国产华中数控系统在不同构型五轴机床上的应用验证

王华侨，王宇飞，赵华军，刘东青，张守明，高嵩，郑武，王浩志

1. 华中科技大学 湖北武汉 430074

2. 厦门大学 福建厦门 361005

3. 湖北三江航天红阳机电有限公司 湖北孝感 432000

4. 武汉华中数控股份有限公司 湖北武汉 430074

1 序言

华中数控系统HNC848是全数字总线式高档数控装置，采用模块化、开放式体系结构，基于具有自主知识产权的NCUC工业现场总线技术，具备多轴、多通道及同步轴同步等功能。华中数控系统HNC848配套不同构型五轴机床的操作界面如图1所示，其界面设计友好、操作方便。HNC848在车铣复合加工中心、高速精密卧式加工中心、龙门五轴加工中心等高档数控机床上均适用，在航空、航天、能源等大型企业中批量应用，取得了良好的效果，加工效果达到国外知名数控系统水平，加工效率大大提高，实现了国产数控系统在航天领域的重大突破，打破了国外知名品牌数控系统的长期垄断局面。

图1 华中数控系统HNC848操作界面

2 NAS件及S件简介

NAS件是通过加工圆锥台试件产生的面粗糙度、圆度、角度及尺寸精度等指标，来检验机床的动态精度，是目前国内外数控机床动态精度验收的常用方法。标准要求圆度0.1mm，同轴度0.1mm，角度公差30°±0.035°。

S件的主体是一个呈“S”形走向的扭曲曲面形成的等厚度缘条，曲面形状复杂。使用立铣刀侧刃加工时，刀具轴向必须连续变换，同时机床必须能完美执行五轴联动的坐标连续换向。加工中，机床进行五轴联动的坐标连续换向，能集中反应机床的几何精度、定位精度、动态特性以及反向误差等特性。切削完成后的S件对缘条型面尺寸精度要求较高，为±0.05mm，缘条厚度公差为±0.1mm，缘条表面粗糙度值Ra=3.2μm，总体技术难度较高。

3 大型六轴双模式五坐标联动加工中心应用验证

3.1 总体结构

大型六轴双模式五坐标联动加工中心（见图2）采用高架式龙门结构，固定式工作台中间镶嵌旋转工作台，横梁沿左、右床身导轨水平纵向移动（X轴）；横梁上配置有溜板，铣头滑枕既可随铣头溜板沿横梁导轨水平横向移动（Y轴），也可沿溜板导轨垂直升降（Z轴）。双摆角数控万能铣头的主轴随铣头摆动体在垂直面内绕X轴摆动（A轴），随铣头叉形体在水平面内绕Z轴回转（C轴）；配备φ2000mm数控分度转台（B轴），配备链式刀库。数控系统采用华中五轴数控系统HNC848，可实现五轴联动。

图2 大型六轴双模式五坐标联动加工中心

该铣头主体方案采用A/C双摆角铣头（见图3）与滑枕一体化结构，C轴传动部分安装在滑枕内部，主运动由电主轴单元实现。铣头的A、C轴驱动采用德国IDAM力矩电动机直接驱动技术，并且可通过液压夹紧装置将A、C轴锁定在任意位置上；另外还采用HEIDENHAIN高精度角度编码器，实现全闭环位置反馈。铣头的A轴摆动体内安装大功率高速电主轴，主轴功率52kW，最高转速18000r/min。

图3 A/C双摆角铣头

3.2 五坐标编程后处理

大型六轴双模式五坐标联动龙门玻璃钢加工中心机床结构：X轴横梁沿固定立柱床身导轨纵向运动，Y轴滑铣头溜板沿横梁导轨往复运动，Z轴滑枕式铣头沿溜板导轨垂直运动，主轴头为A/C双摆角数控万能铣头。底座固定在地基上，回转工作台B轴（先期设置为B轴，后由于与攻螺纹功能冲突，将B轴改为U轴）位于底座工作台中部，六轴双模式五坐标机床运动轴如图4所示。通过UG自带的后置处理构造器，配置此机床的后置处理，其中限制了C轴行程为－360°～360°，A轴行程为－110°～110°。若A、C轴超程，后置处理程序将自动退刀并重新进行刀具路径处理，输出接续程序实现安全加工。

图4 六轴双模式五坐标机床运动轴

3.3 综合加工测试

（1）国家标准三坐标立式与卧式综合测试 针对五坐标机床需同时加工立式和卧式两种状态的情况，需按照标准的三轴方圆试件进行加工；另外增加了2处3°斜角检测斜面的精度、4处圆孔检测孔的位置度，圆孔中增加台阶孔，检测两孔的同轴度。经加工及检测，精度全部合格，实物如图5所示。

图5 国家标准方圆试件测试实物

（2）NAS及S件加工测试 采用国产华中数控系统HNC848控制六轴双模式五坐标联动加工中心进行应用测试。各伺服驱动电动机采用配套国产电动机，采用RTCP五轴刀心编程控制，基于UG NX模式进行双模式五坐标联动后处理开发，双模式五轴联动自行切换，最终完成了NAS和S件测试（见图6、图7），经过检测全部合格。

图6 NAS件测试

图7 S件测试

4 大型七轴五联动立式车铣复合加工中心应用验证

4.1 总体结构

图8为大型七轴五联动立式车铣复合加工中心，车削主轴箱沿横梁水平移动（X1轴），铣削主轴箱沿横梁水平移动（X2轴）；工作台沿床身前后移动（Y轴），摆动头固定于铣削主轴下方，绕Y轴旋转（B轴）；车削滑枕在主轴箱内上下移动（Z1轴），铣削滑枕在主轴箱内上下移动（Z2轴）；回转工作台（C轴）在车削工作时提供主切削力，在铣削工作时可实现数控旋转分度；横梁沿龙门立柱上下运动（W轴）。采用华中数控HNC848全数字数控系统，能实现X、Y、Z、B、C五轴联动的数控控制和插补运算功能，能够保证在整个加工区域内进行车削、镗削、钻削及铣削加工。

图8 大型七轴五联动立式车铣复合加工中心

4.2 综合加工测试

（1）国家标准三轴铣削方圆试件加工测试 针对机床特点，对机械部分及数控系统进行优化，并优化加工基准、数控程序，进行国家标准方圆试件三轴铣削加工测试（见图9），切削成品经过检测，尺寸全部合格。

图9 国家标准方圆试件三轴铣削加工测试

（2）NAS件加工测试 针对NAS件标准要求，进行五轴侧铣综合测试。对数控系统插补周期、加工刀具、数控程序、进给量和主轴转速进行最优化摸索，加工NAS件（见图10）。经检测，加工精度满足标准要求，但是从摸索的情况来看，机床在不同进给速率和不同转速下加工出的产品，其外表面粗糙度存在差异，动态自适应调整功能还需要提高。

图10 NAS件加工测试

（3）S件加工测试 S件加工测试如图11所示，加工精度满足使用要求，但是在平面处出现了小的凹痕。经深入分析，原因是机床在闭环状态下增益调不上，需要通过改善机械摩擦力进行优化。

图11 S件加工测试

采用国产华中数控系统HNC848，各伺服驱动电动机全部采用配套国产电动机，X、Y、Z三个线性轴进给速度分别达到15m/min、12m/min、8m/min，复合摆头5r/min，实现回转工作台5r/min铣削和150r/min的车削控制。采用RTCP五轴刀心编程控制，完成了基于UG NX模式的五坐标联动铣削+立式端面车削+卧式外圆车削的车铣复合自行切换，实现了国产机床的安全自主可控。

采用力矩电动机直接驱动A/C主轴摆头，配备HSK A63主轴刀柄，通过20kW的主轴电动机及37N·m的恒扭矩进行切削，既可以实现铝合金、复合材料的高速精密切削，也可以实现不锈钢、钛合金、高温合金等难加工材料的精密切削。

5 大型主轴复合摆动式铣车复合加工中心应用验证

5.1 总体结构

大型主轴复合摆动式铣车复合加工中心（见图12）配备国产华中数控系统HNC848，采用高精密光栅尺、圆钢栅尺，全闭环位置反馈控制。机床床身、立柱、横梁、滑座、旋转工作台和主轴箱等主要基础件及关键结构件均采用铸造结构，确保机床具有高的刚度和良好的精度稳定性。X、Y、Z直线轴均采用高精度直线导轨支承，移动由伺服电动机带动高精度滚珠丝杆来实现，对直线导轨和滚珠丝杠采用双层防护，以防止加工粉尘的污染。铣车复合旋转工作台支承采用交叉滚子轴承，驱动采用双电动机带动变速齿轮箱驱动工作台旋转，工作台在车削工作时提供主切削力，在铣削工作时可实现数控旋转分度。主轴系统采用B轴摆动头，使主轴实现立、卧转换（见图13）。安装车刀和旋转刀具的主轴具有车、铣复合功能，可实现车、铣加工；主轴配备HSK A100高速铣削刀柄及CAPTO车削刀柄；设备主轴转速可达到10000r/min；机床左侧配备40把链式自动换刀装置，换刀时间＜5s。

图12 大型主轴复合摆动式铣车复合加工中心

图13 主轴立卧转换

5.2 综合加工测试

针对该非正交坐标系统的特种结构形式五坐标机床，通过主轴立式和卧式两种方式同时进行标准三轴方圆试件加工（见图14），该方式可以通过检测结果有效推测出摆动头的动态摆动精度，两种状态下的检测结果均合格。然后进行NAS件及S件加工测试，试切的NAS件及S件（见图15、图16）均满足精度指标要求。

图14 方圆试件立式及卧式加工

图15 NAS件试切

图16 S件试切

大型主轴复合摆动式铣车复合加工中心采用国产华中数控系统HNC848，各伺服驱动电机全部采用配套国产电动机，X、Y、Z三个线性轴进给速度分别达到15m/min、12m/min、10m/min，复合摆头5r/min，实现回转工作台5r/min铣削和200r/min的车削控制。采用RTCP五轴刀心编程控制，完成了基于UG NX模式的五坐标联动铣削+立式端面车削+卧式外圆车削的车铣复合自行切换，实现了国产机床的安全自主可控。采用力矩电动机直接驱动A/C主轴摆头，配备HSK A100主轴刀柄，通过20kW的主轴电动机及201N·m的恒扭矩进行切削，既可以实现铝合金、复合材料的高速精密切削，也可以实现不锈钢、钛合金、高温合金等难加工材料的强力切削。所加工的NAS件和S件均检测合格，满足航空航天产品五轴联动加工需求。

6 桥式龙门摇篮式五轴加工中心应用验证

图17所示的摇篮式五轴加工中心采用双立柱小龙门框架式结构，配备国产华中数控系统HNC848。机床X、Y、Z三轴行程分别≥1600mm、800mm、800mm；C轴－360°～360°连续；A轴－15°～110°连续；主轴最高转速≥12000r/min；定位精度≤0.008mm；重复定位精度≤0.005mm；回转轴定位精度10＂，重复定位精度7＂；倾斜轴定位精度12＂，重复定位精度8＂；快移速度≥24m/min。其加工的NAS件及S件（见图18）经检测全部合格，满足航空航天五轴小型零部件精密高效加工的需求。

图17 摇篮式五轴加工中心

图18 摇篮式五轴加工中心NAS件及S件加工测试

7 结束语

本文采用国产华中数控系统在A/C摆头五轴机床、单摆头五轴机床、复合摆头五轴机床、摇篮转台五轴机床四类典型五坐标高档机床上，分别加工测试国家标准方圆试件、NAS件及S件，均达到合格要求。结果表明，国产华中数控系统符合五轴机床的综合性能测试指标的要求，可以满足各行业五轴高档机床的数控系统需求。对标国外部分进口高档数控系统的先进功能，国产数控系统在高速高精插补控制、动态监测与碰撞控制、智能化加工控制、多轴联动高速高精插补控制、数控程序手动操作控制、基于特征的循环编程、多坐标联动刚性攻螺纹以及系统操作界面等方面，均可以达到国外高档数控系统同等水平。