组合面分别进行加工。

通过对曲面曲率的分布情况的分析对于不同的区域采用不同的面铣刀。

粗加工给出每次加工的余量，精加工采用同一直径的铣刀，根据粗糙度要求给定残余高度，根据具体情况选择切削类型、切削参数、刀轴方向、进退刀方式等参数，生成的刀位轨迹。

但是对于像叶片这样的曲率变化很大而又不均匀的雕塑曲面零件我们还要
根据情况作大量的刀位编辑，并且必须进一步通过切削仿真做干涉和碰撞检查修改和编辑刀轨。