五轴联动数控工具磨床的研制与应用

凌秉达

（厦门金鹭特种合金有限公司，福建 厦门 361006）

0 引言

在金属切削加工领域，普通高速钢刀具和焊接式硬质合金刀具将逐渐被整体硬质合金刀具和各种可转位刀片所替代。与传统高速钢刀具相比，硬质合金刀具具有硬度高、脆性大等特点，因而对于工作曲面形状较为复杂的硬质合金刀具，利用传统加工方法一般难以满足要求，需要采用数控工具磨床来进行加工［1］。

数控工具磨床，特别是多轴联动数控工具磨床是高效、高质量磨削制造精密、复杂形状刀具的关键设备，与数控铣削和车削相比，多轴工具磨削加工对编程系统的要求更高，特别是需要控制砂轮与工件接触和所要求的工件精度标准参数。数控工具磨床也是各类数控机床中结构较复杂、自动化程度高、精度和可靠性要求高的机电一体化高技术产品，其研究开发具有相当的技术难度。

五轴联动数控工具磨床是目前业界公认的精度和可靠度要求极高的工具机，目前全球也只有为数不多的厂商有此研发生产能力。厦门金鹭特种合金有限公司在引进消化国外先进数控工具磨床生产技术的基础上，突破了关键核心技术，实现了该种设备的国产化，所研制的样机的加工性能经测试达到了国外同类先进机床的水平。

1 工具磨床主要机械结构设计

1.1 磨床工作台结构方案

通过对国内外机床工作台的典型结构分析后发现，一般层叠式工作台的优点是结构紧凑，而立柱式工作台可以使刚度得到较好的保证。图1为三坐标工作台结构方案，它综合了两者的优点［2］。该方案布局合理，占用空间小，是比较合理的工具磨床工作台结构。其中X轴、Y轴和Z轴的运动方向相互垂直，带动砂轮的联动进给和砂轮的更换和对刀；C轴是旋转轴，控制工作头的摆动；A轴是工作头，控制刀具的旋转角度；U轴是辅助轴，用于X/Y轴的运动补充；其中X轴、Y轴、Z轴、C轴和A轴是联动轴，用程序控制砂轮组和刀具的相互运动位置，从而实现刀具的一次性磨削加工。各轴的位置关系如图1所示。

图1 工具磨床三坐标工作台结构方案

1.2 砂轮主轴结构设计

砂轮主轴采用电主轴结构,电主轴将机床主轴与主轴电机融为一体，主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮、联轴器等中间变速和传动装置，其主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速。

1.3 棒料辅助支撑机构

采用自动上料机构时，棒料的前端跳动量会较大，经常不能满足刀具的加工要求。而且砂轮对棒料进行磨削时，在磨削力的作用下，棒料会有较大的挠曲变形，影响刀具的加工精度。通过增加辅助支撑后，挠曲变形减小了，刀具棒料的跳动值下降，磨削系统刚性也得到了较大的提升。利用三维建模软件SolidWorks工具磨床进行详细设计后，其装配模型外观如图3所示。

图2 棒料辅助支撑机构

图3 数控工具磨床模型整体外观图

2 磨床数控系统设计

2.1 数控硬件系统

数控系统采用基于瑞士NUM AG集团出品的高阶控制器Flexium68系列产品。Flexium系统应用先进的处理器来装备了最新的NC内核，因此拥有更多的MIPS指令；更多的内存空间，NC内存可达60MB以上，PLC内存可达1 000 MB以上；采用标准化的通讯如CAN、以太网等总线控制方式；可控制多轴（多于200轴）、灵活扩展I/O点数以及使用IEC 61131-3标准编程［3］。

电气部分采用CANopen总线控制，其系统图、主操作面板和控制功能面板如图4所示，拥有CAN协议的手轮，63个按钮，2个倍率开关，1个三位钥匙开关，急停按钮等。

2.2 数控软件系统

磨床数控软件系统采用NUMROTOplus专业刀具加工软件进行开发。简化的编程系统使标准刀具的生产和修磨更加简便，可为标准刀具设置默认参数，适用于Windows系统的编程环境，所有参数均配有辅助图片并按真实刀具尺寸显示图像（如图5所示），可提前计算加工时间并可以根据经验对磨削余量、进给率等参数进行调整，进给率的设置不用考虑轴设置，并可以在磨削点进行计算，精度可达0.01 μm。

图4 Flexium 68数控系统

图5 铣刀参数化编程

软件主要功能还包括有2D刀具模拟、3D刀具模拟加工、砂轮参数设置、机床碰撞干涉模拟、加工过程测量和磨削去除率计算等。在软件系统中可根据加工刀具的类型选择砂轮，设置砂轮参数、加工工艺过程及加工步骤等操作，实现对球头立铣刀、圆弧刃立铣刀、直角头立铣刀、锥形立铣刀、铰刀、端铣刀等各类切削刀具的磨削加工。即使是最好的软件和最佳的磨具有时也不能够避免磨削时的碰撞。一个空转的砂轮、砂轮芯轴或者安装好的附加设备（尾座、支柱）都有可能是造成碰撞的原因（如图6所示）。为了避免这种情况发生，NUMROTO和NUMROTO-3D软件相互结合，可以提供一项集成的、全自动的碰撞检测。

在下命令或者在传输CNC文档的同时，整个磨削过程将受到碰撞检测。如果系统认出一个碰撞，磨削过程将被终止，然后将出现相应的操作提示。此碰撞检测也可以同加载器一起使用，这样每一个工件都可以在测量后（探头检测），在磨削前进行碰撞的检测。除了生产和修磨标准刀具的“普通”应用之外，软件也涵盖了许多特殊应用。可以在基于砂轮技术参数的基础上选择最优化的加工速率。

用于加工硬质合金刀具的砂轮制造商通常会说明砂轮的最大比磨削去除率Qw′，它是在砂轮缘厚为1 mm的宽度上，以mm/s为单位详细说明了砂轮磨削部位上每一个点的最大材料磨削去除率。实际上，有类似公式通过Qw′数值来计算加工速率。然而这些类似值并不总是正确的，最终用户在大多数情况下往往通过“直觉”来选择加工速率。一个不恰当的选择将会导致不必要的较长加工时间（速率太低）或砂轮的较高磨损（速率太高）。

这些加工过程中的不确定因素可以通过加强的NUMROTO三维模拟功能来进行避免。在模拟中的每一个时间点和砂轮上的每一个磨削点都可以准确地确定有多少材料正在被磨削掉。该磨削余量可与Qw′数值对比，而Qw′数值通常记录在每个砂轮的参数栏中。基于这个对比，砂轮的边缘受力部位激活以不同颜色显示功能，还可对受力颜色进行调整。在图7中，磨削余量比例超过编程峰值的区域以红色动态显示，而从绿色到蓝色区域表示材料磨削去除率从较小到正常。

图6 刀具加工过程碰撞干涉检查模拟

图7 砂轮磨削去除率模拟分析

NUMROTO能发现任何诸如此类的过载问题。从而使每一个步骤可在砂轮最大峰值线以下合理选择最佳速率，编程人员能十分容易地进行调整。因此，砂轮不会超过磨削余量比率的最大峰值。从而保证了砂轮在最低磨损的状态下达到最佳加工时间。

3 自制工具磨床的主要性能参数

所研制的五轴联动数控工具磨床样机的主要性能参数和技术指标如下：1）可加工刀具柄径为2～20mm；刀具长度为50～200mm；刀具直径为2～20 mm；2）电主轴为额定转速6 000 r/min，额定功率4 410 W；3）工件旋转轴为回转精度达到±10″，重复精度达到±2″；4）X轴、Y轴和Z轴的灵敏度和重复定位精度＜2μm；各轴导轨平行度＜3 μm/100 mm以内；5）砂轮主轴径向跳动＜2 μm；轴向跳动＜5 μm。

4 数控磨床加工性能评价

采用本自制的五轴联动数控工具磨床试生产了几种规格的平头立铣刀、圆角头立铣刀和钻头。通过ZOLLER刀具检测机、工具显微镜和投影仪对刀具进行抽检，从8种刀具中随机各抽取5个样品进行检测，从结果数据可以看出，各个主要的参数都在规定值的上下限之间。由此可见，所研制的工具磨床完全能符合刀具的生产要求。

如图8所示的试加工钻头的抽检数据表，如表1所示。

图8 试加工钻头外形图

表1 试加工钻头抽检的5组数据情况

5结语

在引进消化国外先进数控工具磨床生产技术的基础上，采用三维建模软件对五轴联动数控工具磨床的机械结构部分进行建模、仿真分析和优化设计。借助Flexium68高阶控制器系列产品和NUMROTOplus专业刀具开发软件，研制了带有友好人机界面、便携手持单元，具有刀具参数化编程、刀具模拟加工、机床碰撞干涉检验、加工工艺规划、加工过程测量和磨削去除率优化等功能的五轴联动数控工具磨床。可实现对球头立铣刀、圆弧刃立铣刀、直角头立铣刀、锥形立铣刀、铰刀、端铣刀等各类切削刀具的磨削加工。试加工结果表明，所研制的工具磨床完全能符合刀具的生产要求。

［1］ 崔建昆，范灏，奚伟辰，等.五轴联动数控工具磨床工作台运动方案与结构设计［J］.机械工程与自动化，2011（4）：209-211.

［2］ 杨国哲,王立平,郁鼎文,等.三坐标精密运动平台底座的设计［J］.机械工程师，2005（7）：21-22.