WMEM | KMC 800 SU五軸立式加工中心的研發(fā)與應用

中國機床工具工業(yè)協(xié)會(huì )cmtba 8月15日

一、概述

在機器制造中，機床所擔負的加工工作量占機器總制造工作量的40%-60%，機床在國民經(jīng)濟現代化的建設中起著(zhù)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)用于加工復雜曲面的機床，并對一個(gè)國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫療設備等行業(yè)有著(zhù)舉足輕重的影響力。

隨著(zhù)國內航空、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用，對數控機床的高速化、高精度化、功能復合化、智能化等要求越來(lái)越高，國產(chǎn)五軸機床的研發(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，光洋集團充分整合了企業(yè)在自主化高檔數控系統、伺服驅動(dòng)、電機、精密轉臺等關(guān)鍵功能部件方面的優(yōu)勢，科德數控打造出了以KMC系列五軸銑車(chē)復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，科德數控KMC系列五軸立式加工中心擁有KMC400S、KMC600S、KMC800S、KMC1250S全系列型號產(chǎn)品。

二、產(chǎn)品性能介紹

數控機床在數字化控制下實(shí)現工件與刀具間任意軌跡的相對運動(dòng)，從而實(shí)現各種型面的加工。在實(shí)際應用中，由于零件復雜程度越來(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，甚至完成復雜凹曲面和異形腔體的加工，于是誕生了五軸機床，即在傳統三坐標基礎上加入回轉坐標，以實(shí)現特殊工件和刀具間姿態(tài)調整的要求。

科德數控研發(fā)生產(chǎn)的KMC800S系列五軸立式加工中心采用模塊化設計概念，具有更大的作業(yè)空間，更小的干涉，更強的切削剛度，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)框架及整機結構設計

KMC800S系列五軸立式加工中心的結構采用改良的龍門(mén)框架設計，三個(gè)軸在刀具上，兩個(gè)旋轉軸在工件上，達到最優(yōu)的主軸支撐；各軸的驅動(dòng)和導軌都在加工區域之外的上方，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；主軸內置于垂直的Z向滑枕中，借鑒立式坐標鏜的經(jīng)典結構；主軸不會(huì )受到擺動(dòng)的影響，所以刀具長(cháng)度不會(huì )影響擺臂長(cháng)度而影響擺動(dòng)誤差，擁有更好的主軸剛性；數控回轉擺動(dòng)工作臺實(shí)現雙壁支撐，Y軸采用四導軌支撐和位于中心的主驅動(dòng)；A軸擺動(dòng)角度為－130°~＋130°。環(huán)形刀庫與機床床身融為一體，結構簡(jiǎn)單，節省空間。

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僅為鑄鐵的1/20，具有更好的環(huán)境適應性，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)對機床傳動(dòng)部件的影響；人造理石床身制造工藝采用常溫固化，沒(méi)有鑄鐵冷卻不均導致的內應力，是國際上精密機床優(yōu)選的床身材料。

3. 直驅技術(shù)

KMC800S系列五軸立式加工中心采用直驅技術(shù)，加工中心的旋轉軸采用力矩電機替代傳統的齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)等機械傳動(dòng)。通過(guò)力矩電機作為回轉坐標主要驅動(dòng)技術(shù)。直驅技術(shù)具有動(dòng)態(tài)響應能力好、無(wú)反向間隙、無(wú)傳動(dòng)機械磨損等顯著(zhù)優(yōu)勢。直驅技術(shù)已經(jīng)成為當前國際上精密高速機床重要的技術(shù)路線(xiàn)。U型和MT型分別配置低速力矩電機和高速力矩電機，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. 雙驅技術(shù)和重心驅動(dòng)

KMC800S系列五軸立式加工中心通過(guò)雙驅技術(shù)（KMC800標配，KMC400選配）實(shí)現搖籃式轉臺的重心驅動(dòng)，可以使機床得到更強勁、更平穩的驅動(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，將長(cháng)度反饋系統提升至激光波長(cháng)基準，自帶環(huán)境（溫度、氣壓）補償，可以控制工作臺定位精度達到0.5μm，滿(mǎn)足用戶(hù)特殊的超高精度要求。

6. 高動(dòng)態(tài)響應技術(shù)

科德在機床設計階段十分重視運動(dòng)部件動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化，重視高剛度輕量化設計和機械運動(dòng)部件的動(dòng)力匹配。在機床訂單配置和調試階段，可以根據用戶(hù)特殊需求，配置更高扭矩慣量比的高性能電機及驅動(dòng)，進(jìn)一步進(jìn)行機床每一個(gè)運動(dòng)坐標的驅動(dòng)參數的優(yōu)化，使機床的動(dòng)態(tài)性能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

三、關(guān)鍵技術(shù)應用情況

數控技術(shù)是衡量一個(gè)國家制造業(yè)現代化程度的一個(gè)核心標志，在現代制造行業(yè)中，作為先進(jìn)制造的核心設備，數控系統的功能和性能對制造業(yè)的自動(dòng)化、集成化、柔性化及智能化起著(zhù)至關(guān)重要的作用，以它為基礎平臺的相關(guān)技術(shù)水平高低已成為衡量一個(gè)國家的工業(yè)現代化水平的重要指標。

依托自主研發(fā)、擁有自主知識產(chǎn)權的全數字總線(xiàn)開(kāi)放式高檔數控系統，光洋集團長(cháng)期堅持踐行“產(chǎn)學(xué)研用”深度融合的戰略，與高校緊密合作，實(shí)現前沿創(chuàng )新?？频聰悼貙?zhuān)心致力于機床精度的提升，以完整的數控方案為用戶(hù)創(chuàng )造價(jià)值。

科德五軸數控系統支持多個(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，而且可以是不同機床上的不同加工任務(wù)，也可以是單臺機床上多主軸上的不同加工任務(wù)。

高端五軸數控系統三大基礎技術(shù)包括：

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

采用100Mbps的高速光纖介質(zhì)，將數控系統的控制指令送達每個(gè)伺服驅動(dòng)裝置，并保證嚴格同步運行；將包括機床各坐標位置、負載率、溫度等在內的物理量傳回數控系統。

2. 精準的高頻度控制調度——GRTK內核

實(shí)現每秒數千次的精確控制任務(wù)調度，使運動(dòng)控制運算、邏輯控制運算、人機交互高效有序運行，對鐘響應延遲1/100000秒，在GNC62中支持多核CPU，最大限度地充分利用高性能數控系統處理器運算資源。

3. 精密的位置，角度感知——傳感細分技術(shù)

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

升物理分辨率達16384倍，細分處理器在1／5000000秒內瞬間完成。獨特的激光干涉全閉環(huán)控制技術(shù)，將長(cháng)度反饋檢測精度提升到0.2μm，分辯率提升到1 nm，為精密機床控制提供基礎技術(shù)保證。

四、成果應用及推廣

科德數控研制的五軸機床已經(jīng)批量應用于國內的航天、航空、能源等領(lǐng)域。部分導彈、航空發(fā)動(dòng)機、大飛機、核電葉片等高精尖產(chǎn)品的制造線(xiàn)上也都有科德數控的產(chǎn)品在運行。在實(shí)現了部分替代進(jìn)口的同時(shí)，科德數控的五軸機床和關(guān)鍵功能部件產(chǎn)品也已經(jīng)小批量出口德國，開(kāi)創(chuàng )了完全自主知識產(chǎn)權的高檔數控產(chǎn)品出口西方發(fā)達國家的先河。

未來(lái)，科德數控將在新園區，利用其地下恒溫恒濕廠(chǎng)房快速實(shí)現規?；a(chǎn)，逐漸實(shí)現批量替代進(jìn)口，進(jìn)而讓中國設計制造的高檔五軸機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)口并擴大國際市場(chǎng)占有率，用中國的高端五軸機床裝備中國工業(yè)，推動(dòng)我國智能化制造產(chǎn)業(yè)實(shí)現跨越式發(fā)展。