KMC800SU五轴立式加工中心的研发与应用
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一、概述
从“嫦娥”“玉兔”相继飞升着月，到“蛟龙”深潜、国产航母出海，“可上九天揽月、可下五洋捉鳖”已经从一个伟大的构想变为让国人变得有底气的现实。中国的装备制造业不断提升，大国重器的不断崛起，使得国家脊梁愈加刚毅。可以说装备制造业代表着国家的综合国力，是一个国家建设的基石，而数控机床作为“装备工业的母机，智能制造的基础”是一个国家制造业水平的象征，具有非常重要的战略意义。
在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占机器总制造工作量的40%-60%，机床在国民经济现代化的建设中起着重大作用。当代世界各大强国尤其高度重视数控机床行业，一直在采取措施加以扶持和保护。其中五轴数控机床更是一种科技含量高、精密度高，专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业都有着举足轻重的影响力。目前世界最先进高端数控机床的核心技术还是基本掌握在德、日、美等少数发达国家的手里。可如今的国产五轴数控机床技术正在突破创新的飞速发展。随着国内汽车、军工、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化、高精度化、功能复合化、智能化等要求越来越高。国产五轴数控机床的研发与创造之路也愈发迅猛。
以往，随着机床企业数量的不断增加，我国机床企业一直处在“低端混战”状态，如何让机床产业重振雄风，如何拉动机床产业进步？毋庸置疑，科技创新必然首当其冲。辽宁大连光洋科技集团有限公司的控股子公司科德数控股份有限公司深刻意识到产品的优劣对企业的发展起着决定性的作用。自2008年创立以来，科德数控始终秉承“科技领先，厚德做事”的发展理念，以思维创新引导技术创新，以技术创新推动转型发展，不断研发生产出符合市场发展需求的产品。
如今的科德数控已成长为国内知名“机床和控制、反馈装置及电机一体化”供应商，是专业配套自主化高档数控系统和关键功能部件的高档数控机床制造商，是目前国内各类五轴装备最大的产销基地。公司主营高端数控系统、各类五轴数控机床、工业机器人、数控功能部件、精密伺服驱动及电机、传感器等产品。其中五轴立式加工中心已经出口到德国，开创了国产高档五轴数控机床出口发达国家的先河。
在基于光洋集团所建立的“全技术链、全产业链、全人才链”的成套发展模式之中，还整合了光洋集团在自主化高档数控系统、伺服驱动、电机、精密转台等关键功能部件方面的优势，科德数控打造出了以KMC系列五轴铣车复合立式加工中心为主打的一个又一个自主系列产品。目前，科德数控KMC系列五轴立式加工中心包括KMC400S、KMC600S、KMC800S、KMC1250S全系列型号产品。准确的市场定位加上精益求精的生产原则、过硬的生产技术......科德数控KMC系列五轴铣车复合立式加工中心正力争充分地满足用户的加工需求，努力使机床得到用户的认可与信赖，成为我国机床产业的“佼佼者”，见图1。
二、产品性能介绍
数控机床在数字化控制下能够实现工件与刀具间预定轨迹的相对运动，从而实现各种型面的加工。在实际应用中由于零件复杂程度越来越高，为了使加工件能够在一次装卡下完成尽可能多的加工表面，甚至完成复杂凹曲面和异形腔体的加工，因此诞生了五轴机床，即在传统三坐标基础上加入回转坐标，以完成特殊工件和刀具间姿态调整的要求。五轴机床实现了工件和刀具间便利的姿态调整，除了可以避免干涉，还可以充分实现刀具更好的切削条件，包括规避刀尖点极低的实际切削线速度，还可以使用更短的刀具进行加工，提升系统刚性，减少刀具的数量，减少专用刀具的应用。由于五轴机床的控制和制造技术的复杂性，此类设备率先用于军工制造领域，包括航空发动机，飞机结构件，舰船引擎，因而于五轴机床作为国家战略物资被严格监管和限制，由此还演绎出著名的“东芝事件”。
科德数控研发生产的KMC800S 系列五轴立式加工中心采用模块化设计概念。具有更大的作业空间，更小的干涉，更强的切削刚度，更高的速度和精度，更紧凑的安装空间及下述特点。
1. 改良的龙门框架及整机结构设计
KMC800S系列五軸立式加工中心的结构采用改良的龙门框架设计，三个轴在刀具上，两个旋转轴在工件上，达到最优的主轴支撑;各轴的驱动和导轨都在加工区域之外的上方，不会受加工时产生的切屑等因素的影响，大大降低故障率;主轴内置于垂直的Z向滑枕中，借鉴立式坐标镗的精典结构;主轴不会受到摆动的影响，所以刀具长度不会影响摆臂长度而影响摆动误差，拥有更好的主轴刚性;数控回转摆动工作台实现双壁支撑，Y轴采用四导轨支撑和位于中心的主驱动;A轴摆动角度为-130°～ +130°。环形刀库与机床床身融为一体，结构简单、节省空间，见图2。
2. 人造理石床身
KMC800S系列五轴立式加工中心系列产品采用人造理石为床体主要材料。人造理石材料热膨胀系数仅为铸铁的1/20，具有更好的环境适应性，更小的热变形误差;人造理石阻尼是铸铁的6倍，具有更好的吸收振动的能力，降低切削振动对机床传动部件的影响;人造理石床身制造工艺采用常温固化，没有铸铁冷却不均导致的内应力，是国际上精密机床优选的床身材料，见图3。
3. 直驱技术
KMC800S系列五轴立式加工中心采用直驱技术，加工中心的旋转轴采用力矩电机替代传统的齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、滚珠丝杠传动等机械传动。通过力矩电机作为回转坐标主要驱动技术。直驱技术具有动态响应能力好，无反向间隙，无传动机械磨损等显著优势。直驱技术已经成为当前国际上精密高速机床重要的技术路线。U型和MT型分别配置低速力矩电机和高速力矩电机，均实现了满足铣削和车削要求的良好的精度和动态性能的表现，见图4。
4. 双驱技术和重心驱动
KMC800S系列五轴立式加工中心通过双驱技术（KMC800标配，KMC400选配）实现摇篮式转台的重心驱动可以使机床得到更强劲、更平稳的驱动，能够有效地抑制振动，消除反向间隙，为用户提供了理想的加工性能。 5. 激光干涉反馈
KMC800S系列五轴立式加工中心可以选配激光干涉反馈系统。该长度反馈系统支持下的全闭环控制可以将长度反馈系统提升至激光波长基准，自带环境（温度、气压）补偿，可以控制工作台定位精度达到0.5um，满足用户特殊的超高精度的要求，见图5。
6. 高动态响应技术
科德在机床设计阶段十分重视运动部件动态性能优化，重视高刚度轻量化设计和机械运动部件的动力匹配。在机床订单配置和调试阶段，可以根据用户特殊需求，配置更高扭矩惯量比的高性能电机及驱动，进一步进行机床每一个运动坐标的驱动参数的优化，使机床的动态性能满足用户的需求，见图6。
三、关键技术应用情况
数控技术是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志之一，在现代制造行业中，作为先进制造的核心设备，数控系统的功能和性能对制造业的自动化、集成化、柔性化及智能化起着至关重要的作用，以它为基础平台的相关技术水平高低已成为衡量一个国家的工业现代化水平的重要指标，如今我国机床制造业已具备了相当的实力，机械精度和可靠性方面在国际市场上都名列前茅。然而配套的五轴数控系统要么从国外进口，要么采用国内还不成熟的数控系统。总之五轴数控技术仍然是一个薄弱的环节。因此研究开发具有自主知识产权的数控系统具有重要意義。依托光洋集团自主研发、拥有自主知识产权的全数字总线开放式高档数控系统，长期坚持践行“产学研用”深度融合的战略，与高校紧密合作，实现前沿创新，科德数控能专心致志于机床精度的提升，以完整的数控方案为用户创造价值，科德五轴数控系统支持多个控制过程并发。即可以同时控制多个加工过程，可以是不同机床上的不同加工任务。也可以是单台机床上多主轴上的不同加工任务，见图7。
高端五轴数控系统三大基础技术
1. 高速的信息交互——G-lNK光纤运动控制现场总线
采用100Mbps的高速光纤介质，将数控系统的控制指令送达每个伺服驱动装置，并保证严格同步运行;并将包括机床各坐标位置、负载率、温度等物理量传回数控系统。
2. 精准的高频度控制调度GRTK内核
实现每秒数千次的精确控制任务调度，使运动控制运算、逻辑控制运算、人机交互高效有序运行，对钟响应延迟1/100，000秒，在GNC62中支持多核CPU。最大限度地充分利用高性能数控系统处理器运算资源。
3. 精密的位置，角度感知一一传感细分技术
将来自直线/角度传感器的信号进一步进行细分处理，进一步提取1vpp信号中包含有效精度的位置/角度信息，zui高提升物理分辨率达16384倍，细分处理程在1/5，000，000秒内瞬间完成。独特的激光干涉全闭环控制技术。将长度反馈检测精度提升到O.2 μ m，分变率提升到1 nm。为精密机床控制提供基础技术保证。
四、成果应用及推广
科德数控研制的五轴数控机床已经批量应用于国内的航天、航空、能源领域。部分导弹、航空发动机、大飞机、核电叶片等高精尖产品的制造线上均有科德数控的产品在运行，实现了替代进口的同时，科德数控的五轴机床和关键功能部件产品也已经实现了小批量出口德国，开创了全自主知识产权的高档数控产品出口西方发达国家的先河。
未来，科德数控即将投入使用26万平方米全球最大地下恒温恒湿厂房，建成的新园区将使公司快速实现规模化生产，逐渐实现批量替代进口，进而让中国设计制造的关键功能部件产品逐渐替代进口并扩大国际市场占有，用中国的高端五轴数控机床装备中国工业，推动我国智能化制造产业实现跨越式发展。 责编/杨鑫
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