WMEM | KMC 800 SU五軸立式加工中心的研發(fā)與應(yīng)用

中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)cmtba 8月15日

一、概述

在機(jī)器制造中，機(jī)床所擔(dān)負(fù)的加工工作量占機(jī)器總制造工作量的40%-60%，機(jī)床在國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的建設(shè)中起著重作用。其中，五軸加工中心是一種科技含量高、精密度高，專(zhuān)門(mén)用于加工復(fù)雜曲面的機(jī)床，并對(duì)一個(gè)國(guó)家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)有著舉足輕重的影響力。

隨著國(guó)內(nèi)航空、航天、軍工、汽車(chē)等工業(yè)的快速發(fā)展，以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床的高速化、高精度化、功能復(fù)合化、智能化等要求越來(lái)越高，國(guó)產(chǎn)五軸機(jī)床的研發(fā)與創(chuàng)新也愈發(fā)迅猛。

在基于企業(yè)所建立的“全技術(shù)鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈、全人才鏈”的完整發(fā)展模式之下，光洋集團(tuán)充分整合了企業(yè)在自主化高檔數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、電機(jī)、精密轉(zhuǎn)臺(tái)等關(guān)鍵功能部件方面的優(yōu)勢(shì)，科德數(shù)控打造出了以KMC系列五軸銑車(chē)復(fù)合立式加工中心為主打的一個(gè)又一個(gè)自主系列產(chǎn)品。目前，科德數(shù)控KMC系列五軸立式加工中心擁有KMC400S、KMC600S、KMC800S、KMC1250S全系列型號(hào)產(chǎn)品。

二、產(chǎn)品性能介紹

數(shù)控機(jī)床在數(shù)字化控制下實(shí)現(xiàn)工件與刀具間任意軌跡的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各種型面的加工。在實(shí)際應(yīng)用中，由于零件復(fù)雜程度越來(lái)越高，許多零件加工需要在一次裝卡下完成盡可能多的表面加工，甚至完成復(fù)雜凹曲面和異形腔體的加工，于是誕生了五軸機(jī)床，即在傳統(tǒng)三坐標(biāo)基礎(chǔ)上加入回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)特殊工件和刀具間姿態(tài)調(diào)整的要求。

科德數(shù)控研發(fā)生產(chǎn)的KMC800S系列五軸立式加工中心采用模塊化設(shè)計(jì)概念，具有更大的作業(yè)空間，更小的干涉，更強(qiáng)的切削剛度，更高的速度和精度，更緊湊的安裝空間及下述特點(diǎn)。

1. 改良的龍門(mén)框架及整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

KMC800S系列五軸立式加工中心的結(jié)構(gòu)采用改良的龍門(mén)框架設(shè)計(jì)，三個(gè)軸在刀具上，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在工件上，達(dá)到最優(yōu)的主軸支撐；各軸的驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)軌都在加工區(qū)域之外的上方，不會(huì)受加工時(shí)產(chǎn)生的切屑等因素的影響，大大降低故障率；主軸內(nèi)置于垂直的Z向滑枕中，借鑒立式坐標(biāo)鏜的經(jīng)典結(jié)構(gòu)；主軸不會(huì)受到擺動(dòng)的影響，所以刀具長(zhǎng)度不會(huì)影響擺臂長(zhǎng)度而影響擺動(dòng)誤差，擁有更好的主軸剛性；數(shù)控回轉(zhuǎn)擺動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙壁支撐，Y軸采用四導(dǎo)軌支撐和位于中心的主驅(qū)動(dòng)；A軸擺動(dòng)角度為－130°~＋130°。環(huán)形刀庫(kù)與機(jī)床床身融為一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省空間。

2.人造理石床身

KMC800S系列五軸立式加工中心采用人造理石為床體主要材料。人造理石材料熱膨脹系數(shù)僅為鑄鐵的1/20，具有更好的環(huán)境適應(yīng)性，更小的熱變型誤差；人造理石阻尼是鑄鐵的6倍，具有更好的吸收振動(dòng)的能力，降低切削振動(dòng)對(duì)機(jī)床傳動(dòng)部件的影響；人造理石床身制造工藝采用常溫固化，沒(méi)有鑄鐵冷卻不均導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力，是國(guó)際上精密機(jī)床優(yōu)選的床身材料。

3. 直驅(qū)技術(shù)

KMC800S系列五軸立式加工中心采用直驅(qū)技術(shù)，加工中心的旋轉(zhuǎn)軸采用力矩電機(jī)替代傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)等機(jī)械傳動(dòng)。通過(guò)力矩電機(jī)作為回轉(zhuǎn)坐標(biāo)主要驅(qū)動(dòng)技術(shù)。直驅(qū)技術(shù)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力好、無(wú)反向間隙、無(wú)傳動(dòng)機(jī)械磨損等顯著優(yōu)勢(shì)。直驅(qū)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際上精密高速機(jī)床重要的技術(shù)路線(xiàn)。U型和MT型分別配置低速力矩電機(jī)和高速力矩電機(jī)，均可滿(mǎn)足銑削和車(chē)削要求的良好的精度和動(dòng)態(tài)性能。

4. 雙驅(qū)技術(shù)和重心驅(qū)動(dòng)

KMC800S系列五軸立式加工中心通過(guò)雙驅(qū)技術(shù)（KMC800標(biāo)配，KMC400選配）實(shí)現(xiàn)搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)的重心驅(qū)動(dòng)，可以使機(jī)床得到更強(qiáng)勁、更平穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)，能夠有效地抑制振動(dòng)，消除反向間隙，為用戶(hù)提供了理想的加工性能。

5. 激光干涉反饋

KMC800S系列五軸立式加工中心可以選配激光干涉反饋系統(tǒng)，將長(zhǎng)度反饋系統(tǒng)提升至激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)，自帶環(huán)境（溫度、氣壓）補(bǔ)償，可以控制工作臺(tái)定位精度達(dá)到0.5μm，滿(mǎn)足用戶(hù)特殊的超高精度要求。

6. 高動(dòng)態(tài)響應(yīng)技術(shù)

科德在機(jī)床設(shè)計(jì)階段十分重視運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化，重視高剛度輕量化設(shè)計(jì)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力匹配。在機(jī)床訂單配置和調(diào)試階段，可以根據(jù)用戶(hù)特殊需求，配置更高扭矩慣量比的高性能電機(jī)及驅(qū)動(dòng)，進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)床每一個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化，使機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

三、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用情況

數(shù)控技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的一個(gè)核心標(biāo)志，在現(xiàn)代制造行業(yè)中，作為先進(jìn)制造的核心設(shè)備，數(shù)控系統(tǒng)的功能和性能對(duì)制造業(yè)的自動(dòng)化、集成化、柔性化及智能化起著至關(guān)重要的作用，以它為基礎(chǔ)平臺(tái)的相關(guān)技術(shù)水平高低已成為衡量一個(gè)國(guó)家的工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要指標(biāo)。

依托自主研發(fā)、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字總線(xiàn)開(kāi)放式高檔數(shù)控系統(tǒng)，光洋集團(tuán)長(zhǎng)期堅(jiān)持踐行“產(chǎn)學(xué)研用”深度融合的戰(zhàn)略，與高校緊密合作，實(shí)現(xiàn)前沿創(chuàng)新。科德數(shù)控專(zhuān)心致力于機(jī)床精度的提升，以完整的數(shù)控方案為用戶(hù)創(chuàng)造價(jià)值。

科德五軸數(shù)控系統(tǒng)支持多個(gè)控制過(guò)程并發(fā)，既可以同時(shí)控制多個(gè)加工過(guò)程，而且可以是不同機(jī)床上的不同加工任務(wù)，也可以是單臺(tái)機(jī)床上多主軸上的不同加工任務(wù)。

高端五軸數(shù)控系統(tǒng)三大基礎(chǔ)技術(shù)包括：

1. 高速的信息交互——G-lNK光纖運(yùn)動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

采用100Mbps的高速光纖介質(zhì)，將數(shù)控系統(tǒng)的控制指令送達(dá)每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)裝置，并保證嚴(yán)格同步運(yùn)行；將包括機(jī)床各坐標(biāo)位置、負(fù)載率、溫度等在內(nèi)的物理量傳回?cái)?shù)控系統(tǒng)。

2. 精準(zhǔn)的高頻度控制調(diào)度——GRTK內(nèi)核

實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)千次的精確控制任務(wù)調(diào)度，使運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算、邏輯控制運(yùn)算、人機(jī)交互高效有序運(yùn)行，對(duì)鐘響應(yīng)延遲1/100000秒，在GNC62中支持多核CPU，最大限度地充分利用高性能數(shù)控系統(tǒng)處理器運(yùn)算資源。

3. 精密的位置，角度感知——傳感細(xì)分技術(shù)

將來(lái)自直線(xiàn)／角度傳感器的信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)分處理，進(jìn)一步提取1Vpp信號(hào)中包含有效精度的位置／角度信息，最高提

升物理分辨率達(dá)16384倍，細(xì)分處理器在1／5000000秒內(nèi)瞬間完成。獨(dú)特的激光干涉全閉環(huán)控制技術(shù)，將長(zhǎng)度反饋檢測(cè)精度提升到0.2μm，分辯率提升到1 nm，為精密機(jī)床控制提供基礎(chǔ)技術(shù)保證。

四、成果應(yīng)用及推廣

科德數(shù)控研制的五軸機(jī)床已經(jīng)批量應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的航天、航空、能源等領(lǐng)域。部分導(dǎo)彈、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、大飛機(jī)、核電葉片等高精尖產(chǎn)品的制造線(xiàn)上也都有科德數(shù)控的產(chǎn)品在運(yùn)行。在實(shí)現(xiàn)了部分替代進(jìn)口的同時(shí)，科德數(shù)控的五軸機(jī)床和關(guān)鍵功能部件產(chǎn)品也已經(jīng)小批量出口德國(guó)，開(kāi)創(chuàng)了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高檔數(shù)控產(chǎn)品出口西方發(fā)達(dá)國(guó)家的先河。

未來(lái)，科德數(shù)控將在新園區(qū)，利用其地下恒溫恒濕廠(chǎng)房快速實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，逐漸實(shí)現(xiàn)批量替代進(jìn)口，進(jìn)而讓中國(guó)設(shè)計(jì)制造的高檔五軸機(jī)床和智能制造裝備所需的關(guān)鍵功能部件產(chǎn)品逐漸替代進(jìn)口并擴(kuò)大國(guó)際市場(chǎng)占有率，用中國(guó)的高端五軸機(jī)床裝備中國(guó)工業(yè)，推動(dòng)我國(guó)智能化制造產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。