五轴数控机床范文

五轴数控机床范文第1篇

关键词 五轴；数控机床；加工后处理

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0109-02

1 五轴数控机床的构造及特点

1.1 五轴数控机床的两种加工中心特点

五轴数控机床在生产业中广泛应用与航空航天业、军事领域、科研领域、精密器械领域以及高精医疗设备等。常见的五轴数控机床包括立式五轴加工中心和卧式五轴加工中心。

1.1.1 立式五轴加工中心

立式五轴加工中心的回转轴包括两种形式：1）工作台回转轴，工作台可以环绕X轴回转，这种工作台一般设置在床身上，可定义为直线轴，直线轴工作范围一般为正三十度至负一百二十度；2）工作台的中间另设有另外一个回转台，环绕另一个轴回转，可将其定义为旋转轴，旋转轴都是三百六十度回转。这样通过直线轴与旋转轴的组合，除了工作台底面部分的工件以外，其余的五个面均可以利用这这种机床进行加工。直线轴和旋转轴最小分度值一般为0.001度，因此，又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。

这类加工中心的优点在于，主轴的结构简单加工非常灵活、刚性好、保证有一定的线速度、加工质量高，制造成本较低，但是也有其局限性，工作台不能够设计较大的空间，承重程度较小且机身国语庞大。主轴前端是一个回转头，能自行环绕直线轴三百六十度，成为旋转轴，回转头上还带可环绕另一直线轴旋转的旋转轴，一般可达正负九十度以上，实现上述类型机床同样的功能。

1.1.2 卧式五轴加工中心

卧式五轴加工中心，此类加工中心的回转轴也有两种形式，一是将卧式的主轴摆动固定成为一个回转轴，与工作台上的一个回转轴相互配合，由主轴立、卧转换配合工作台分度，可以进行五面的立体加工。二是传统的工作台回转轴，设置在床身上的工作台直线轴一般工作范围正二十度至负一百度。工作台的中间也设有一个回转台旋转轴，这个旋转轴可双向三百六十度回转。

1.2 五轴数控机床特点

1.2.1 编程程序复杂

编程复杂、难度大。在三种不同的结构型式和三种不同的运动配置方式的自由组合下，可以得到九种可能的不同结构类型的五轴机床。五轴数控不同于三轴数控，其编程的难度也程函数趋势上涨，除了需要对三个直线轴进行运动的编程外，还要加入两个旋转轴的编程程序，这种两个旋转轴同时加入的运转模式，使得其合成的运动轨迹相当复杂，为达到所需的自由曲线，不仅需要进行严密而复杂的集合运算，并且还需要考虑各个轴承的协调性，以免造成不和谐的冲撞。

1.2.2 能进行自由曲线及多面体复杂构建的加工

五轴数控机床机构复杂，编程难度大给其赋予了独一无二的应用上的优点。三轴数控机床一般来说是三个直线轴构成的，因此不能够一次性加工完成连续并且平滑的自由曲面。例如：航空发动机和汽轮机的叶片，以及孔位的壳体和模具等，这种精细部件就不能够通过三轴数控机床进行加工。由于普通的三轴数控机床其刀具相对于工件的位姿角不能够在加工过程中进行转变，加工一些自由曲面等复杂的工件时，就有可能产生干涉或者加工不到位的情况。而利用五轴数控机床进行这类工件的加工，则可以有效避免这种情况，在加工时可以随时调整位姿角的角度，使其与工件进行调整，一次性装夹完成完美的自由曲面的加工。

2 五轴数控机床在机床后置处理系统中的应用

由于某些历史事件的限制，中国在五轴联动数控机床上的技术进口受到了一定的阻碍，数控系统技术还停留在一般水平上。随着近我国在数控方面的深入发展，各地涌现出大批生产制造五轴联动机床厂家，通过相关学者研究人员的深入研究和攻关，我国五轴数控机床技术不断提高。本文主要从建立数学模型角度对五轴数控机床在机床后置处理系统中的应用进行简要分析探讨。

2.1 建立五轴数控机床坐标系的数学模型

五轴机床运动示意图如图1所示。将其旋转运动A、B、C相应的表示为轴X、Y、Z的旋转运动，其运动方向以向右旋转标注。其中Z+表示向上，X+表示向右，Y+表示向里。C角为XY机床坐标绕Z轴旋转所得，A角为其绕X轴旋转所得，其计算较为复杂。下图2，根据双专台五轴机床运动而转换的平面矢量运转图。

2.1.1 角C的计算

C=90°-arctan（ay/zx） （当ax>0时）

C=270°-arctan（ay/zx） （当ax>0时）

C=0° （当ax=0，或ay≥0时）

C=180° （当ax=0，或ay>0时）

2.1.2 角A的计算

A=arctan（） （当az>0时）

A=0° （当az=0时）

A=arctan（） （当aZ

2.1.3 X、Y、Z的数学模型

X=xccosC+ycsinC

Y=-xcsinCcosA+yccosCcosA+zcsinA

Z=xcsinCsinA-yccosCsinA+zccosA

图1 双转台五轴机床运动示意图

图2 双转台五坐标加工刀轴矢量运转图

2.2 五轴机床的数控编程

五轴数控机床范文第2篇

近年来，五轴数控机床加工自由曲面受到了广泛的关注，因为五轴机床能够提供三轴机床不具备的优化刀具位姿和复杂加工模式，同时能够实现更高的精度和更小的误差，大大减少了前处理和后处理的时间。然而，当前的五轴加工刀具路径由直线段逼近，并且刀具的方向在每个线段不变，导致不能加工出很好的平滑表面。但是每一条线段刀具方向的变化又会增加驻留时间，为了获得更好的表面质量，线段的数量指数增长，因此，实际加工过程中需要尽可能减少线段的数量，显而易见，五轴数控机床的有效轨迹生成方法亟需研究。目前的CAD系统与传统CNC系统在定义几何的方式上存在技术差异，CAD系统提供给设计者的工具是平面或者空间参数曲线，但是CNC系统仅支持直线和圆弧路径运动，因此需要研究参数曲线的插补方法。相关的研究也有很多，例如：文献[1]提出了多轴机床命令生成的一般理论，文献[2]研究了三轴机床的实时曲线插补，文献[3]研究了一个参数插补器，文献[4]研究了五轴机床的实时控制器，文献[5]研究了六轴机器人的实时NURBS曲线插补器。实时参数插补减少了记忆存储，保证了刀具位置的一阶和二阶连续，但是生成和控制五轴数控轨迹的主要问题是刀具方向的连续和平滑描述，因此需要研究一种控制算法来修正刀具起始方向的连续性。本文提出一种新的五轴数控机床轨迹生成方法，将刀具位姿、起始方向和运动参数在规定的采样时间内计算，通过一个逆运动学程序在规定采样时间内执行每个轴生成的命令，相比于传统的离线控制策略，可实现实时轨迹控制。

1刀具路径优化生成流程

当一个五轴铣床加工曲面时，刀具残留高度可以在已加工表面上观察，将刀具路径和刀具路径间隔划分的表面定义为相邻刀具轨迹的距离。如图1所示的残留高度h和步长p。若加工的步长过大，则加工表面较为粗糙；步长过小，则降低了加工的效率。（1）式中：κ为曲面的曲率。在允许的残留高度下可以计算最大加工步长，为了简化刀具路径规划过程，曲面边界曲线可以作为起始路径，然后决定连续的路径。实时轨迹规划为了获得平滑曲面，需要在几何数据和加工情况的基础上生成刀具位置、方向和运动参数的数据，曲面的几何数据可以用三次面型形式输入到数控机床中：将刀具的一阶和二阶位置变量作为刀具常规的线性速度和加速度，本文提出的五轴数控机床的轨迹生成方法的流程如图2所示。

2刀具路径优化生成仿真

球头铣刀的外形可以制造成各种形状，因此适宜加工自由曲面模具或者模型。采用球头铣刀加工自由曲面的刀具轨迹生成策略描述如下：由式（2）与加工情况决定了式（1）的刀具路径步长和待加工表现信息。在常数进给率下，可以由式（7）得到每个采样周期内的独立参数u，然后根据u和式（4）获得刀具的位置和起始方向数据。刀尖轨迹生成一条基准线，曲面法向量的趋近向量为网格曲面划分的规则。网格轨迹建模类似单位球面的曲线，在弗格森曲线模型的基础上，重新表示基准线和网格规则，进一步获得基准线的一阶、二阶和三阶运动参数以及网格规则，由CAD系统获得加工情况和曲面的几何参数，采用实时控制技术计算刀具的位置和角运动属性。如图3所示，本文进行了一组自由曲面加工轨迹仿真，仿真工件的尺寸为400mm×400mm，仿真刀具采用球头铣刀，进给率设置为10mm/s，采样周期设置为10ms，整个仿真工件的位置总数为8005，计算时间为50.66s。

3结论

本文提出一种新的五轴数控机床轨迹生成方法，在网格曲面曲率理论的基础上，沿着生成的轨迹计算刀具的运动属性。不同于常规的插补技术，本文方法用到了高阶运动属性，不仅仅适用于五轴数控机床，更适用于自由曲面的精密加工，对于多自由度三维加工机床同样适用。、

五轴数控机床范文第3篇

关键词：五轴；数控系统；数控机床

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）26-0112-02

机床作为当前机械加工产业的主要设备，在某种意义能够代表了一个国家的机械制造业水平的高与低，机床设备不但同家的航空工业、船舶制造、军工产业、科研技术、精密器械等设备制造行业有着非常大的关系，而且还与人们的日常生活等方方面面密不可分。从某种意义上来讲，如果一个国家没有制造业的支撑，这个国家就很难真正的实现现代化的建设。而五轴联动数控机床是目前世界上最先进的机床设备，如果国家拥有五轴数控机床则象征着国家目前的机床制造业的处在世界上最先进的水准，在数控机床的制造技术上处于领先的地位，所以对于五轴数控机床的研制一直以来都是世界各制造大国不遗余力的研发重点展对象。

1 重点发展的关键技术

1.1 高速、精密加工技术

1.2 高智能化技术

五轴机床的智能化技术将使未来发展最主要的方向之一当前的智能数控机床的智能化技术已经有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。未来的发展将结合电子信息技术及先进控制理论，更大程度的提升五轴机床的职能化程度。

1.3 控制及动作部件的改进

数控机床的性能指标要依靠与其主要的功能部件性能，其主要功能部件的性能好坏直接影响数控及创的技术参数和性能水平，所以提升功能部件性能使其不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并结合五轴数控机床进行应用，是未来数控机床获得质的飞跃的关键技术。如全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。

2 国产五轴机床的发展

数控机床现在已越来越广泛的成为其他制造行业的必要设备，而且技术发展也相当快速，令人惊叹。五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家工业化水平的标志。国外为解决多面体零件加工问题，所以开发出了五轴数控机床，随着科技的发展，数控机床也逐渐的向高端化复杂化进行发展，在原有数控技术的基础上又增加了新型功能，新型的数控技术不但能够实现传统车床功能还能够进行铣削加工。国外五轴数控机床的研发和使用，实现了数控机床工作效率大幅增加的效果，其工作效率相当于某些大型的自动化生产线的工作效率，在节约设备的占地空间的同时也节约了机械生产厂家的投资预算。我国的五轴数控机床行业与国外行业相比仍然存在的主要不足，如表1所示。

目前我国已经有很多的机械制造集团公司开发出五轴联动数控高速机床，其技术已达到世界顶极加工设备水平，并且与传统的五轴机床相比，具有联动、高速的特点。每台售价超过1 000万元，已经被广泛的应用于航天业、机械元件设备业、中大型冲压射出模具、游艇外形业、复合材料加工业等。自从全国首台自制五轴联动数控机床的正式启用，不仅填补了国内行业空白，为我国机床制造产业抢占国际市场制高点，同时机床制造企业也实现了由高端产品制造商向高端设备制造商的转型，加快推进创新发展和新型工业化进程产生深远影响。随着我国科学技术的不断快速发展我们有理由相信，五轴联动数控机床一定会加快实现由研发试制向定型量产的华丽转型，我国的机床制造企业也将成为世界机床制造业中领先的半导体设备和五轴联动数控机床生产商。

3 中国五轴数控机床未来的发展方向

我国五轴数控机床在结合国外先进技术的同时也要走出有自身的特色的发展道路，其关键是就在于要加大企业的自主创新能力，注重以机床制造企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术研发体系建设。

①国家重点扶持机床制造企业，促进企业形成技术创新体系。我国五轴数控机床的研发和制造目前仍处于起步阶段，所以未来我国将根据五轴数控机床发展形势，在机床行业有计划地建立面向汽车行业的自动化装备，组建大型精密复合冲压成形机床、超精密磨削、特种加工、高档数控机床和数控系统性能试验中心等机床制造研究中心，巩固和发展机床制造企业技术开发体系的建设，鼓励企业积极研发和制造高速精密的五轴数控机床的项目实施。

②迎合市场需求走出具有企业特色的技术道路。机床制造企业在五轴数控机床产品的开发立项要以市场用户的实际需求为依据，共性和关键技术攻关和功能部件的开发要以主机发展为牵引，以满足市场需求为根本目的。加强五轴数控机床共性和关键技术如高速化技术、智能化技术、复合化技术和环保技术等的攻关，共性和关键技术攻关必须要以高档数控机床发展为主攻目标，提高整机可靠性和产业化水平。

③积极引进先进技术。通过引进技术消化创新、集成创新和原始创新等方式，掌握当代数控关键技术，发展品种，提高自主开发能力，提高国产数控系统和关键功能部件的配套能力，特别是要提高在国产中、高档数控机床中的配套能力。并以国家重点工程为依托，加速国产五轴数控机床的推广。

4 结 语

参考文献：

[1] 徐巍.高档数控系统的功能规划和关键技术研究[D].上海:上海交通大学,2009.

[2] 徐志明,王宇晗.五轴联动NURBS曲线插补方法的研究[J].上海电机学院学报,2008,11(1).

五轴数控机床范文第4篇

【关键词】 五轴 联动 加工中心

1 五轴联动机床产生的背景

五轴加工中心也叫五轴联动加工中心，是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的加工中心，这种加工中心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。目前，五轴联动数控加工中心系统是解决叶轮、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。

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复杂的加工。能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代产品与模具的加工。五轴加工中心是一种高科技的手段，它让不可能变成了可能，一切的空间曲面，异型加工都可以完成实现。它不但能够完成复杂工件完成机械化加工的任务，而且还能够快速提高加工效率，缩短加工流程。

2 五维多轴联动的基本定义

通常的数控机床都是三维的，从数学意义上分类，维数是指机床在运动过程中所涉及的坐标系；轴数是指有几根主轴（不包括次要的轴）；联动是指可以同时运动并参与插补维数的主轴数。例如，有5根主轴，可以同时运动，没有互锁，但仅能在三维内实现同时运动并完成插补，这个数控机床是三维联动五主轴同动数控机床。只是具有xyz三个纸箱坐标运动的五根轴的三维数控机床，即三轴联动数控机床。在通常的定义中，许多人把主轴的个数与机床运动的维数搞混，把联动和同动搞混，把几个轴作为衡量数控机床水平是不严密的。本文的“五轴联动”是简称，严格的讲应该是五维多轴联动数控机床。

五轴数控机床一般是指五个数字控制系统在五个坐标轴系内同时完成运动和插补的机床。通常必须具有xyz三个直线运动坐标外，另外还有两个回转运动轴坐标。数控机床的联动是指三个直线运动坐标x、y、z和A、B、C三个转动中任意两个坐标的组合。通常我们定义：绕x、y、z轴的旋转坐标系分别为A、B、C轴，具置关系见图1。一般它们都采用线性插补运动实现联动。

在实际工程中，这些数控轴却不一定全部都同时参与插补和实现联动，其中有多少数控轴可以同时参与插补和实现联动，其中有多少数控轴可以同时参与位置点计算和插补计算的就叫几维联动，通常被我们称为几轴联动。于是，我们就会听到这种讲法：5轴4联动数控机床、5轴9联动数控机床等等。

3 五轴联动机床加工的造型和编程

五轴加工一般不可能再用手工编程，编制加工程序必须采用CAD/CAM系统。经过几十年的发展，CAD/CAM技术在五轴联动、五面体加工等高端的应用也已经相当广泛，在中国，引进的有关CAD/CAM系统就有Cimatron，Delcam，Mastercam，UG，Solidege， Solid-works， Pro/Engineer等，国内自主品牌的CAD/CAM系统几乎只有北航海尔的CAXA系统。对于五轴加工，根据不同的加工对象，这些系统各有所长，比如说，在磨具制造的五轴加工方面，Delcam的Powermill功能在特征技术、后处理、干涉检查、加工循环和仿真切削等方面都比较强大，操作使用方便。针对不同的加工行业和加工对象，好的CAM系统都有相应的软件包，专业专用，很难有一种软件可以包打天下。

4 典型五轴零件的加工

加工图2所示的手柄模型零件，材料铝合金，零件尺寸φ60X100mm，加工要求表面精度Ra3.2。数控机床Huron K2X8 Five。

4.1 零件的工艺分析

根据所给的三维零件，根据零件模型确定零件的毛坯尺寸φ60X100mm，零件属于五轴联动加工类型零件，不需要补孔。

4.2 制定数控加工工艺路线

分析零件的数控加工工艺，制定加工路线和加工策略：工序1，开粗，加工模型上半部分，φ10立铣刀，径向加工余量0.15，轴向加工余量0.15，公差0.1。工序2，开粗，加工模型下半部分，φ10立铣刀，径向加工余量0.15，轴向加工余量0.15，公差0.1。工序3，精加工，加工曲面，φ6球刀，加工余量为0，公差0.01。工序4，刻字，加工文字，φ1球头，加工余量为0，公差0.01。

4.3 数控编程（如图3）

仿真结果如图4所示

将程序导入五轴加工中心，进行加工，加工结果如图5所示。

5 结语

五轴联动机床的使用比三轴机床要复杂许多，使用成本也高出许多，对编程、操作人员的要求也要高出许多，但是采用五轴联动机床可以一次装夹工件，完成除了装夹面以外的其它所有面的加工，有效的解决了多次装夹引起的误差，节省了装夹时间；其次是可以做到普通三轴机床因刀具“干涉”而不能加工的工件，如叶轮等。因此，使用五轴机床可以高效的加工出三轴机床不可能得到的高精度的零件。

参考文献

[1]马岩，亮，罗阁.五轴联动数控木工机床的运动原理与结构特点[J].木工机床，2010 No.25-10.

[2]杜玉湘，陆启建，刘明.五轴联动数控机床的结构和应用[J].机械制造与自动化，2008.37（3）.

[3]张伯霖.高速切削技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2002.

五轴数控机床范文第5篇

[关键词]五轴数控机床；误差；实时动态补偿；运动模型研究

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2017.08.204

双转台五轴数控机床是目前进行精密、复杂工件加工的主要设备，其内部同时存在移动轴和旋转轴，一次装夹即可完成形状较为复杂的自由曲面加工作业，缩短加工周期的同时，有效避免了多次加工可能造成的误差问题，从根本上提高了工件加工质量。在多种因素的共同影响下，五轴数控机床实际工作中不可避免地存在机床误差，并且由于五轴数控机床多出两根旋转轴、内部结构更加复杂，导致其误差元素众多且更加复杂。处于工件加工质量和经济性考虑，对五轴数控机床进行误差补偿具有重要的现实意义。本文针对五轴数控机床内部轴的运动进行了细致分析，相应提出了一种误差补偿方法，具体内容如下。

1五轴数控机床结构特点分析

双转台五轴数控机床是五轴机床的一种常见形式，内部拥有两个旋转轴和三个移动轴，旋转轴均存在于工件运动链一侧，具有总体刚性高、工艺性能优良、坐标行程范围广等特点。

2五轴数控机床轴的运动分析

出于数控编程便捷性考虑，将工件坐标系作为运动分析过程中的基础坐标系，其中各运动轴和刀具的运动均表示成工件坐标系中的变量。本组方法中，五轴数控机床的误差补偿，主要通过针对运动轴输入相应的补偿值，调整工件姿态和刀具位置实现。具体坐标变化关系如图1所示。

首先建立工件坐标系、刀具坐标系以及参考坐标系，其中工件坐标系OWxWyWzW，对应刀位数据源文件；刀具坐标Otxtytzt，表示与刀具固联对应的坐标系，刀尖即为原点；参考坐标系Omxmymzm，参考坐标系表示与旋转轴C固联对应的坐标系，A、C两旋转轴的交点就是该坐标系的原点。

建立工件坐标系之后，其中任意一点对应矢量均可以用V表示，方向矢量和位置矢量可分别表示为（x，y，z）和（i，j，k）两种形式，通过下标具体区分不同的状态和位置。

3双转台五轴数控机床误差的解耦补偿分析

在机床实际工作过程中，工件加工精度是由工件和刀尖的相对位置决定的。对于工件加工的任意时刻，如掌握工件坐标系中的刀尖O1的坐标信息、参考坐标系原点O的坐标信息以及刀尖的实际方向矢量信息，即可借助坐标系关系获得五个运动轴的实际位移值。对比五个运动轴的理想位移值和实际位移值，如二者存在偏差则表示，此状态下进行加工会导致工件尺寸误差，记为Δ。而各运动轴实际位移值与理论位移值间的差值，就是具体的补偿误差，在相应的数控程序中输入方向相反、大小相同的补偿值，即可抵消误差，提高工件加工精度。

就双转台五轴数控机床而言，对其操作进行误差补偿的难点主要在于，其同时拥有两个旋转轴。在机床工作过程中，其旋转轴和移动轴同时进行运动，旋转轴的工作转动将直接影响工件在移动轴方向的实际运动情况，也就是说即使移动轴坐标与理论位置一致，在旋转轴位置调整过程中，也会对工作台位置造成影响，即在平移运动和转动运动间存在耦合，对这一情况，简单的轴补偿不发满足机床实际补偿要求，必须充分考虑到移动轴和旋转轴间的运动影响关系，优先进行解耦处理，在进行分布补偿，才能有效提高误差补偿的准确性和有效性。分步补偿的具体步骤为，先完成姿态补偿，在完成位置补偿，实际过程如图2所示。

在图2中，位置1表示工件理想位置，位置2表示工件实际位置。在实际补偿过程中，先调整转动轴对工件姿态进行调整，使其方向矢量保持与理论状态一致，即调整至位置3。受旋转轴与运动轴间的耦合影响，工件对应的位置矢量也会发生一定的变化，此时通过调整移动轴即可完成位置补偿，除原始位置误差外，还需补偿因转动轴运动导致的新误差，最终完成对工件的误差补偿。

3.1姿态补偿调整分析

姿态补偿调整是指位置2调整至位置3的过程，利用坐标系关系可表示为（ic，jc，kc）调整至（ie，je，ke），从而形成全新的刀尖矢量，记为Vc。

4仿真分析

曲面轮廓工件是双转台五轴数控机床加工的典型零件。借助UG软件构建相应的曲面轮廓工件实体造型，并在此基础上进行加工验证，记录生成的刀位数据文件信息。

实际操作过程中，工作人员在加工工件轮廓表面选取采样点10个，通过相应的数学计算，得出准确的零件尺寸误差。随后，根据本文阐述的分步误差补偿方法，建立相应的误差补偿数学模型并编制相应的补偿程序。将采样点的计算误差参数依次输入建立的模型程序，核算各采样点的位置补偿误差和姿态补偿误差，随后将补偿误差输入至原始的刀位文件，并相应生成修改完成的刀位文件，最终得到相应的零件补偿仿真模型。

仿真实践分析可得出以下两点结论：一是分步误差补偿方法可有效降低机床误差最大值，同时使残余误差分布变得更加均匀，即有效减小均方差；二是就五轴联动机床而言，对其进行误差补偿还需综合考虑不同轴的耦合关系，优先进行姿态误差补偿、随后进行位置误差补偿，以提高误差补偿准确度。

5结论

综上所述，五轴数控机床作为现阶段进行复杂工件加工的主要手段，在数控机床领域占据重要地位。受其内部结构复杂性影响，进行误差补偿具有一定的难度。本文从五轴数控机床中不同轴的运动入手，相应提出了先进行姿态误差补偿、后进行位置补偿的误差补偿方法，经仿真实践证明，具有较高的可行性和有效性。

参考文献：

[1]张宏韬.双转台五轴数控机床误差的动态实时补偿研究[D].上海：上海交通大学，2011.

[2]姜辉.五轴数控机床几何与热误差实时补偿关键技术及其试验研究[D].上海：上海交通大学，2014.

[3]张宏韬，杨建国，姜辉，等.双转台五轴数控机床误差实时补偿[J].机械工程学报，2010（21）.

[4]何振亚.五轴数控机床几何与热致空间误差检测辨识及模型研究[D].杭州：浙江大学，2014.

五轴数控机床范文第6篇

关键词： 五轴机床； 轨迹生成； 刀具轨迹； 实时轨迹

中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）17?0158?02

Research on tool path generation method of five?axis CNC machine tool

FAN Jun

（School of Electronic Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 610000， China）

Abstract： A real?time tool path generation and control method of five?axis CNC machine tool is proposed. The space path of five?axis CNC machine tool is described by gridding surface. The position， direction and different movement parameters of the tool are calculated and controlled within the sampling period， and the curve model was established by the calculated data. The generated order was executed by the inverse kinematics model within the specified sampling time. The superiority and universality of the proposed method were verified by simulation instance to a set of tool path.

Keywords： five?axis machine tool； path generation； tool path； real?time path

0 引 言

近年来，五轴数控机床加工自由曲面受到了广泛的关注，因为五轴机床能够提供三轴机床不具备的优化刀具位姿和复杂加工模式，同时能够实现更高的精度和更小的误差，大大减少了前处理和后处理的时间。然而，当前的五轴加工刀具路径由直线段逼近，并且刀具的方向在每个线段不变，导致不能加工出很好的平滑表面。但是每一条线段刀具方向的变化又会增加驻留时间，为了获得更好的表面质量，线段的数量指数增长，因此，实际加工过程中需要尽可能减少线段的数量，显而易见，五轴数控机床的有效轨迹生成方法亟需研究。

目前的CAD系统与传统CNC系统在定义几何的方式上存在技术差异，CAD系统提供给设计者的工具是平面或者空间参数曲线，但是CNC系统仅支持直线和圆弧路径运动，因此需要研究参数曲线的插补方法。相关的研究也有很多，例如：文献[1]提出了多轴机床命令生成的一般理论，文献[2]研究了三轴机床的实时曲线插补，文献[3]研究了一个参数插补器，文献[4]研究了五轴机床的实时控制器，文献[5]研究了六轴机器人的实时NURBS曲线插补器。实时参数插补减少了记忆存储，保证了刀具位置的一阶和二阶连续，但是生成和控制五轴数控轨迹的主要问题是刀具方向的连续和平滑描述，因此需要研究一种控制算法来修正刀具起始方向的连续性。

本文提出一种新的五轴数控机床轨迹生成方法，将刀具位姿、起始方向和运动参数在规定的采样时间内计算，通过一个逆运动学程序在规定采样时间内执行每个轴生成的命令，相比于传统的离线控制策略，可实现实时轨迹控制。

1 刀具路径优化生成流程

当一个五轴铣床加工曲面时，刀具残留高度可以在已加工表面上观察，将刀具路径和刀具路径间隔划分的表面定义为相邻刀具轨迹的距离。如图1所示的残留高度[h]和步长[p。]若加工的步长过大，则加工表面较为粗糙；步长过小，则降低了加工的效率。

图1中刀具步长与残留高度的关系式表示为：

[p=2κκ+h2κ+h2] （1）

式中：[κ]为曲面的曲率。在允许的残留高度下可以计算最大加工步长，为了简化刀具路径规划过程，曲面边界曲线可以作为起始路径，然后决定连续的路径。

实时轨迹规划为了获得平滑曲面，需要在几何数据和加工情况的基础上生成刀具位置、方向和运动参数的数据，曲面的几何数据可以用三次面型形式输入到数控机床中：

[S（u，v）=x（u，v）i+y（u，v）j+z（u，v）k] （2）

由刀具路径规划确定的刀具轨迹可以表示为：

[C（u）=x（u）i+y（u）j+z（u）k] （3）

为了获得更好的加工面型，刀具需要在轨迹上的速度固定，如果规定了刀具的进给率，则采样周期内的刀具步长可以表示为：

[ΔD（u）=VT] （4）

式中：[V]为进给率；[T]为采样周期。根据泰勒级数公式，采样周期内的刀具步长可以表示为：

[ΔD（u）=x′2i-1+y′2i-1+z′2i-1du] （5）

其中：[x′i-1=dxi-1du，y′i-1=dyi-1du，z′i-1=dzi-1du]。

式（5）可以近似为：

[ΔD（u）=x′2i-1+y′2i-1+z′2i-1Δu] （6）

将式（6）代入式（4），整理得：

[Δu=VTx′2i-1+y′2i-1+z′2i-1] （7）

因为[ui=ui-1+Δu，]将其和式（7）代入到式（3），可以得到第[i]个采样周期内的刀具位置。

将刀具的一阶和二阶位置变量作为刀具常规的线性速度和加速度，本文提出的五轴数控机床的轨迹生成方法的流程如图2所示。

2 刀具路径优化生成仿真

球头铣刀的外形可以制造成各种形状，因此适宜加工自由曲面模具或者模型。采用球头铣刀加工自由曲面的刀具轨迹生成策略描述如下：

由式（2）与加工情况决定了式（1）的刀具路径步长和待加工表现信息。在常数进给率下，可以由式（7）得到每个采样周期内的独立参数[u]，然后根据[u]和式（4）获得刀具的位置和起始方向数据。刀尖轨迹生成一条基准线，曲面法向量的趋近向量为网格曲面划分的规则。网格轨迹建模类似单位球面的曲线，在弗格森曲线模型的基础上，重新表示基准线和网格规则，进一步获得基准线的一阶、二阶和三阶运动参数以及网格规则，由CAD系统获得加工情况和曲面的几何参数，采用实时控制技术计算刀具的位置和角运动属性。

如图3所示，本文进行了一组自由曲面加工轨迹仿真，仿真工件的尺寸为400 mm×400 mm，仿真刀具采用球头铣刀，进给率设置为10 mm/s，采样周期设置为10 ms，整个仿真工件的位置总数为8 005，计算时间为50.66 s。

3 结 论

本文提出一种新的五轴数控机床轨迹生成方法，在网格曲面曲率理论的基础上，沿着生成的轨迹计算刀具的运动属性。不同于常规的插补技术，本文方法用到了高阶运动属性，不仅仅适用于五轴数控机床，更适用于自由曲面的精密加工，对于多自由度三维加工机床同样适用。

参考文献

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五轴数控机床范文第7篇

关键词：五轴加工；叶轮；仿真实验

中图分类号：TG659文献标识码：B文章编号：1001－0874(2015)06－0045－03

0引言

非正交五轴联动数控机床由X、Y、Z三个方向的移动与非正交的B轴摆头及C轴转台组合而成。C轴转台既可作为工件转台，也可作为机床主轴。B轴转动180°后，可实现加工中心的立卧转换。因此，该机床具备车铣复合的功能，我国实施“高档数控机床重大专项”中，重点攻关此类机床，成功研制出CX110100、CX1075等型号的车铣复合加工中心，并进行了相关的现场切削实验和工艺研究。五轴机床的现场切削考核常采用整体叶轮作为切削对象。在叶片的精加工环节，需要五个坐标轴联动，并且B轴的摆动角度范围较大。叶轮毛坯的加工过程，需要车削毛坯外圆，同样可以考验机床的车削能力。因此，整体叶轮是车铣复合加工机床现场试切较为理想的加工对象［1］。采用非正交结构机床数控加工整体叶轮，编程较为复杂，易产生碰撞及断刀等加工意外。本文以CX110100车铣复合加工中心为平台，以UGNX+VeriCUT为编程校验环境，展开整体叶轮的切削实验研究，从而验证机床的整体性能及设计指标。

1加工工艺分析

CX110100机床结构如1图所示，其中B轴摆动的范围在－30°到180°，C轴作为转台时转动范围0°～360°，转换为主轴时最大转速500r/min，数控系统采用Siemens840D。拟加工叶轮，最大外径140mm，叶片数量8个，叶轮外边缘近似为圆弧。因此，先在B轴摆头上装夹外圆车刀，以C轴转台为主轴加工出叶轮外轮缘。整体叶轮铣削采用粗精分开的加工艺。可在将B轴和C轴锁死一定角度条件下，利用三轴方式粗铣出叶轮的大致轮廓。在精铣加工重点是尺寸精度和表面质量，这时机床的两个转轴均参与联动，称为“3+2”加工方式。在具体加工时，根据叶片间距，采用10mm硬质合金球头刀进行铣削加工，主轴转速3000r/min。［2］

2加工编程

2．1车削编程

车削将圆柱状坯料加工成叶片的外轮廓。编程原点定位在圆柱顶面的圆心。数控加工程序采用手工编程的方式。

2．2铣削编程

采用UGNX的软件环境进行铣削编程。在UGNX中带有叶轮加工模块，因此可简化叶轮的编程过程，编程流程如图3所示。需要指出的是，UGNX中的叶轮模块，现阶段不支持“3+2”编程，其中刀轴控制策略均为五轴方式。因此需要采用间接的方式，先利用型腔铣的三轴加工功能，手工指定加工范围与刀轴矢量，生成粗加工刀轨。然后利用叶轮模块的轮毂和叶片加工功能，生成用于精加工的五轴刀轨［3，4］。

2．3后置

编程生成的刀位信息是以(XYZIJK)形式表示，与机床具体结构形式无关。当程序需要输入数控机床时，需要将程序进行后置处理，生成适合机床结构的(XYZBC)形式的刀位点，同时增加合适的程序开头和结尾。因此，编制满足机床结构及数控系统要求的后处理器，是数控编程的重要环节。UGNX自带后处理生成器，可以对已有后处理进行修改和编译。同时，UG自带的后处理器也比较全面，其中sim09_millturn_5ax_sinumerik_mm的后处理器与本机床结构比较吻合。通过后处理生成器，对该后处理进行适当修改，将C轴的转动范围改为0°～360°，B轴的转动范围改为0°～180°，同时修改X、Y、Z轴的行程，保存后就可以进行程序后置，生成精加工程序［6］。

3程序仿真

在数控程序生成后，为了确保程序的正确性并保证机床的安全，有必要对程序进行上机前的检查和验证。后置生成的叶轮加工程序容量较大，除了常规的程序开头和结尾，中间是大量的点位坐标，这些坐标点仅靠人工检查非常困难。因此必须采用相应的仿真程序进行校验。［7］VeriCUT是一款常用的数控程序校验仿真软件，它的特点是不能生成程序代码，但可以对已有的G代码程进行模拟，并能进行机床加工仿真、碰撞检查以及切削模型尺寸分析。此外，该软件与UG之间带有专用接口，在UG中可直接调用该软件进行仿真。经过验证，粗加工三轴程序以及精加工五轴程序能够正常运行，未发现有碰撞及过切情况，可以输入机床进行加工。

4现场加工

经过后处理和仿真验证的程序，输入到CX110100数控系统中进行程序的蜡模试切。总切削时间为15h［10］。经过现场试切，程序能够满足叶轮加工的要求。

5结语

通过五轴机床整体叶轮的加编程及实验验证，可得到如下结论：

1)整体叶轮采用先车后铣的加工方式，可以提高加工效率和机床利用率。叶轮的铣削采用先粗后精的加式方式，有利于编程，并能够充分利用机床。

2)叶轮铣削采用“3+2”的加工方法，是一种较为理想的加工策略，既能提高机床的刚性，避免摆头力矩电机在最大负荷条件下的切削，又能充分利用机床的五轴功能，提高加工精度。

3)UGNX中叶轮模块，虽然能够简化编程，但对于“3+2”方式的仍未完全支持，可以采用其他加工策略相组合的方式进行解决。在后续的研究中，也可以考虑采用二次开发的方式进行处理。

4)对于复杂的五轴加工的后置程序，建议采用专用的软件进行校验，不但能够最大限度地降低机床碰撞风险，还能直观地进行程序验证和调整。

参考文献：

［1］曾志迎．复杂曲面的五坐标数控加工关键技术研究［D］．太原：太原科技大学，2012．

［2］王春松．整体叶轮五轴加工技术的研究与应用［D］．南京：南京理工大学，2011．

［3］张剑．整体叶轮五轴数控铣削技术研究［D］．长沙：湖南大学，2012．

［4］云玲．三元整体叶轮的几何造型与五坐标数控加工［D］．大连：大连理工大学，2004．

［5］XuRufeng，ChenZhitong，ChenWuyi，etal．DualDriveCurveToolPathPlanningMethodfor5-axisNCMachiningofSculpturedSurfaces［J］．ChineseJournalofAeronautics，2010，234：486-494．

［6］葛卫京．复杂曲面后置处理技术的研究与实现［D］．太原：太原科技大学，2013．

［7］ZhixiangShao，RuifengGuo，JieLi，etal．AccurateModelingMethodforGeneralizedToolSweptVolumein5-axisNCMachi-ningSimulation［J］．JournalofSoftware，2011，610：2056-2063．

［8］许剑．整体叶轮的五轴高速铣削加工与仿真［D］．武汉：武汉理工大学，2011．

［9］杨光．整体叶轮的五轴数控加工与仿真研究［D］．西安：西安科技大学，2013.

五轴数控机床范文第8篇

关键词　五轴机床;大机匣;编程;稳定质量

中图分类号TH18　文献标识码A　文章编号1674-6708(2010)28-0160-01

引言

近几年随着数控设备的高速发展。五轴数控机床在很多企业都得到普及。如今利用五轴机床数控加工已成为了各企业合并工序、缩短流程、稳定质量,提高效率的有效方法及发展方向。

1　五轴数控机床加工大、重型零件的难点分析

在五轴加工中心上加工零件时,通常是将零件工作坐标系的原点定在B或c转台的中心,以便于零件的找正和多方位加工。在被加工零件的6个面中,除支靠面以外,另外5个面的加工内容都可以通过旋转机床B、c转台的角度,使机床主轴指向被加工面把零件加工出来。

而部分大、重型的机匣类零件在五轴数控机床上加工时,由于自身太重,只能用吊车吊上机床,零件在机床上摆在什么位置就在什么位置固定夹紧,无法将零件中心敲到与机床转台同心,那么在机床转动转台加工周边的多个面上的内容时,转台每转动一个角度,零件中心相对于机床转台中心都发生了变化,以至机床转台每转动一个角度都要根据零件转动后的实际位置编制一个数控程序,程编员工作量非常大,零件的加工效率很低,产品质量极不稳定。加工大、重型零件存在以下几个问题:

1)有些零件很难将零件中心放置在工作台转盘的中心:

2)零件支靠面和尺寸基准不在同一位置,零件编程所设原点在零件支靠面上,其与尺寸基准的差值影响到零件的位置;

3)零件因为定位间隙及重力造成零件角向的偏摆而使零件超差。

2　加工中暴露出的弊端

对于以上3种情况的零件,我们以往的处理方法是针对每批零件不同的摆放位置和不同的夹具高度编制不同的程序,这样的加工方法在实际加工中显现出了很多弊端:

1)给程序员提前准备程序带来了很多不便,因为在程序准备过程中,程编员不知道拼装夹具的具体高度或者零件在工作台上的具体安装位置。这样只有等夹具拼装好或知道了零件在工作台上的具置,才能根据实际情况编制程序,否则程编员无法提前做好程序准备。

2)操作者装好零件后也不能马上加工,必须等待程编员根据刚给出的夹具高度和位置数据进行处理和编程,造成时间上的浪费。

3)程编员每次拿到的夹具和位置数据都不同,这样每批同样的零件甚至每批中的每个零件都要编制一次程序,此次编制的程序就是加工出了合格产品,程序也无法归档,下次又要根据不同的数据调整,这样就导致程序频繁修改,技术准备时间缓慢、效率低、程序容易出错、零件加工质量不稳定。

3　解决方法

针对传统加工方法的不足,如今利用空间角度之间的相互关系,彻底地解决了大、重型零件的加工难题。下面就加工方法说明如下:

1)假设夹具高度为零或不考虑夹具;2)假设零件的编程原点与转台中心重合,不考虑零件的实际位置;3)利用空间坐标系的坐标旋转及零点的偏移公式对零件工作坐标系的原点相对于机床工作台中心进行旋转、偏移编制数控程序。

4　编程原理

编程基于的理论基础:

4,1　利用空间坐标系的坐标旋转公式

Z’=Z

X’=XCOSθ-YSinθ

Y’=Xsinθ+Ycosθ

4,2　原理分析

把零件放在工作台任意位置,利用零件G54与工作台旋转中心x方向距离与z方向距离之间的位置关系(Y轴关系不变),在零件周围不同角度的加工面上设置G54、G55、G56……有多少个角度面就在程序上设置多少个零点,用三角公式定义新的坐标关系中的G54、G55、G56……等的z值、x值。实际上也是将加工工作坐标系与编程原点分离。

编程原点在不同的旋转角度下,相对于工作台中心有不同的值,此值必须偏移到机床上所设的工作坐标系中,加工某角度下内容就对应一个x、z值的偏移量。这也就是为什么出现了G54、G55、G56……的原因,这与普通在工件上设置多个工作坐标系是不同的,我们知道,多个工作坐标系对应多个编程原点,而此方法编程时只有一个编程原点,这也就是上图中G54、G55、G56的偏值机械原点是一样的。

5　结论

通过此次编程方法的改进,体现了合理利用空间角度公式在数控加工的重要性,开拓了我们在多轴编程加工中的思路,解决了一系列大型复杂零件的加工问题,目前大型零件的加工已不存在困难,而加工效率、加工质量等方面较以前都有很大的提高。

参考文献

[1]顾京,数控机床加工程序编制,高等职业技术教育机电类专业教材编委会,1996

[2]何满才,三维造型设计[M],人民邮电出版社,2003

五轴数控机床范文第9篇

关键词：数控机床 多体系统 运动建模

0 引言

近年来，随着数控机床在机械制造领域的应用越来越广泛，我国在数控机床研究和发展方面取得了长足进步，一些制约数控机床发展的关键技术取得了突破。但是由于我国对数控机床研究起步晚，投入低，相关技术的研究相对落后，故其总体发展水平仍与国际先进水平有较大的差距。国内的数控机床在性能、加工精度、稳定性和可靠性等方面都很难与国外高档产品相比。

加工精度是数控机床性能的主要标志之一。为了提高机床的加工精度，必须对机床的误差进行补偿。而误差补偿系统的性能主要取决所建立的误差模型。关于数控机床误差建模的研究很多，主要的方法有三角几何法、误差矩阵法、神经网络法、矢量描述法、刚体运动学法及多体系统理论法等。

本文通过分析数控机床误差来源及各运动副的误差运动学原理，在此基础上研究三轴数控机床的综合误差建模方法，并以多体系统为例，说明误差建模的方法和步骤。

1 影响数控机床精度因素分析

在数控加工中，影响加工质量的因素很多，即工艺系统中的各组成部分，包括机床、刀具、夹具的制造误差、安装误差以及刀具使用中的磨损等都直接影响工件的加工精度。也就是说，在加工过程中整个工艺系统会产生各种误差，各种误差源作用在工件的成形过程中，改变刀具和工件在切削运动过程中的相互位置关系，从而影响零件的加工精度及质量。按照误差来源进行划分，误差可分为内部误差和外部误差。其中内部误差源主要包括几何误差、热误差、切削力误差、摩擦力及加工原理误差等。

大量研究统计表明几何误差和热误差占总误差的主要部分，对这两项误差的补偿研究已经取得了成效，而切削力误差对机床精度的影响作用也日益显著。图1为机械加工工艺系统中各种误差所占的比例图。

基于以上的数据统计，在建立数控机床的综合误差模型时，需要综合考虑几何误差、热误差和切削力误差的影响。下面分别对这三项误差进行分析。

2 数控机床误差项分析

2.1 几何误差 三轴数控机床的运动坐标包括X、Y、Z三个移动坐标轴。理想情况下与机床每个运动副相关的自由度只有一个。但是由于制造和装配误差的影响，机床在实际运行过程中每个运动副往往存在6个自由度，分别是三个平移误差及三个转动误差。图2所示的是沿X轴平动时的6项运动误差。

因此，3个移动副共有18项几何误差，加上单元间姿态误差3项及主轴误差5项，共26项几何误差。具体如表1所示。

2.2 热误差 对于三轴数控机床来说，各运动轴及主轴的热误差共14项，分别为：X轴、Y轴、Z轴和主轴原点在三个方向的热漂移误差，以及两个方向的转角误差。具体如表2所示。

2.3 切削力误差 切削力误差是指数控机床加工时产生的切削力导致刀具、工件、机床部件等变形，从而使实际切削位置与理论切削位置发生偏移而产生的误差。三轴数控机床的各运动轴及主轴的切削力误差共23项，分别为：X轴、Y轴、Z轴在三个坐标轴方向的切削力误差及转角误差；主轴在三个方向的移动误差及两个转角误差。具体如表3所示。

3 数控机床综合误差建模分析

关于数控机床误差建模问题，经过多年的研究，目前已经发展成了多种不同的建模方法。最早的是由Humphries等人提出的用三角关系建立三轴机床的几何误差模型，用来分析多轴机床的空间误差。之后矢量表达方法、傅里叶变换法、刚体运动学及机构学方法陆续被用于建立数控机床的几何误差、位置误差及空间误差模型。2000年以来，基于齐次坐标矩阵建立多轴数控机床的准静态误差综合空间误差模型取得了很大的成效。近年来，针对复杂机械系统的运动误差，发展起来了一种多体系统理论。

多体系统是指由多个刚体或柔体通过某种形式联结而成的复杂机械系统。多体系统理论和方法具有通用性和系统性，非常适合于进行空间误差建模，目前己经在机器人、机床、坐标测量机等复杂机械的运动分析与控制中得到成功应用，并且应用领域正在不断扩大。它是对一般复杂机械系统的完整抽象和有效描述，是分析和研究复杂机械系统的最优模式。因此目前在对数控机床的运动误差进行建模分析时，大多采用多体系统理论。下面将对多体系统误差建模的具体步骤进行介绍。

4 多体系统误差建模步骤

采用多体系统理论对数控机床进行误差建模时，需要用拓扑结构将研究对象进行抽象，通过求解运动特征矩阵，得到刀具成形点的空间位置误差和刀具姿态误差。其具体步骤如下：

4.1 描述多体系统拓扑结构。方法有两种，分别是基于图论的描述方法和低序列阵列描述法。由于后者简单方便，因此目前多被采用。用低序列阵列描述拓扑结构中各体之间的关联性，得到三轴机床的低序体阵列表。

4.2 根据三轴机床的低序体阵列表，求出相邻体之间的运动特征矩阵。包括体间理想静止、理想运动特征矩阵及实际静止、运动误差特征矩阵。

4.3 在求出相邻体之间的运动特征矩阵之后，为了完成三轴机床的综合误差建模，需要求解刀具的理想成形函数和实际成形函数，结合运动特征矩阵，得到刀具成形点的综合空间误差及刀具姿态误差。

以上就是采用多体系统进行误差建模的具体步骤。

5 结论

本文对数控机床结构特征进行了分析，并对数控机床的具体误差项进行了深入分析，在此之后介绍了数控机床运动误差建模理论的发展，并以目前广泛应用的多体系统理论方法为例，说明了采用多提系统理论对三轴数控机床进行综合误差建模的方法和步骤。该建模方法为后续的机床误差分离及误差补偿提供了依据。

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五轴数控机床范文第10篇

关键词：数控机床；数控技术；发展趋势；概况

0 引言

数控技术是每个国家先进制造业发展水平的重要标志，国家综合国力的提高和国防工业的现代化所必不可少的重要基础。美国、日本和德国等发达国家的数控机床和技术都处于世界先进行列， 如日本山崎马扎克公司开发出了2种可使用长镗杆切削工件的复合加工机床。德国德马吉（DMG）公司生产的CTX 310 ECO通用车床其主轴驱动在无级可调情况下，转速可达5000r/min，输出功率为ll千瓦 。

而我国数控技术发展比较晚，起步比较慢。在20世纪50年代末，经历了封闭式开发阶段。在“六五”、“七五”间，通过吸收和引进相结合，于“八五”期间建立国产体系。“九五”期间实现了产业化阶段，组建了数控研发，数控生产基地，初步掌握了数控发展的技术，同时培养一批数控专业技术人才，初步形成了国产数控产业规模，开拓了国产数控产业市场。如图1所示为我国数控机床产业销售情况分布图。其规模较大生产公司有华中数控、广州数控和航天数控等具有经济性和普及型的数控系统及机床产品。经过50多年的大力发展，其产品和性能大幅度提高，并逐渐在市场上站稳脚跟。但高端技术产品含量比较低，与国外数控系统差距比较大，对我国数控产业的发展还达不到主导和支撑作用。绝大部分高端数控产品主要依赖进口，如表1所示是近年来我国数控机床进出口变化对比表。因此大力发展国产数控产业对我国经济的发展、国防的进步和综合国力水平的提高具有极为重要的作用。

1 数控机床与技术简介

1.1 数控机床的结构组成

数字控制（Numerical Control ）是一种借助数字、字符或其它符号对某一加工过程进行可编程控制的自动化方法。而数控技术（Numerical Control Technology）就是采用数字控制的方法对加工过程实现自动控制的技术。再将数控技术应用到机床上就演化为现在的数控机床。标准型的数控机床通常由数控机床控制系统和机床本体这两大部分组成，如图2所示。

1.2 数控机床及技术分类

1）按控制系统特点分，主要包括点位控制、直线控制和轮廓控制数控机床。其中，点位控制数控机床只要控制移动部件的终点位置，对运动轨迹不作要求；直线控制数控机床不仅控制两点间准确位置，还要控制其移动速度和轨迹；轮廓控制数控机床能够同时控制两轴以上的轴，并具有插补功能，同时对运动的起、终点，速度和轨迹进行精确控制来加工任意形状的曲线和曲面。

2）按执行机构的控制方式分，主要包括开环、半闭环和闭环数控机床。其中，开环数控机床无位置反馈系统，加工精度低；半闭环数控机床带有位置反馈系统，并安装在滚珠丝杠或电机轴上，加工精度较高；闭环数控机床不仅带有位置反馈系统，而且将其安装在运动部件上，加工精度最高。

3）按工艺用途分，主要包括金属切削类、金属成形类和特种加工数控机床及其他类型数控机床。其中，金属切削类数控机床应用最为广泛，种类最多；金属成形类数控机床最近几年发展较快。

4）按数控机床的性能分，主要有高、中、低档三种数控机床。

1.3 数控机床及技术特点

数控机床作为一种先进的自动化机床，不仅具有较高的自动化程度，而且还具有广泛的通用性，综合运用了计算机技术、微电子技术、自动控制技术、机械结构和精密测量等最新成就和技术，广泛应用于机械加工制造、国防军工产品生产、航空航天、交通运输等领域，其主要特点如下：

1）加工精度高，加工质量稳定、可靠性高；

2）加工过程无需人工干预，降低了工人的劳动强度；

3）当零件发生改变时，只需改变数控程序，即可继续加工，节省生产准备时间，提高生产率；

4）能实现多坐标的联动加工，能加工各种形状复杂的零件，加工范围广；

5）适应性强，适合加工单件和小批量复杂工件；

6）有利于实现机械加工的现代化管理。

2 数控机床及技术的发展概况

数控机床产业是国民经济发展的支柱产业，中国是世界制造大国，但不是制造强国。创新能力不强，基础薄弱，主要以低端产品为主，而制造业的发展主要依赖于机床业的发展。为此，国家于2005年制定了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，同时将“高档数控机床与基础制造装备”确立为16个科技重大专项之一。通过国家计划支持，在数控关键技术方面取得较大突破，主要表现在如下几个方面：

1）关键部件的技术水平和质量逐步提高，功能日趋完善，部分零部件的性能指标逐步达到国际先进水平。开发出了高速主轴控制单元、重载导轨、数控回转工作台、A/C轴数控铣头、机械手和刀库装置和数字化量仪等部件和样机，并实现小批量生产规模。

2）中高档数控系统的研发取得了一定的成果。通过自主研发与国外合作，在中档数控系统研发上取得很大进展。解决了远程数据传输和坐标联动的关键难题，相继又开发了伺服驱动系统，形成了系列化和标准化生产。

3）中高档数控机床研发有了较大的突破，在复合加工、五轴联动、高速加工和数字设计等方面取得了重大进展。

但与国外先进发达国家相比，差距还很大，还有很长的路要走，其不足主要有以下几点：

1）自主创新能力还不足，创新成分少，吸收和消化能力差。就目前情况来看，我国只是停留在掌握已有国外的先进技术上和提高国产化率上，没有形成自主研发和自主创新能力。要改变这种局面，不仅借助国外的先进技术作引导，还必须增强消化吸收能力，否则会更加依赖于国外技术。

2）功能部件发展滞后。由于数控机床是由若干功能部件在立柱和床身上进行组装而成。其整体和功能部件之间是相互依赖，相互发展的，这些功能部件的发展也在一定程度上限制了数控机床的发展。

3）产品的稳定性、可靠性不高。进口机床的平均无故障时间约为10，000小时以上，国产为3000-6000小时左右。这种差距在一定程度上影响了国产机床在市场上的占有率。

4）网络化水平和技术较低。目前应用较多的还是NC传输、串口通讯技术和纸带阅读器，而远程故障排除、集成化和网络化水平有限。

5）产品可靠性、服务水平和产品质量等方面不强。国产机床的交货期、服务和质量等方面与国外的著名品牌差距较大，其数控系统的平均无故障时间差距也很大。另外，服务体系不完善，快速反应能力和成套技术服务满足不了现在的多元化市场要求。

6）高档数控机床的需求量较大。尤其对高端数控机床的需求量较大，每年大约有60%的固定资产用于购买机床。在“十二五”期间，随着汽车、高铁、航天工业、工程机械等行业投资增速、产业结构调整，对中高端数控机床需求量将继续增大。据分析，到2020年低中高档数控机床之比将达到20：60：20，中高档数控机床年需求量在12万台左右。

7）体系结构不够完善和开放。用户接口不够完善，少数开放功能的产品，只停留在试验和试制阶段。

8）创新环境不完善。我国还未形成有利于企业创新的竞争环境，创新动力和创新意识不强。

3 数控机床及技术的发展趋势

数控技术不仅对传统的制造业带来了巨大的变革，而且成为工业化的象征。随着数控技术的发展和应用领域的逐渐扩大，对国际民生的重要行业产生了极为重要的作用。从目前世界上数控技术及装备的发展趋势来看，主要体现在以下几个方面：

3.1 高精度化、高速化、高效性、高可靠性

世界各工业国家从精密到超精密加工，从微米级到亚微米级，再到纳米级发展，以适应现代科技的发展。通过高速化缩短切削时间，来提高生产率，实现高效发展。高的可靠性可以大大降低机床故障率，提高机床寿命。

3.2 开放式、智能化、网络化

开放式数控系统能在一个统一平台上，面向厂家和用户，通过增加、剪切和改变结构对象，实现产品的系列化。智能化主要是对产品质量、驱动性能、编程、人机对话、智能控制、智能诊断等方面实现智能化。网络化是近年来的一大亮点，这一目标的实现可极大满足制造系统和制造企业对信息集成的需求，实现虚拟制造和敏捷制造等。

3.3 五轴联动加工和复合快速加工

采用五轴联动可实现对三维曲面零件的加工，效率高、加工质量好。但价格较高，编程难度较大，从而限制了五轴联动机床的发展。由于当前电主轴的快速发展，使五轴联动的复合主轴头结构大为简化，制造难度和成本降低，促进了五轴联动机床和复合加工机床的迅速发展。我国复合加工机床刚刚起步、国内首台复合加工机床是由沈阳机床集团与德国MAX-MULLER公司合作生产的车铣复合中心。

3.4 环保化

随着环境保护意识的增强，环保的要求也越来越高。不仅在制造过程中不污染环境，在使用中也不产生二次污染。在这种环境下，装备制造领域对机床提出了无液、无冷却液、无气味的环保要求。欧洲已有10%-15%的加工实行了干切削或准干切削，如德国HUELLER的高速加工中心均采用了干切削技术；美国HARDING的QUEST系列车床；日本原洲公司加工中心采用了液氮冷却技术；日本富士公司的数控车床采用了冷风冷却技术。

3.5 新技术规范和标准的建立

开放式数控系统有更好的适应性、扩展性、通用性和柔性。美国、欧共体和日本等国纷纷开始对开放式体系结构的数控系统新技术规范的研究和制定，这预示着数控技术的又一个新的变革时期的到来。我国在2000年也开始对中国的ONC数控系统的规范进行研究和制定。

4 结束语

我国是制造和生产大国，在世界产业转移中尽量接受前端而不是后端的转移。一方面，要努力掌握世界先进制造核心技术，缩短与先进国家之间的差距。重视数控人才的培养，加大对数控高端科技领域的拓展，加大经济的投入，实现由制造大国到制造强国的转变。另一方面，制造业还是我国就业人口最多的行业，可缓解当前就业的压力，提高人民的生活水平，保障社会的稳定。

参考文献：

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[3] 胡俊，王宇晗，吴祖育等.数控技术的现状和发展趋势[J].机械工程师，2000（3）：5-7.

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