多轴多刀数控技术研究进展

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Research Progress of M ulti·axis and M ulti.tool NC TechnolOgYDONG Wei ，YANG Xiangdong(1·D印anm。nt of Electrical and Mechanical Engineering， Tianhe Colege of Guallgdong PolytechnicNormal University， Guangzhou Guangdong 510540， China：2·Electrical and Mechanieal Engineering Department， Guangzhou Huali College of Science and Techn0l0，Guangzhou Guangdong 5 1 1 325，China) -. A ct： 曼ased on th。 nciple 0f删lti-axis multi-c0。l CNC technoJ。gY，tbe research status 0f h盯dware afld s0flware 0f叫lti。

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Keyw0rds：Multi-axis multi-tool CNC technology；Research status；Devel0Dment trend自1952年美国麻省理工学院与美国军方合作研制出世界上第-台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是耷汽车、航空航天以及军事工业中被广泛应用，数控技术无论在硬件还是软件方面， 都呈现出飞速发展的趋势。

- 般来讲，具有四轴以上、连续使用两把以上刀具加工的数控加工称为多轴多刀数控技术， 已经成为先进制造装备领域的最前沿、最尖端技术， 受到各个国家军工企业、科研院校的大力追捧，如图1所示。

其重要性在 1987年日本的 东芝事件”中，可窥见～斑 (该事件中所涉及 的多轴机床为高 约 10 m、宽 22m、质量 250 t的九轴数控大型船用螺旋桨精密铣床 )。

1 技术原理z(P 、f . -图1 数控机床轴数示意图多轴多刀数控加工技术最直接的载体是多轴数控加工中心 ，如图2所示为五轴加工中心， 主要由输入装置、数控装置、伺服系统等部件组成， 如 图 3所示。其工作原理就是将零件 图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制 系统 中，再对其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号 ，从而控制机床各部件协调动作，自动完成零件的加工[2]操作面板输入输出设备CNC装置控制软件(软件功能)硬件 电路(硬件功 能)图 2 五轴数控加工中心结构主- - -堡里 墨- 雾 - ：l-t～ -僵. . c 完成进刊盖警矣H驱翥篓置； 7测量装置(位置、速度)图 3 典型数控机床 CNC装置收稿日期：2012-03-21作者简介：董伟 (1979-)，男，硕士，讲师，研究方向为先进制造技术。 E- ail：dwei6### 163.com o机床第 1O期 董伟 等：多轴多刀数控技术研究进展 ·161·3.1 手工编程手工编程具有速度较慢、不利于复杂结构零件编程的弱点，但要注意的是也具有可修改性强、程序短孝可用标准参数方程表示曲线 (如正圆、抛物线 、渐开线、摆 线 等)等优点。现代的多轴多刀加工如手工编程技术多借助宏程序来完成 ，例如在圆周上钻、镗 图9所示均匀分布的n个孔 ，其宏程序如下所示 ：#l5026#31JJo/ 厂、 - 厂-y ；- .o， 、.。

图9 宏程序编程示例衡 3.14l 59/l80柏 -20#75while#3 LE#2#4360/#2 #3-1]：l#10#l COS(槲)#11#1 SIN(#4)G90G98G81X[#10]Y[#10]z[柏]R[#7]F500#3#3lENDW G80G9l G28Z0M05M303.2 自动编程针对手工编程工作量大 、易出错 、很难实现复杂零件的加工等缺点，借助于计算机三维绘图软件的自动编程从-出现，就受到业界的广泛欢迎。越来越多的企业已逐步认识到应用多轴数控机床可以高效率、高精度地加工自由曲面零件，但要使其真正发挥效益，还必须依靠性能优良完善的 CAD/CAM软件。目前国内外流行 的 CAD/CAM软件有 ：UG、CADDS5、Pro/Engineer、CATIA等，它们主要运行在工作站或微机平台上。但国外软件市驰格却十分昂贵，这在- 定程度上限制了CAD/CAM技术的推广 。

近年来，我国CAD技术的开发和应用取得了长足的发展，如高华CAD、CAXA等，由于这些软件价格便宜，符合本国国情和标准，赢得了越来越大的市场份额。但我国CAD/CAM软件不管是产品开发水平还是商品化、市朝程度都与发达国家有不小的差距。

由于国外 CAD/CAM软件出现得较早，开发和应用的时间也较长，如 UG、PTC、I-DEAS等公司都是 CAM行业的顶级产品，可以方便地仿真刀具及机床的运动，可以从简单的2轴、2.5轴加工到以7轴 5联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化，所以它们发展比较成熟，现在基本上已经占领了国际市惩-部分国内市常因此，我国CAD/CAM软件前景不容乐观，尤其是在应用在五轴数控加工的 CAD/CAM软件开发方面，国内软件厂家做得都不是很理想，都存在不同问题 。

3.3 自动仿真技术数控加工仿真技术就是利用计算机软件来模拟数控加工过程，并将加工过程和结果中的信息在计算机中用图形、数字、图表等方式表达出来，以达到供人们判断、验证和控制数控加工过程和结果的正确性、合理性以及加工效率高低等目的的方法 。目前，数控仿真主要分为几何仿真和力学仿真两个方面 。

在 国外 ，美 国 Maryland大学开发了用于培训数控操作人员的虚拟数控机绰真器；韩国 Turbo.TEK公司开发出了面向培训的虚拟数控车削及铣削加工环境，能够实现数控加工的几何仿真并配有声音信息；日本 SONY公司研制出 FREDAM系统 ；意大利 Bolo-gna大学用 B样条曲线建立了端铣刀与工作台模型，并采用真实感图形显示铣床精加工过程等 。

在国内，有华中科技大学研究开发的NCPVSS系统、同济大学研制的数控程序微机动画仿真系统、哈尔滨工业大学研究开发的NCMPS系统、清华大学 CI-NIS工程研究中心研究开发的 通用加工过程仿真器”、大连理工大学研究开发的数控曲面加工微机仿真器等 。

虽然目前的主流三维软件都带有三维仿真功能，但由于多轴加工的复杂性，都不能完全消除零件与刀具、刀具与夹具、刀具与工作台之间的干涉碰撞。国产的仿真软件如上海宇龙等，在此方面还有待于加强。

4 发展趋势4.1 硬 件 方 面主要表现为以下几个方面：(1)高速度与高精度化。

(3)复合化。复合化包含工序复合化和功能复合化。铣削与激光复合可用于精细型面模具的三维加工；冲压与激光切割复合可用于板材加工。

(5)智能化。常用的智能加工系统的基本结构模式如图 l0所示，由智能监测拈、决策规划拈和实时控制拈 3个基本拈组成。

· 162· 机床与液压 第 41卷Nc控制器 -- 机床智能监测拈决策规划拈实时控制拈知识库数据库图10 智能化数控加工系统结构模式(6)造型宜人化。

4.2 软件 方 面图形的生成技术和建模技术，是改进和提高国产CAD/CAM软件的当务之急。

4.3 自动仿真技术综合全面考虑干涉 、避让检查等约束条件及尝试考虑切削参数、切削力及其他物理因素的影响，从而实现几何仿真和力学仿真的结合。

5 结束语论述了多轴多刀数控加工技术的定义及原理，并对其硬件数控机床的研究现状进行了总结，指出：(1)并联机床、复合加工机床、数控加工刀具与夹具及数控机床与工业机器人的结合是其主要发展方向；(2)对软件进行了综述：手工编程也有适用诚，自动编程是主流，仿真技术是其薄弱点。

(3)对多轴多刀数控加工技术在硬件、软件发展趋势方面进行了预测。