智能制造跨入高速高精時(shí)代，工程職業(yè)教育中的五軸加工人才培養(yǎng)因時(shí)而進(jìn)
2023-1-3 來源： 武漢華中數(shù)控股份有限公司 作者： 陳娜 張玲 張幼龍
五軸聯(lián)動是高檔數(shù)控技術(shù)的代表，它能夠加工具有復(fù)雜曲面的機(jī)械配件，特別在解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、大型柴油機(jī)曲軸等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，高精度的五軸數(shù)控機(jī)床已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在航空航天、精密醫(yī)療設(shè)備、科學(xué)研究、精密儀器等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力，堪稱 “制造業(yè)的靈魂”。
隨著我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的加速度，工業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級，中國正在經(jīng)歷從高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展的重要階段，對作為工業(yè)母機(jī)的機(jī)床的加工精度、效率、穩(wěn)定性等精細(xì)化指標(biāo)要求逐漸提升，中高端產(chǎn)品的需求日益增加。在此背景下，中國機(jī)床市場的產(chǎn)品由中低檔數(shù)控機(jī)床向中高檔數(shù)控機(jī)床、高速高精數(shù)控機(jī)床升級。五軸數(shù)控機(jī)床的市場需求正蓄勢待發(fā)，細(xì)分領(lǐng)域正向多行業(yè)延申。適應(yīng)高、精、尖產(chǎn)品加工的五軸數(shù)控專業(yè)應(yīng)用人才缺口接踵而至。
工程職業(yè)教育為智能制造產(chǎn)業(yè)輸送專業(yè)人才，市場導(dǎo)向即人才培養(yǎng)方向。
一、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域案例解析
（1）用于汽車葉輪加工的全能小五軸華中數(shù)控與中山鐵冀智能裝備有限公司合作開發(fā)的用于汽車葉輪加工的全能小五軸，應(yīng)用特點(diǎn)主要有 :
1、經(jīng)濟(jì)型小五軸
采用龍門框式架構(gòu)，自主創(chuàng)新，把龍門的左側(cè)立柱拉伸成一面墻，把 Y 軸運(yùn)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(lián)動空間和剛性要求的同時(shí)大幅度減少整機(jī)重量和尺寸。結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新使成本大幅度降低，改變了傳統(tǒng)五軸機(jī)床因價(jià)格難以普及的市場規(guī)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(shí)間 7 分 48 秒，高精高效。在生產(chǎn)節(jié)拍和產(chǎn)品質(zhì)量雙重提升的前提下，五軸機(jī)床大批量應(yīng)用在消費(fèi)品的加工中成為可能。
（2）3D 打印 + 五軸數(shù)控——五軸增減材復(fù)合制造加工中心
華中數(shù)控與國家增材制造創(chuàng)新中心合作研發(fā)的五軸增減材復(fù)合制造加工中心 LMDH320A 是高質(zhì)量、高精度、高性能的技術(shù)型產(chǎn)品。機(jī)床外觀新穎且集成 3D 打印機(jī)柜。機(jī)床配置 X、Y、Z、W 四個直線軸和 A 或 B、C 兩個回轉(zhuǎn)軸，并配置直線模組及安裝板、激光器、水冷機(jī)（配激光器）、送粉器、保護(hù)氣流量計(jì)、保護(hù)氣通斷閥、熔覆頭及配電板等。應(yīng)用特點(diǎn)有 :
1、五軸聯(lián)動、龍門式結(jié)構(gòu)和搖籃式回轉(zhuǎn)工作臺，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)無支撐成形 ; 豎直方向搭載激光熔覆頭位置切換及保護(hù)模組，實(shí)現(xiàn)增減材自由切換，有效避免干涉 ; 激光熔覆頭、導(dǎo)軌和絲杠采用全防護(hù)形式，可有效避免污染。
2、3D 打印復(fù)合制造專用華中數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)置增材成形與減材加工雙界面，增材成形界面可實(shí)現(xiàn)增材工藝參數(shù)的設(shè)定和工藝狀態(tài)監(jiān)測。
3、接觸式在線測頭和熔池溫度、形狀監(jiān)測模塊，可實(shí)現(xiàn)工藝過程的在線監(jiān)測、閉環(huán)控制和自適應(yīng)加工。
4、開發(fā)的五軸增材分層和路徑規(guī)劃模塊及五軸運(yùn)動仿真軟件工具，同時(shí)配有增材成形工藝包，滿足多領(lǐng)域需求。
二、五軸機(jī)床廣闊的未來市場
生活水平是隨著生產(chǎn)工藝的提高而提高的，社會上越來越多的人愿意為高品質(zhì)買單。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)提高技術(shù)門檻防止仿冒，越來越多的廚房用品、高檔衛(wèi)浴、玩具、裝飾品都采用了復(fù)雜表面設(shè)計(jì)，這些四軸都無法加工，只能使用五軸設(shè)備。再結(jié)合 3D 打印、激光制造等新的加工方式，高速高精的五軸機(jī)床正以更平民化的形式進(jìn)入普通消費(fèi)品的加工車間。
高端咖啡磨豆機(jī)刀盤
汽車增壓器葉片
高速吹風(fēng)機(jī)的馬達(dá)葉輪
這些磨盤、葉輪的葉片之間是相互重疊的結(jié)構(gòu)，在使用五軸機(jī)床加工時(shí)，需要專業(yè)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(yè)教育中的五軸加工人才培養(yǎng)提供了準(zhǔn)確的方向和路徑。
三、華中數(shù)控提供的五軸加工培養(yǎng)方案
華中數(shù)控依托華中科技大學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢，多年來深耕五軸數(shù)控技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)研究，對標(biāo)國外先進(jìn)的高檔數(shù)控系統(tǒng)，攻克了數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場總線、高速高精、五軸聯(lián)動等一批關(guān)鍵技術(shù)并應(yīng)用在工程職業(yè)教育中。
（1）五軸系統(tǒng)的高速高精技術(shù)
1、五軸 RTCP
五軸數(shù)據(jù)機(jī)床的RTCP功能的全稱是“Rotation Tool Center Point”，字面意思即 “旋轉(zhuǎn)刀具中心點(diǎn)” 功能，可以解釋為 “圍繞刀具中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)” 功能。而在五軸數(shù)控加工過程中，由于旋轉(zhuǎn)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(tǒng)就要通過計(jì)算優(yōu)先保證刀具中心點(diǎn)的線性插補(bǔ)，而各個其他的軸則需要為完成這項(xiàng)任務(wù)配合刀具中心點(diǎn)做一些列的補(bǔ)償運(yùn)動，最終同時(shí)實(shí)現(xiàn)刀具中心點(diǎn)的直線運(yùn)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(yōu)勢，因?yàn)槠渲苯佑绊懙焦に嚲幊倘藛T和機(jī)床操作人員的工作強(qiáng)度與難度。擁有 RTCP 技術(shù)的機(jī)床（也就是國內(nèi)所說的真五軸機(jī)床），操作工不必把工件精確的和轉(zhuǎn)臺軸心線對齊，隨便裝夾，機(jī)床自動補(bǔ)償偏移，大大減少輔助時(shí)間，同時(shí)提高加工精度。
2、快速自動標(biāo)定技術(shù)
• 機(jī)床結(jié)構(gòu)、移動速度、測頭數(shù)據(jù)等參數(shù)界面式輸入
• 示教點(diǎn)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(shù)
圍繞精度提升、質(zhì)量提升、效率提升開發(fā)了一批加工技術(shù)，主要包含小線段前瞻技術(shù)、軌跡勻順、噪點(diǎn)過濾、智優(yōu)曲面、柔性加減速、高速剛性攻絲、智能重疊、自適應(yīng)進(jìn)給、雙樣條同步加工、速度前饋補(bǔ)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(yīng)用
• 不同界面 : 測量循環(huán)界面、標(biāo)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(biāo)系及修正機(jī)床加工過程中產(chǎn)生的誤差
• 應(yīng)用范圍 : 對刀找正、調(diào)整坐標(biāo)系刀補(bǔ)、測量尺寸
• 精度高 : 高速 IO 的快響應(yīng)，沒有手動操作誤差
5、CAM 和后置處理
• 千機(jī)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(tǒng)進(jìn)行融合。
6、調(diào)試分析工具
通過對華中 8 型五軸數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi) RTCP 參數(shù)，實(shí)現(xiàn)指令數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的三維位置可視化，數(shù)據(jù)圖表，三維色譜圖等功能。便于對系統(tǒng)的聯(lián)動性能進(jìn)行分析與評估，有效應(yīng)用于加工工藝的分析與優(yōu)化。
（2）智能高速五軸教學(xué)整體解決方案
智能高速五軸教學(xué)方案主要包括配置華中智能數(shù)控系統(tǒng)的五軸聯(lián)動加工中心和相關(guān)教學(xué)資源。配套的華中數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析與可視化，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)管理、遠(yuǎn)程運(yùn)維等智能化功能。機(jī)床占地面積小、剛性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)對稱、動態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好。零件一次裝夾可自動、高效地連續(xù)完成多個面的多種工序加工，包括斜面、曲面等復(fù)雜工序的加工。
同時(shí)，華中數(shù)控還提供教學(xué)方案、教學(xué)資源、工件庫、后置軟件和實(shí)操培訓(xùn)等各種配套服務(wù)，通過這些配套服務(wù)能夠讓學(xué)校迅速建立起五軸數(shù)控師資隊(duì)伍和五軸教學(xué)課程體系，方便學(xué)校開展教學(xué)和實(shí)訓(xùn)。
虛擬仿真考評系統(tǒng)
四、應(yīng)用案例
華中數(shù)控聯(lián)與無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院本著 “共建共享共用” 的原則，對接企業(yè)崗位、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程、技能大賽、技能證書等人才培養(yǎng)需求，從裝備升級、文化浸潤、三教改革、現(xiàn)代管理四方面入手，突出實(shí)踐教學(xué)主體，統(tǒng)籌規(guī)劃布局、挖掘文化素材、構(gòu)建新型教學(xué)空間、研發(fā)智能化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、搭建可視化及過程質(zhì)量控制監(jiān)測平臺，建成智能高速五軸創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)基地。
堅(jiān)持 “以學(xué)生為中心”，架構(gòu)場景攝像頭 +電子屏 + 藍(lán)牙耳機(jī)的現(xiàn)場直播示教系統(tǒng)，形成了多媒體教室、機(jī)房、車間三位一體的新型教學(xué)空間，攻克了實(shí)踐教學(xué)占用教室資源多、示范教學(xué)效果差的難題，推動了線下實(shí)踐教學(xué)由 “集中示教 - 分批后練” 向 “工位同步 - 隨時(shí)跟練” 的教學(xué)模式迭代更新。
自主研發(fā)的適用于實(shí)踐教學(xué)全過程信息化管理的平臺，實(shí)現(xiàn)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)資源、實(shí)訓(xùn)任務(wù)、考核評價(jià)、設(shè)備維護(hù)、7S 管理、資料歸檔等全過程的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施和數(shù)據(jù)采集，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)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(shù)控機(jī)床廣闊的未來市場空間，工程職業(yè)教育中的五軸加工人才培養(yǎng)更應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，探索核心技術(shù)與教學(xué)的深度融合，以服務(wù)市場、支撐制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級為目的，為大國智造輸入高素質(zhì)復(fù)合型技能人才。
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