BPX5D五軸數(shù)控工具磨床的研發(fā)與應(yīng)用
2020-11-30 來源：臺(tái)州北平機(jī)床有限公司 作者：-
一、概述
機(jī)床裝備是國家制造業(yè)的基礎(chǔ)，高端數(shù)控機(jī)床裝備的技術(shù)創(chuàng)新從未停步。高精度數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、精密醫(yī)療器械、3C、汽車、模具等重點(diǎn)工業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)，高精度機(jī)床作為工業(yè)生產(chǎn)母機(jī)，堪稱“制造業(yè)的靈魂”。多年來，歐美發(fā)達(dá)國家對我國實(shí)行持續(xù)的技術(shù)封鎖，突破封鎖、實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)自主可控是亟待解決的重點(diǎn)難題，也是中華民族崛起和復(fù)興的重要保障。
“工欲善其事，必先利其器”，隨著新技術(shù)、新材料的不斷出現(xiàn)，對產(chǎn)品應(yīng)用過程中的加工精度和表面粗糙度提出了更高的要求，人們對現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的外表及內(nèi)在精度要求的不斷提高是促使現(xiàn)代機(jī)床向著高精高速化發(fā)展的內(nèi)在源動(dòng)力，優(yōu)良的產(chǎn)品不僅是企業(yè)增強(qiáng)核心競爭力、提高產(chǎn)品附加值的重要保證，也是時(shí)代發(fā)展的大勢。
高精度刀具是高品質(zhì)產(chǎn)品制造的根本保障，也是工具磨床制造業(yè)發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力。高精度數(shù)控五軸工具磨床是數(shù)控磨床的優(yōu)秀代表，在解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、大型柴油機(jī)曲軸等復(fù)雜曲面的機(jī)械零部件加工方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。
當(dāng)前國產(chǎn)五軸數(shù)控磨床境況堪憂，低端同質(zhì)化競爭，中端價(jià)格混戰(zhàn)，高端領(lǐng)域失守。高精度五軸數(shù)控工具磨床是刀具生產(chǎn)過程中的核心設(shè)備，國內(nèi)高端應(yīng)用市場中，高精度刀具有6成以上來自進(jìn)口，五軸數(shù)控工具磨床的進(jìn)口占比更是高達(dá)8成以上，因此，整合國內(nèi)優(yōu)秀刀具及核心零部件生產(chǎn)企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，對于突破高端五軸數(shù)控工具磨床核心技術(shù)的境外封鎖，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)備及刀具產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)自主可控和進(jìn)口替代具有重要意義，集中產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢資源進(jìn)行卡脖子技術(shù)的專項(xiàng)突破勢在必行，是補(bǔ)全高端磨床產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)高端制造核心技術(shù)自主可控中不可忽視的重要一環(huán)。
大國制造的口碑是通過無數(shù)產(chǎn)品品質(zhì)的提升逐步實(shí)現(xiàn)的，在崛起過程中，國內(nèi)市場對于五軸數(shù)控工具磨床的加工精度以及加工效率提出了更高的技術(shù)要求：生產(chǎn)刀具的尺寸及形位公差要小于0.005mm；國外高端數(shù)控工具磨床如：瑞士ROLLOMATIC、德國WALTER、澳大利亞ANCA、德國 SCAACA、VOLLME等，有著極高的加工精度和生產(chǎn)效率，在運(yùn)行穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)尤為出色，贏得全球高精密工具生產(chǎn)企業(yè)的青睞，這些數(shù)據(jù)表現(xiàn)源自其背后眾多核心技術(shù)的支撐。國產(chǎn)高端磨床和高精密刀具要想實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代還有很多核心技術(shù)需要攻克，協(xié)同創(chuàng)新依然任重道遠(yuǎn)。
目前國內(nèi)高端數(shù)控磨床的研發(fā)和生產(chǎn)單位主要包括臺(tái)州北平機(jī)床有限公司、武漢機(jī)床、大連科德等，國內(nèi)進(jìn)口產(chǎn)品主要包括瑞士ROLLOMATIC、德國WALTER、澳大利亞ANCA、德國SAACKE、VOLLME、美國STAR等。其主要技術(shù)參數(shù)對比如下表：
國內(nèi)外工具磨床技術(shù)參數(shù)對比表
數(shù)控工具磨床的技術(shù)關(guān)鍵在于：機(jī)床的精度、機(jī)床運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，加工效率及五軸聯(lián)動(dòng)伺服控制技術(shù)、與機(jī)械部分高度適配的磨削軟件。北平機(jī)床自2008年來，一直致力于五軸聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)與自主磨削軟件的研發(fā)，與美國同行和數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商開展深度合作創(chuàng)新，五軸聯(lián)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)的自主化程度大步推進(jìn)，已逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。通過多年不斷的創(chuàng)新研發(fā)，北平機(jī)床擁有自主軟件著作權(quán)的磨削軟件5款，全面涵蓋工具磨削、外圓磨削、絲錐生產(chǎn)，北平機(jī)床的五軸數(shù)控工具磨床、數(shù)控外圓磨床、數(shù)控絲錐生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、汽車、3C以及精密刀具/零件生產(chǎn)企業(yè)。
BPX5D五軸數(shù)控工具磨床是北平技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)為滿足用戶高效加工高精密刀具的需求，借力歐洲技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)在已開發(fā)的五軸數(shù)控工具磨床BPX5的基礎(chǔ)上持續(xù)進(jìn)行多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，自主研發(fā)生產(chǎn)的成果。BPX5D應(yīng)用了多項(xiàng)發(fā)明專利，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進(jìn)水平，該項(xiàng)目的研制成功，不僅提升了我國此類數(shù)控高端裝備的水平，也打破了國外在高端數(shù)控工具磨床領(lǐng)域的壟斷和封鎖，為企業(yè)開拓了新的產(chǎn)品市場，同時(shí)取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
二、產(chǎn)品性能介紹
BPX5D數(shù)控工具磨床具有高精度、高剛性、五軸聯(lián)動(dòng)、高效率等特點(diǎn)，機(jī)床配置直線/直驅(qū)電機(jī)，覆蓋直線軸伺服控制技術(shù)、精密測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、復(fù)雜刀具設(shè)計(jì)技術(shù)等多維度學(xué)科，是多種核心支撐技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是一款典型的高檔數(shù)控工具磨床：
圖1 BPX5D高精度五軸數(shù)控工具磨床
BPX5D高精度五軸數(shù)控工具磨床，八軸五聯(lián)動(dòng)配置：擁有5個(gè)伺服主軸及3個(gè)直角坐標(biāo)系機(jī)械手伺服軸，所有直線軸均采用直線電機(jī)配置高精度直線光柵，所有旋轉(zhuǎn)軸均采用直驅(qū)電機(jī)配置高精度圓光柵，工件軸采用精密級(jí)彈性筒夾，搭配高精度輔助支撐裝置有效地保證刀具的加工精度。高可靠性的直角機(jī)械手機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大批量無人化生產(chǎn)，高精度配置及人性化操作軟件為終端用戶制造高性能和高附加值的專業(yè)性刀具、修磨高質(zhì)量刀具提供更加專業(yè)化、智能化的磨削解決方案。BPX5D高精度五軸數(shù)控工具磨床在應(yīng)用中表現(xiàn)出色，其加工精度、加工效率等均達(dá)到了國際先進(jìn)水平，主要技術(shù)參數(shù)如下：
加工工件長度：200mm；
工件直徑范圍：1~16/25mm；
工件炳部直徑范圍：3~25mm；
X軸（工件水平移動(dòng)）：440 mm；
Z軸（工件垂直）：280mm；
Y軸（磨軸前后行程）：280mm；
B軸（工件擺動(dòng)）：-15°~165°；
C軸 (工件旋轉(zhuǎn))：任意；
直線軸最大運(yùn)行速度：20m/min；
直線軸分辨率：0.0001mm；
直線軸重復(fù)定位精度：0.00046mm；
直線軸定位精度：0.0016mm；
旋轉(zhuǎn)軸分辨率：0.0001°；
旋轉(zhuǎn)軸定位精度：5”；
砂輪主軸功率：12.5/20/37kW；
主軸轉(zhuǎn)速：10000 r/min（MAX）；
砂輪最大直徑：150mm；
自動(dòng)裝卸料：三軸機(jī)械手。
三、新技術(shù)應(yīng)用情況
高端五軸工具磨床應(yīng)具備以下幾大特點(diǎn)：高精度、高剛性，極佳的可操作性、出色的機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定性和加工可靠性，實(shí)現(xiàn)柔性化、無人化生產(chǎn)。
BPX5D高精度五軸工具磨床，配套BP/SYNTEC智能刀具數(shù)控系統(tǒng)，交流伺服單元驅(qū)動(dòng)，具有多軸控制功能，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，以提高機(jī)床加工精度為目標(biāo)，研究五軸工具磨床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，工件輔助支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、砂輪自動(dòng)動(dòng)平衡技術(shù)、自動(dòng)上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)等；對五軸磨床數(shù)控系統(tǒng)和關(guān)鍵功能部件進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，研究五軸磨床數(shù)控系統(tǒng)的可移植性和關(guān)鍵功能部件的可靠性。
BPX5D是北平整合德國、美國技術(shù)團(tuán)隊(duì)后全新開發(fā)的擁有較高水準(zhǔn)的數(shù)控工具磨床，通過新結(jié)構(gòu)機(jī)制和各種吸振，抗溫升處理，有效提升磨削效率和工件的加工精度。其技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：
（1）直線軸采用平板式直線電機(jī)配置直線光柵，旋轉(zhuǎn)軸采用DD直驅(qū)馬達(dá)配置旋轉(zhuǎn)光柵，形成全閉環(huán)模式，提供更優(yōu)秀的快速響應(yīng)和精確定位，確保高精度穩(wěn)定加工。DD直驅(qū)馬達(dá)之轉(zhuǎn)速可根據(jù)工件磨削條件在0~1000r/min之間任意調(diào)整。
（2）精準(zhǔn)的定位和夾持是高精度加工的基本保障，機(jī)床采用高精密高剛性可調(diào)夾持系統(tǒng)和精密筒夾，夾持更為安全、精準(zhǔn)。同時(shí)在不影響高精度磨削及砂輪干涉的位置，裝夾工件前端配置雙托架，靠近筒夾處托架為一托一壓，用于調(diào)整裝夾精度，保證工件形位公差，遠(yuǎn)離筒夾處托架為下托式，用于提高工件磨削剛性，保證工件的尺寸公差。兩托架的使用可極大提高磨削效率，同時(shí)保證工件的加工粗糙度和精度。
（3）采用計(jì)量級(jí)天然花崗石床身，機(jī)床吸振、抗熱變形等性能更出色，定位高端磨床，形成了具有北平機(jī)床特色的技術(shù)創(chuàng)新體系，進(jìn)一步提高機(jī)床剛性及穩(wěn)定性。
（4）機(jī)床裝有北平刀具磨削軟件。軟件內(nèi)嵌具有各種類型標(biāo)準(zhǔn)刀具的形狀、尺寸，用戶只需輸入刀具的相關(guān)參數(shù)，軟件自動(dòng)生成刀具的加工程序并進(jìn)行刀具的模擬加工，一次裝夾完成全部工序，保證刀具加工的柔性化、高效率。機(jī)床配備3D工件自動(dòng)探測系統(tǒng)，用于自動(dòng)定位探測工件，獲取工件加工的各項(xiàng)必需參數(shù)。
圖2 北平自研刀具磨削軟件
（5）總線式控制系統(tǒng)，絕對值伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各軸上無須硬件上的限位開關(guān)，極大地減少了機(jī)床開機(jī)的回零時(shí)間和電器方面的隱性故障。雙通道數(shù)控系統(tǒng)控制工件自動(dòng)上下料裝置，內(nèi)置三軸機(jī)械手，安全有效的防撞系統(tǒng)，簡易編程及靈活的操作，可輕松實(shí)現(xiàn)小批量、無人化生產(chǎn)。機(jī)械手采用一上一卸的雙夾爪設(shè)計(jì)，運(yùn)送料時(shí)間與加工時(shí)間重合，卸料到第二只工件加工間隔小于6s。有效提升工作效率，探索更加科學(xué)合理的上下料模式，為用戶創(chuàng)造時(shí)間和效益價(jià)值。
（6）智能化是時(shí)代的大勢所趨，BPX5D采用總線式控制系統(tǒng)，可根據(jù)智能工廠及云技術(shù)應(yīng)用需求，基于WINDOWS操作平臺(tái)任意搭配3D模擬磨削軟件、也可采用美國開源數(shù)字控制器擴(kuò)展嵌入式工業(yè)觸摸屏，具有更佳的智能操作體驗(yàn)及友好的操作界面。
圖3 北平刀具磨削軟件3D模擬
（7）云端控制技術(shù)，可進(jìn)行生產(chǎn)線聯(lián)機(jī)、實(shí)現(xiàn)磨削加工、自動(dòng)檢測、激光打標(biāo)等工序集成的自動(dòng)化生產(chǎn)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)、檢測、管理等工作。順應(yīng)兩化融合的新時(shí)代趨勢，讓工廠的管理更加智能，更加便捷。
圖4 北平智慧云工廠
圖5 北平無人值守刀具車間
（8）THK高精密級(jí)滾柱直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿支撐軸承、連軸器均采用高精密級(jí)產(chǎn)品，可有效保證滾珠絲桿的響應(yīng)速率及加工精度。
（9）專用的彈性砂輪法蘭，與磨軸內(nèi)孔彈性連接及端面同時(shí)定位，保證砂輪的磨削剛性及精度。高精度電主軸配備適應(yīng)創(chuàng)新工藝的德國氣簾密封技術(shù)、配置高精度主軸，前三后二的軸承配置，保證主軸的高剛性和精度穩(wěn)定性的同時(shí)，提高了工作效率，工件表面粗糙度達(dá)到Ra0.1um。
四、成果應(yīng)用及推廣情況
臺(tái)州北平機(jī)床有限公司專注五軸數(shù)控工具磨床、數(shù)控內(nèi)外圓磨削中心、立式磨床、機(jī)器人、口罩生產(chǎn)線等高端智能裝備的研發(fā)與制造，是國家高新技術(shù)企業(yè)、浙江省疫情防控重點(diǎn)保障物資生產(chǎn)企業(yè)。參與國家科技重大專項(xiàng)-04專項(xiàng)“精密刀具五軸磨削柔性制造單元的研制與示范應(yīng)用”課題研究任務(wù)，自主研發(fā)磨床產(chǎn)品服務(wù)國防軍工、航空航天、3C精密刀具等領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)高端磨削裝備核心技術(shù)自主可控、進(jìn)口替代的專業(yè)數(shù)控磨床企業(yè)。
BPX5D高精度五軸數(shù)控工具磨床的研制成功，增強(qiáng)了本公司的機(jī)床制造能力和市場競爭力，縮小了與國際先進(jìn)水平的差距。高效率生產(chǎn)高精度刀具的數(shù)控五軸磨床，是國內(nèi)磨床生產(chǎn)廠家提高市場競爭力的關(guān)鍵。04專項(xiàng)課題機(jī)床即將驗(yàn)收結(jié)題。目前，已有1000多臺(tái)北平機(jī)床高精度五軸數(shù)控工具磨床服務(wù)于株洲鉆石、山特維克、住友電工、恒鋒刀具、常州創(chuàng)偉等行業(yè)知名企業(yè)，加工精度和效率獲得用戶企業(yè)的廣泛好評(píng)。
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