BPX5D五軸數控工具磨床的研發與應用
2020-11-30 來源：臺州北平機床有限公司 作者：-
一、概述
機床裝備是國家制造業的基礎，高端數控機床裝備的技術創新從未停步。高精度數控機床廣泛應用于國防軍工、航空航天、精密醫療器械、3C、汽車、模具等重點工業和新興產業，高精度機床作為工業生產母機，堪稱“制造業的靈魂”。多年來，歐美發達國家對我國實行持續的技術封鎖，突破封鎖、實現核心技術自主可控是亟待解決的重點難題，也是中華民族崛起和復興的重要保障。
“工欲善其事，必先利其器”，隨著新技術、新材料的不斷出現，對產品應用過程中的加工精度和表面粗糙度提出了更高的要求，人們對現代工業產品的外表及內在精度要求的不斷提高是促使現代機床向著高精高速化發展的內在源動力，優良的產品不僅是企業增強核心競爭力、提高產品附加值的重要保證，也是時代發展的大勢。
高精度刀具是高品質產品制造的根本保障，也是工具磨床制造業發展的內在動力。高精度數控五軸工具磨床是數控磨床的優秀代表，在解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、大型柴油機曲軸等復雜曲面的機械零部件加工方面具有獨特優勢。
當前國產五軸數控磨床境況堪憂，低端同質化競爭，中端價格混戰，高端領域失守。高精度五軸數控工具磨床是刀具生產過程中的核心設備，國內高端應用市場中，高精度刀具有6成以上來自進口，五軸數控工具磨床的進口占比更是高達8成以上，因此，整合國內優秀刀具及核心零部件生產企業協同創新，對于突破高端五軸數控工具磨床核心技術的境外封鎖，進一步實現設備及刀具產業的核心技術自主可控和進口替代具有重要意義，集中產業優勢資源進行卡脖子技術的專項突破勢在必行，是補全高端磨床產業鏈，實現高端制造核心技術自主可控中不可忽視的重要一環。
大國制造的口碑是通過無數產品品質的提升逐步實現的，在崛起過程中，國內市場對于五軸數控工具磨床的加工精度以及加工效率提出了更高的技術要求：生產刀具的尺寸及形位公差要小于0.005mm；國外高端數控工具磨床如：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效率，在運行穩定性方面的表現尤為出色，贏得全球高精密工具生產企業的青睞，這些數據表現源自其背后眾多核心技術的支撐。國產高端磨床和高精密刀具要想實現進口替代還有很多核心技術需要攻克，協同創新依然任重道遠。
目前國內高端數控磨床的研發和生產單位主要包括臺州北平機床有限公司、武漢機床、大連科德等，國內進口產品主要包括瑞士ROLLOMATIC、德國WALTER、澳大利亞ANCA、德國SAACKE、VOLLME、美國STAR等。其主要技術參數對比如下表：
國內外工具磨床技術參數對比表
數控工具磨床的技術關鍵在于：機床的精度、機床運行的可靠性與穩定性，加工效率及五軸聯動伺服控制技術、與機械部分高度適配的磨削軟件。北平機床自2008年來，一直致力于五軸聯動控制技術與自主磨削軟件的研發，與美國同行和數控系統供應商開展深度合作創新，五軸聯動伺服控制系統的自主化程度大步推進，已逐步實現進口替代。通過多年不斷的創新研發，北平機床擁有自主軟件著作權的磨削軟件5款，全面涵蓋工具磨削、外圓磨削、絲錐生產，北平機床的五軸數控工具磨床、數控外圓磨床、數控絲錐生產線、工業機器人廣泛應用于國防軍工、航空航天、汽車、3C以及精密刀具/零件生產企業。
BPX5D五軸數控工具磨床是北平技術攻關團隊為滿足用戶高效加工高精密刀具的需求，借力歐洲技術支持團隊在已開發的五軸數控工具磨床BPX5的基礎上持續進行多項技術創新，自主研發生產的成果。BPX5D應用了多項發明專利，其主要技術指標達到國內領先，國際先進水平，該項目的研制成功，不僅提升了我國此類數控高端裝備的水平，也打破了國外在高端數控工具磨床領域的壟斷和封鎖，為企業開拓了新的產品市場，同時取得了良好的經濟和社會效益。
二、產品性能介紹
BPX5D數控工具磨床具有高精度、高剛性、五軸聯動、高效率等特點，機床配置直線/直驅電機，覆蓋直線軸伺服控制技術、精密測量技術、計算機軟件技術、復雜刀具設計技術等多維度學科，是多種核心支撐技術的有機結合，是一款典型的高檔數控工具磨床：
圖1 BPX5D高精度五軸數控工具磨床
BPX5D高精度五軸數控工具磨床，八軸五聯動配置：擁有5個伺服主軸及3個直角坐標系機械手伺服軸，所有直線軸均采用直線電機配置高精度直線光柵，所有旋轉軸均采用直驅電機配置高精度圓光柵，工件軸采用精密級彈性筒夾，搭配高精度輔助支撐裝置有效地保證刀具的加工精度。高可靠性的直角機械手機構可實現大批量無人化生產，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性刀具、修磨高質量刀具提供更加專業化、智能化的磨削解決方案。BPX5D高精度五軸數控工具磨床在應用中表現出色，其加工精度、加工效率等均達到了國際先進水平，主要技術參數如下：
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）：440 mm；
Z軸（工件垂直）：280mm；
Y軸（磨軸前后行程）：280mm；
B軸（工件擺動）：-15°~165°；
C軸 (工件旋轉)：任意；
直線軸最大運行速度：20m/min；
直線軸分辨率：0.0001mm；
直線軸重復定位精度：0.00046mm；
直線軸定位精度：0.0016mm；
旋轉軸分辨率：0.0001°；
旋轉軸定位精度：5”；
砂輪主軸功率：12.5/20/37kW；
主軸轉速：10000 r/min（MAX）；
砂輪最大直徑：150mm；
自動裝卸料：三軸機械手。
三、新技術應用情況
高端五軸工具磨床應具備以下幾大特點：高精度、高剛性，極佳的可操作性、出色的機床運行穩定性和加工可靠性，實現柔性化、無人化生產。
BPX5D高精度五軸工具磨床，配套BP/SYNTEC智能刀具數控系統，交流伺服單元驅動，具有多軸控制功能，實現五軸聯動，以提高機床加工精度為目標，研究五軸工具磨床的總體結構設計技術，工件輔助支撐結構設計技術、砂輪自動動平衡技術、自動上下料系統設計技術等；對五軸磨床數控系統和關鍵功能部件進行應用驗證，研究五軸磨床數控系統的可移植性和關鍵功能部件的可靠性。
BPX5D是北平整合德國、美國技術團隊后全新開發的擁有較高水準的數控工具磨床，通過新結構機制和各種吸振，抗溫升處理，有效提升磨削效率和工件的加工精度。其技術創新點如下：
（1）直線軸采用平板式直線電機配置直線光柵，旋轉軸采用DD直驅馬達配置旋轉光柵，形成全閉環模式，提供更優秀的快速響應和精確定位，確保高精度穩定加工。DD直驅馬達之轉速可根據工件磨削條件在0~1000r/min之間任意調整。
（2）精準的定位和夾持是高精度加工的基本保障，機床采用高精密高剛性可調夾持系統和精密筒夾，夾持更為安全、精準。同時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，用于調整裝夾精度，保證工件形位公差，遠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，同時保證工件的加工粗糙度和精度。
（3）采用計量級天然花崗石床身，機床吸振、抗熱變形等性能更出色，定位高端磨床，形成了具有北平機床特色的技術創新體系，進一步提高機床剛性及穩定性。
（4）機床裝有北平刀具磨削軟件。軟件內嵌具有各種類型標準刀具的形狀、尺寸，用戶只需輸入刀具的相關參數，軟件自動生成刀具的加工程序并進行刀具的模擬加工，一次裝夾完成全部工序，保證刀具加工的柔性化、高效率。機床配備3D工件自動探測系統，用于自動定位探測工件，獲取工件加工的各項必需參數。
圖2 北平自研刀具磨削軟件
（5）總線式控制系統，絕對值伺服電機驅動，各軸上無須硬件上的限位開關，極大地減少了機床開機的回零時間和電器方面的隱性故障。雙通道數控系統控制工件自動上下料裝置，內置三軸機械手，安全有效的防撞系統，簡易編程及靈活的操作，可輕松實現小批量、無人化生產。機械手采用一上一卸的雙夾爪設計，運送料時間與加工時間重合，卸料到第二只工件加工間隔小于6s。有效提升工作效率，探索更加科學合理的上下料模式，為用戶創造時間和效益價值。
（6）智能化是時代的大勢所趨，BPX5D采用總線式控制系統，可根據智能工廠及云技術應用需求，基于WINDOWS操作平臺任意搭配3D模擬磨削軟件、也可采用美國開源數字控制器擴展嵌入式工業觸摸屏，具有更佳的智能操作體驗及友好的操作界面。
圖3 北平刀具磨削軟件3D模擬
（7）云端控制技術，可進行生產線聯機、實現磨削加工、自動檢測、激光打標等工序集成的自動化生產，可進行實時數據采集，遠程診斷、維護、檢測、管理等工作。順應兩化融合的新時代趨勢，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高精密級滾柱直線導軌、滾珠絲桿支撐軸承、連軸器均采用高精密級產品，可有效保證滾珠絲桿的響應速率及加工精度。
（9）專用的彈性砂輪法蘭，與磨軸內孔彈性連接及端面同時定位，保證砂輪的磨削剛性及精度。高精度電主軸配備適應創新工藝的德國氣簾密封技術、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定性的同時，提高了工作效率，工件表面粗糙度達到Ra0.1um。
四、成果應用及推廣情況
臺州北平機床有限公司專注五軸數控工具磨床、數控內外圓磨削中心、立式磨床、機器人、口罩生產線等高端智能裝備的研發與制造，是國家高新技術企業、浙江省疫情防控重點保障物資生產企業。參與國家科技重大專項-04專項“精密刀具五軸磨削柔性制造單元的研制與示范應用”課題研究任務，自主研發磨床產品服務國防軍工、航空航天、3C精密刀具等領域，是實現國產高端磨削裝備核心技術自主可控、進口替代的專業數控磨床企業。
BPX5D高精度五軸數控工具磨床的研制成功，增強了本公司的機床制造能力和市場競爭力，縮小了與國際先進水平的差距。高效率生產高精度刀具的數控五軸磨床，是國內磨床生產廠家提高市場競爭力的關鍵。04專項課題機床即將驗收結題。目前，已有1000多臺北平機床高精度五軸數控工具磨床服務于株洲鉆石、山特維克、住友電工、恒鋒刀具、常州創偉等行業知名企業，加工精度和效率獲得用戶企業的廣泛好評。
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