机床产业的“最强大脑”——五轴数控系统
机床产业的“最强大脑”——五轴数控系统
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编者按
近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征，而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。 五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械和高精医疗设备等行业，均有着举足轻重的影响力。 现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子和大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。 所以，每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时，往往转向求助于五轴数控系统。 笔者 以第十八届中国国际机床展览会（CIMT2023）为契机， 起草 《展品评述 》 ，对数控系统参展展品的 技术 特点、发展 现状 与国外 的 差距等进行分析 ，提出行业发展建议。
五轴数控系统主要展品
01
高端五轴数控系统，是机床产业的“最强大脑”，相当于芯片工业中7nm、3nm制程所必须的光刻机，相当于大飞机的发动机，是高端制造所必需的尖端重器。高端五轴数控系统产品包，是叶轮、叶盘、发动机缸体缸盖等航空、航天、航发和汽车所需关键零部件高品质、高效率加工的整体解决方案。2023年北京国际机床展上，很多国内外数控系统企业展出了具备五轴联动和智能化技术的数控系统：
（1）西门子（德国） 西门子重点展示了面向机床行业客户丰富的硬、软件数控产品组合。其数字化原生数控系统 SINUMERIK ONE采用全新硬件平台和多种创新功能，不仅仅具备强大的五轴联动、RTCP刀尖跟随功能，还具有虚拟调试等数字化、智能功能，是西门子下一步大力推广的主要产品，适配更多机械加工场景。西门子全新发布了SINUMERIK 828D 分体式控制器磨削版，该产品应磨削、齿轮行业客户的需求而生，让客户能够根据自身需求灵活选择 SIMATIC IPC和显示器，自主开发人机界面。
（3）海德汉（德国） 海德汉重点展示了新款TNC7数控系统，为机床用户和机床制造商提供全新编程方法和机床操作方法。 TNC7 数控系统直观显示整个生产环境，包括夹具、工件和加工区，有效提升过程可靠性。 编程期间，可用这些数据生成逼真的加工过程3D仿真图形，无需切换操作模式。 针对五轴联动加工，TNC7推出新一代动态碰撞监测（DCM ） 功能，DCM不仅可避免机床部件与刀具间的碰撞，还能避免刀具与夹具间碰撞。
（4）华中数控
本次展会华中数控以高端五轴数控系统为主题，重点展出了HNC-848D高端五轴数控系统。华中数控全新推出的高端五轴数控系统产品包，突破曲面超匀顺插补技术、智能前馈技术、高速高精高响应驱动和电机技术、五轴编程技术，融合五轴机床加工工艺及大数据智能分析工具，打造编程-加工-测量一体化的复杂零件制造解决方案。配套高性能五轴机床，可以实现叶轮、叶盘、发动机缸体缸盖等复杂零件的高精高效加工。
（5）科德数控
科德数控重点展出了安装GNC62数控系统的五轴立式车铣复合加工中心以及五轴卧式铣车复合加工中心等，GNC62具有以下五轴数控技术优点：
1）基于开放式PC平台构建，具备良好的开放性； 2）采用科德自研的GRTK实时内核技术，可实现每秒数千次的精确控制任务调度； 3）采用科德自研的高速光纤总线GLINK2.0工业控制总线； 4）具备强大的多通道多轴控制能力； 5）支持五轴联动RTCP变换，具备高级五轴联动及倾斜面加工功能； 支持倾斜面加工功能，支持角度头功能，支持五轴RTCP功能； 除了支持12种标准五轴机床的RTCP功能外，还支持采用倾斜主轴方案的特殊结构机床的五轴RTCP功能。
（6）广州数控
广州数控重点展出了应用于齿轮或五轴加工中心的GSK 25i系列以及应用于高端车铣复合的GSK 27i系列等数控系统。
（7）北京精雕
北京精雕展出的产品主要包括高效型五轴加工中心（JDMRET400DZ）、五轴高速磨削中心（JDGRMG300）以及机加自动化系统（JDGR400T），使用的数控系统为JD50。
在精密加工领域，北京精雕精密型精雕五轴高速加工中心、精雕五轴高速磨削中心，广泛应用于精密模具零件、刀具行业、高精度孔磨削、硬脆材料磨削以及光学行业零件等多种领域2~10μm的精密加工。
在高效加工领域，北京精雕推出的高效型精雕五轴高速加工中心、五轴铣车复合加工中心，广泛应用于新能源汽车、精密治具、医疗器械和透平机械等行业的产品型零件批量高效加工。
（8）沈阳中科数控
本次展会沈阳中科数控重点展出了基于智能硬件平台的GJ600系列智能数控系统、GJ400系列高档数控系统和GJ300系列专用数控系统。其中GJ430数控系统面向五轴高档数控机床的配套要求，具备动态高效的五轴工艺指令、机床误差智能补偿、进给率自适应及故障诊断等核心功能，同时可适配自主研发的边缘智能单元，实现高速加工中的五轴路径优化，提高五轴动态控制精度，现已成功应用在航空航天企业生产一线；GJ302五轴电加工用数控系统，为中国通用技术（集团 ） 控股有限责任公司五轴火花成形机批量配套，具备电加工专用五轴工艺数据库、间隙控制、自适应抬刀、多平动循环工艺等核心功能，实现如合金刀片等难加工材料的批量生产。
（9）上海铼钠克
上海铼钠克本次展会主要以高端五轴数控系统为主题，展出了应用于精密五轴加工中心的U5E系列高端数控系统，及应用于精密五轴激光切割、精密随动磨等的N5E与N3E总线系列数控系统。
铼钠克的五轴控制技术可实现高速切削与快速加工，我们先进的控制算法可对复杂的曲面进行插补及优化，在保证加工精度同时最大限度地提高加工效率和运动平滑度。
多个轴向的联动运动，实现了更加复杂和灵活的精细加工，可以提高加工质量、生产效率。
（10）德国倍福（Beckhoff）
德国倍福重点推出了新一版本TwinCAT3 CNC五轴软数控系统，除了固有的开放性、扩展性，新增加了伺服Autotunning、Machine learning、视觉集成，还充分利用工控机CPU多核系统，对于多通道设备实现一个通道使用一个内核的充分利用，使CNC实现插补计算精度可达10pm级别，更好的实现加工轨迹高精度运行等。
五轴数控系统发展趋势
02
通过对本次展会上展出的国内外五轴数控系统进行分析比较，我们总结了其发展趋势如下：
1.五轴数控系统应用前景广阔
近年来，五轴数控系统应用前景广阔。航空整体结构件日趋复杂，其精度要求越来越高，钛合金、复合材料等先进结构材料的应用越来越多，新一代航天火箭、卫星、飞航武器等复杂零件加工，朝着大型化、高精度的方向发展，这些都需要大量的五轴龙门机床、五轴立式加工中心、五轴卧式加工中心、五轴卧式翻板加工中心、五轴叶片铣削加工中心、高速叶尖磨削中心、五轴工具磨削中心、蒙皮镜像铣以及五轴车铣复合机床等高档机床。航空发动机叶片、整体叶盘、机匣等高温合金等复杂零件加工，对数控机床的五轴联动及高效加工能力不断提出新的挑战。 同时，近年来新能源汽车、3C智能终端、复杂模具等行业的数控加工，也需要很多五轴数控机床和五轴数控系统。 以新能源汽车制造所需机床为例，龙门类机床、卧式五轴类机床以及型材加工类机床在本次展会中明显增多。 通用技术沈阳机床、海天精机、创世纪、格力智能等企业纷纷推出针对铝合金副车架的立式五轴加工中心、针对铝合金电池托盘的多主轴卧式加工中心、针对整体车身的双面対置桥式龙门等。
宁波海天精工股份有限公司BFL2030H动柱高速铣削中心
适用于新能源汽车“一体式压铸前机舱和后底板”零件的加工
科德数控股份有限公司展出的KCX1200 TM卧式铣车复合加工中心
设计用于异型回转体类零件的完全加工
适合新能源汽车领域传动轴、转向系统等部件的加工
2.国产五轴数控系统发展加快
展会期间，数控系统分会组织了对参展国产机床配套的数控系统进行了数据统计，可以明显看到国产五轴数控系统发展加快。按照主办单位中国机床工具工业协会的展馆安排，绝大部分国产金切机床安排在E1、E3、W4三个馆，W2是国产成形机床，其他展馆是国外机床、刀具、量具、机床附件等。因此，针对本次展会展出的国产金切机床，我们对E1、E3、W4三个馆进行统计，此次参展的国产数控金切机床总计381台，其中数控车床141台，加工中心103台，数控磨床87台，其他机床50台。以上381台机床中，五轴联动等高档数控机床共83台，其中国产品牌45台，超过国外品牌。国产品牌主要包括：华中数控、科德数控、北京精雕、广州数控和上海铼钠克等。
3.五轴数控系统与CAD/CAM融合
华中数控、北京精雕等企业致力于五轴数控系统与CAD/CAM融合，为用户提供完整解决方案。只有五轴数控系统和五轴机床，没有五轴编程软件，没有分析优化工具，没有工艺知识，航空、航天、航发等急需的关键零部件都无法保质保量的加工出来。
例如华中数控与千机智能、豪迈机床联合攻关，将CAM-CNC深度融合，基于千机CAM软件平台集成华中8型五轴系统的加工速度优化、曲面光顺等模块，可对加工速度进行自动优化并输出i代码，实现加工G代码与i代码联合输出；在编程端完成优化，简化工艺优化流程，提高编程和加工效率；并且开发了转台旋转测量、二次测量功能并直接输出测量程序；推出编程-加工-测量与补偿一体化解决方案。
国内外差距分析及行业发展建议
03
1.国内外差距分析
从展品看，近年来在国家的支持下，国内高端五轴数控系统取得了长足的进步，在相关领域取得了应用突破。但是，与西门子、海德汉等国外五轴数控系统相比，我国的五轴系统在功能、性能、可靠性、成套性等方面存在差距。德国西门子的840D和840Dsl高端数控系统，功能丰富强大，开放性好，可靠性高。具有控制轴数多，补偿功能丰富，可以控制各类特殊复杂结构的机床。针对不同的行业应用，西门子都有对应的特殊功能包，满足客户的使用需要，解决客户的痛点问题。西门子作为国际巨头，其产品线还包括CAM软件，制造系统管理软件等等，这些产品相互组合，可以为用户提供更优质的服务。在航空航天、船舶等高端制造业占有重要地位。
海德汉数控系统专注于多轴高速加工，其TNC系列控制器的优势在于将工件的表面质量、工件几何精度与加工时间的完美统一，可以根据工件加工要求调整程序的路径控制效果，从而平衡控制工件的质量和加工时间。
整体来看，近些年国内数控系统在五轴技术的研制方面不断努力，发展方向基本与国外保持一致，推出了华中8型、GSK27i等新产品，但是在性能等方面与国外还有差距。
2.建议国产数控系统企业进一步加强五轴技术的研究
建议国产数控系统企业对标国外五轴高档数控系统，开展工程化、产品化提升研究，通过不断的技术迭代，突破高速高精、多轴联动、多通道及复合控制等多轴联动等关键核心技术；研究与工艺高度融合的复杂零件多轴编程加工技术和数控加工与优化技术，提供CAM-CNC融合与工艺整体解决方案；深度融合新一代信息技术，开发和完善一系列的的数据采集、分析、优化和补偿等工具和调试软件，整体提升高档数控系统在高档数控机床配套应用水平。
3.建议国产数控系统加强与机床企业联合推广五轴数控技术
中国制造业发展对五轴数控技术提出了强烈的需求，特别是中国下一个阶段新能源汽车、新能源产业的大规模发展，预计五轴高端数控机床的使用将更加普及，这给我国五轴数控机床的跨越发展提供了一个极好的机会。近几年新能源汽车发展迅速，2022年销量达到688.7万辆，同比增长93.4%。新能源汽车（纯电动汽车、混合动力汽车等）的电驱、电池、电控等“三电”产品和副车架、减震塔、轮毂等零部件的加工需要大量的多轴、多通道、高速数控机床，这些都将给国产数控系统行业带来巨大的发展空间。
建议国产数控系统企业加强与主机企业的技术交流，在他们的支持下，改进机床设计方法，合作推出市场需要的五轴数控机床。
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☞ 作者：中国机床工具工业协会数控系统分会 肖明、张幼龙 ☞责任编辑：徐裴裴 ☞审核人：吴晓兰 ☞媒体合作: 010-88379790-801 ☞ 金属加工杂志唯一投稿网址： http://tougao.mw1950.cn/
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