智能制造跨入高速高精時代，工程職業教育中的五軸加工人才培養因時而進
2023-1-3 來源： 武漢華中數控股份有限公司 作者： 陳娜 張玲 張幼龍
五軸聯動是高檔數控技術的代表，它能夠加工具有復雜曲面的機械配件，特別在解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、大型柴油機曲軸等方面具有獨特的優勢。因此，高精度的五軸數控機床已經廣泛的應用在航空航天、精密醫療設備、科學研究、精密儀器等行業，有著舉足輕重的影響力，堪稱 “制造業的靈魂”。
隨著我國制造業轉型升級的加速度，工業結構不斷優化升級，中國正在經歷從高速發展向高質量發展的重要階段，對作為工業母機的機床的加工精度、效率、穩定性等精細化指標要求逐漸提升，中高端產品的需求日益增加。在此背景下，中國機床市場的產品由中低檔數控機床向中高檔數控機床、高速高精數控機床升級。五軸數控機床的市場需求正蓄勢待發，細分領域正向多行業延申。適應高、精、尖產品加工的五軸數控專業應用人才缺口接踵而至。
工程職業教育為智能制造產業輸送專業人才，市場導向即人才培養方向。
一、工業應用領域案例解析
（1）用于汽車葉輪加工的全能小五軸華中數控與中山鐵冀智能裝備有限公司合作開發的用于汽車葉輪加工的全能小五軸，應用特點主要有 :
1、經濟型小五軸
采用龍門框式架構，自主創新，把龍門的左側立柱拉伸成一面墻，把 Y 軸運動部件（絲桿、線軌）安裝于這個垂直于地面的墻面上（類似于龍門橫梁上的 X 軸布局）。這樣保證五軸聯動空間和剛性要求的同時大幅度減少整機重量和尺寸。結構的創新使成本大幅度降低，改變了傳統五軸機床因價格難以普及的市場規律。
2、高效五軸
在某汽車渦輪增壓器的葉輪測試件加工中，工件最大外徑 70，全程加工時間 7 分 48 秒，高精高效。在生產節拍和產品質量雙重提升的前提下，五軸機床大批量應用在消費品的加工中成為可能。
（2）3D 打印 + 五軸數控——五軸增減材復合制造加工中心
華中數控與國家增材制造創新中心合作研發的五軸增減材復合制造加工中心 LMDH320A 是高質量、高精度、高性能的技術型產品。機床外觀新穎且集成 3D 打印機柜。機床配置 X、Y、Z、W 四個直線軸和 A 或 B、C 兩個回轉軸，并配置直線模組及安裝板、激光器、水冷機（配激光器）、送粉器、保護氣流量計、保護氣通斷閥、熔覆頭及配電板等。應用特點有 :
1、五軸聯動、龍門式結構和搖籃式回轉工作臺，可實現復雜結構無支撐成形 ; 豎直方向搭載激光熔覆頭位置切換及保護模組，實現增減材自由切換，有效避免干涉 ; 激光熔覆頭、導軌和絲杠采用全防護形式，可有效避免污染。
2、3D 打印復合制造專用華中數控系統，設置增材成形與減材加工雙界面，增材成形界面可實現增材工藝參數的設定和工藝狀態監測。
3、接觸式在線測頭和熔池溫度、形狀監測模塊，可實現工藝過程的在線監測、閉環控制和自適應加工。
4、開發的五軸增材分層和路徑規劃模塊及五軸運動仿真軟件工具，同時配有增材成形工藝包，滿足多領域需求。
二、五軸機床廣闊的未來市場
生活水平是隨著生產工藝的提高而提高的，社會上越來越多的人愿意為高品質買單。為了提高產品質量，同時提高技術門檻防止仿冒，越來越多的廚房用品、高檔衛浴、玩具、裝飾品都采用了復雜表面設計，這些四軸都無法加工，只能使用五軸設備。再結合 3D 打印、激光制造等新的加工方式，高速高精的五軸機床正以更平民化的形式進入普通消費品的加工車間。
高端咖啡磨豆機刀盤
汽車增壓器葉片
高速吹風機的馬達葉輪
這些磨盤、葉輪的葉片之間是相互重疊的結構，在使用五軸機床加工時，需要專業的五軸編程及加工操作。高速高精的智能制造需求，給工程職業教育中的五軸加工人才培養提供了準確的方向和路徑。
三、華中數控提供的五軸加工培養方案
華中數控依托華中科技大學的技術優勢，多年來深耕五軸數控技術和應用技術研究，對標國外先進的高檔數控系統，攻克了數控系統體系結構、現場總線、高速高精、五軸聯動等一批關鍵技術并應用在工程職業教育中。
（1）五軸系統的高速高精技術
1、五軸 RTCP
五軸數據機床的RTCP功能的全稱是“Rotation Tool Center Point”，字面意思即 “旋轉刀具中心點” 功能，可以解釋為 “圍繞刀具中心點旋轉” 功能。而在五軸數控加工過程中，由于旋轉軸的存在，RTCP 功能就變得尤為重要，如果采用 RTCP 功能，那么系統就要通過計算優先保證刀具中心點的線性插補，而各個其他的軸則需要為完成這項任務配合刀具中心點做一些列的補償運動，最終同時實現刀具中心點的直線運動及刀軸矢量的改變，有效地降低了加工過程中的非線性誤差。
加工柔性則是更為直觀的優勢，因為其直接影響到工藝編程人員和機床操作人員的工作強度與難度。擁有 RTCP 技術的機床（也就是國內所說的真五軸機床），操作工不必把工件精確的和轉臺軸心線對齊，隨便裝夾，機床自動補償偏移，大大減少輔助時間，同時提高加工精度。
2、快速自動標定技術
• 機床結構、移動速度、測頭數據等參數界面式輸入
• 示教點直接讀取，操作方便
• 測量位置的記錄，更高的精度
3、高速高精高效加工技術
圍繞精度提升、質量提升、效率提升開發了一批加工技術，主要包含小線段前瞻技術、軌跡勻順、噪點過濾、智優曲面、柔性加減速、高速剛性攻絲、智能重疊、自適應進給、雙樣條同步加工、速度前饋補償。
五軸勻順示意圖
4、五軸工件測量
• 工件測量—界面式操作，多場景應用
• 不同界面 : 測量循環界面、標定界面、測量配置界面
• 三種方式 : 手動測量、插入測量、自動測量，15 種測量特征單個使用或多個組合使用，找正坐標系及修正機床加工過程中產生的誤差
• 應用范圍 : 對刀找正、調整坐標系刀補、測量尺寸
• 精度高 : 高速 IO 的快響應，沒有手動操作誤差
5、CAM 和后置處理
• 千機智能 UltraCAM: 自主可控的葉輪、葉盤專用 CAM 軟件
• 通 用 CAM 后 置 模 塊 : 提 供 UG、Catia、CAXA、PowerMill、MasterCAM 后置模塊提供通用 CAM 軟件后置處理模塊，并對多軸工藝與系統進行融合。
6、調試分析工具
通過對華中 8 型五軸數控系統進行實時數據采樣，結合系統內 RTCP 參數，實現指令數據和實際數據的三維位置可視化，數據圖表，三維色譜圖等功能。便于對系統的聯動性能進行分析與評估，有效應用于加工工藝的分析與優化。
（2）智能高速五軸教學整體解決方案
智能高速五軸教學方案主要包括配置華中智能數控系統的五軸聯動加工中心和相關教學資源。配套的華中數控數控系統通過大數據的統計分析與可視化，實現數控機床的狀態監控、生產管理、遠程運維等智能化功能。機床占地面積小、剛性強、結構對稱、動態響應速度快、穩定性好。零件一次裝夾可自動、高效地連續完成多個面的多種工序加工，包括斜面、曲面等復雜工序的加工。
同時，華中數控還提供教學方案、教學資源、工件庫、后置軟件和實操培訓等各種配套服務，通過這些配套服務能夠讓學校迅速建立起五軸數控師資隊伍和五軸教學課程體系，方便學校開展教學和實訓。
虛擬仿真考評系統
四、應用案例
華中數控聯與無錫職業技術學院本著 “共建共享共用” 的原則，對接企業崗位、實驗實訓課程、技能大賽、技能證書等人才培養需求，從裝備升級、文化浸潤、三教改革、現代管理四方面入手，突出實踐教學主體，統籌規劃布局、挖掘文化素材、構建新型教學空間、研發智能化實訓系統、搭建可視化及過程質量控制監測平臺，建成智能高速五軸創新實訓基地。
堅持 “以學生為中心”，架構場景攝像頭 +電子屏 + 藍牙耳機的現場直播示教系統，形成了多媒體教室、機房、車間三位一體的新型教學空間，攻克了實踐教學占用教室資源多、示范教學效果差的難題，推動了線下實踐教學由 “集中示教 - 分批后練” 向 “工位同步 - 隨時跟練” 的教學模式迭代更新。
自主研發的適用于實踐教學全過程信息化管理的平臺，實現教學標準、教學資源、實訓任務、考核評價、設備維護、7S 管理、資料歸檔等全過程的標準化實施和數據采集，促進教學質量的持續提升。
市場升級永不止步，對加工效率和精度的追求永不止步。面對五軸數控機床廣闊的未來市場空間，工程職業教育中的五軸加工人才培養更應該與時俱進，探索核心技術與教學的深度融合，以服務市場、支撐制造業轉型升級為目的，為大國智造輸入高素質復合型技能人才。
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