智能製（zhì）造跨入高速（sù）高精時代（dài），工程職業教育中的五軸加工人才培養因時（shí）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（gāo）檔數控技術的代表，它能夠加工具有複雜曲麵的機械配件，特別在解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、大型柴油機曲軸等方（fāng）麵具有獨特的優勢。因此，高（gāo）精度的五（wǔ）軸（zhóu）數控機床（chuáng）已經廣泛（fàn）的應用在航空航天、精密醫療設備、科學研究、精密儀（yí）器等行業，有（yǒu）著（zhe）舉足輕重的影響力，堪稱 “製造（zào）業的靈（líng）魂”。
隨著我國製造業轉型升級的加速度，工業結構不斷優化升級，中國正在經曆從（cóng）高速發展（zhǎn）向高質量發展的重要階段，對作為工業母機的機床（chuáng）的加工（gōng）精度、效率、穩定性（xìng）等精細化指標要求逐漸提升，中（zhōng）高端產品（pǐn）的需求日益增加。在此背景下，中國機床市場（chǎng）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（shēng）級。五（wǔ）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（rén）才缺口接踵而至。
工程職（zhí）業教育為智能製造產業輸送（sòng）專（zhuān）業人才，市場導向即人才培養方向。
一、工業（yè）應用領域案例解析
（1）用於汽車葉輪加（jiā）工的全（quán）能小五（wǔ）軸（zhóu）華中數控與中山鐵（tiě）冀智能裝備有限公司合作開發的（de）用於汽車葉輪加工的（de）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（xīn），把（bǎ）龍門的左側（cè）立柱拉伸成一麵（miàn）牆，把 Y 軸運動部件（絲杆、線軌）安裝於這個垂直（zhí）於地麵的牆麵上（類似（sì）於龍門橫梁上的 X 軸布局（jú））。這（zhè）樣保（bǎo）證五軸聯動空間和剛性要（yào）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（dà）幅度降低，改變了傳統五軸機床因價格難（nán）以普及的（de）市場規律。
2、高效五軸
在某汽車渦輪增壓（yā）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（zài）生產節拍和產品質量雙重提升的前（qián）提下，五軸機床大（dà）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（jiǎn）材複合製（zhì）造加工中心
華中數控與國家（jiā）增材製（zhì）造創新中心合作研發的五軸增減材複合製造加工中心 LMDH320A 是高質量、高精度、高性（xìng）能（néng）的技術（shù）型產品。機床外觀新穎且集成 3D 打印機櫃。機床配（pèi）置（zhì） X、Y、Z、W 四個直線軸和 A 或 B、C 兩個（gè）回轉軸，並配置直線模組及安裝板（bǎn）、激光（guāng）器、水冷機（配激（jī）光（guāng）器）、送粉器（qì）、保護氣流量計（jì）、保護氣通斷閥、熔覆（fù）頭及配電板等。應用特點有（yǒu） :
1、五軸聯動、龍門式結構和搖籃式（shì）回轉（zhuǎn）工作台，可實現複雜結構無支撐成形 ; 豎直方向搭載激光熔覆頭位置切換（huàn）及保護模組，實現增減材（cái）自由切（qiē）換，有效（xiào）避（bì）免幹涉 ; 激光（guāng）熔覆頭、導軌和絲杠采用全防護形式，可有效（xiào）避免汙染。
2、3D 打印複合（hé）製造（zào）專（zhuān）用華中數控係統，設置增材成形與減材（cái）加（jiā）工雙界（jiè）麵，增材成形界麵可實現增（zēng）材工藝（yì）參數的設定和工藝狀態監測。
3、接觸式（shì）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（huán）控製和自適應加工。
4、開發的五軸增材分層和路徑規劃模塊及五（wǔ）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（shì）場
生活（huó）水平是隨著生產工（gōng）藝的提高而（ér）提高的，社會上越來越多的人願意為高品質買單。為了提高產（chǎn）品（pǐn）質量，同（tóng）時提高技術門檻防止仿（fǎng）冒，越（yuè）來越多的廚房用品、高檔衛浴、玩具、裝飾（shì）品都（dōu）采用了複（fù）雜表麵設計，這些四軸都無法加工，隻能使用五（wǔ）軸設備。再結合 3D 打印、激光製造等新的加工方式（shì），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（chē）增壓器葉片（piàn）
高速（sù）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（yòng）五軸機床加工時，需要專（zhuān）業的五軸編程及加工操作。高速高精的智能製造需求，給工程職業教育中的五軸加工人才培養提供了準（zhǔn）確的（de）方向和路徑。
三、華中數控提（tí）供的（de）五軸加工培養（yǎng）方案（àn）
華中數（shù）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（yīng）用技術（shù）研究，對標國外先進的高檔數（shù）控（kòng）係統，攻克了數控係統體係結構、現場總線、高速高（gāo）精、五（wǔ）軸聯動等（děng）一批（pī）關鍵技（jì）術並應（yīng）用在工程職業教育中。
（1）五軸係統的高速高精技術（shù）
1、五軸（zhóu） RTCP
五軸數據機床的RTCP功能的全稱是“Rotation Tool Center Point”，字（zì）麵意思即 “旋轉刀具中心點” 功能，可以解釋為 “圍繞刀具（jù）中心點旋轉（zhuǎn）” 功能。而在五軸數控加工過程中，由於旋轉軸的存在，RTCP 功能就變得尤為重（chóng）要（yào），如果采用 RTCP 功能，那麽係統就要通過計算（suàn）優先保（bǎo）證刀具中心點的線性插補，而各個其他的（de）軸則需要為完成這項任務配合刀具中心點做（zuò）一些列的補償運動，最（zuì）終同時實現刀具中心點的直線運動及刀軸矢量的（de）改變，有效地降低了加工過程中的非線性（xìng）誤差。
加工柔性則是更為直觀（guān）的優勢，因為其直接影響到工（gōng）藝編程人員（yuán）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（jiù）是國內所說的（de）真五軸機床），操作工不必把工件精確的和轉台軸心線（xiàn）對齊（qí），隨便裝夾，機床自動補償偏移，大大減少（shǎo）輔（fǔ）助時間，同時提（tí）高加工精度。
2、快速自動標定技術
• 機床（chuáng）結構、移動速度、測頭數（shù）據（jù）等參數界麵式輸入
• 示教點直接讀取，操（cāo）作方便
• 測量（liàng）位置的記錄，更高的（de）精度
3、高速高精高效加工技術（shù）
圍（wéi）繞精度提升、質量提升、效率提（tí）升開發了一批加工技術，主要包含小線段前瞻技術、軌（guǐ）跡勻順、噪點過濾、智優曲麵、柔性加減速、高速剛性攻絲、智能重疊、自適應進（jìn）給、雙樣條同步加（jiā）工（gōng）、速度前饋補償。
五軸勻順示意圖
4、五軸工件測量
• 工件測（cè）量—界麵式操作，多場景應用
• 不同界麵 : 測量循環界麵、標定（dìng）界麵、測量配置界麵
• 三種方式 : 手動測（cè）量、插入測量、自動（dòng）測量，15 種測量特征單個使用或多個組合（hé）使用，找正坐標係及（jí）修正機床加工過程中產生的誤（wù）差
• 應用（yòng）範圍 : 對刀找正、調整坐標係刀補、測量尺寸
• 精度高（gāo） : 高速 IO 的快響應，沒有手動操作誤（wù）差
5、CAM 和後置處理
• 千機智能（néng） UltraCAM: 自主可控的葉輪、葉盤專用 CAM 軟件
• 通 用 CAM 後 置 模 塊 : 提 供 UG、Catia、CAXA、PowerMill、MasterCAM 後置（zhì）模塊提供通用 CAM 軟件後（hòu）置處理模塊，並對多軸工（gōng）藝與係統進行融合。
6、調試（shì）分析工（gōng）具
通過對（duì）華中 8 型五軸數控係統進行實時（shí）數據采樣，結合係統內 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（biàn）於對係統（tǒng）的聯動性（xìng）能進（jìn）行分析與評估，有效應用於加工工藝的分（fèn）析與優化。
（2）智能高速五軸（zhóu）教學整體解（jiě）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係統的五軸聯動加工（gōng）中心和相關教學資源。配套的華中數控數控（kòng）係統通過大（dà）數據的統計分析與可（kě）視化（huà），實現數控機床（chuáng）的狀態監（jiān）控、生產管理、遠程運維等智能化功（gōng）能。機床占地麵積小、剛性強、結構對稱、動態響應速度快、穩定（dìng）性好。零（líng）件一次裝（zhuāng）夾可自動、高效地連續完成多個麵（miàn）的多種工序加工，包括斜麵、曲麵等複雜工序的加工。
同（tóng）時，華中數控還提供教學方（fāng）案、教學資源、工（gōng）件庫、後置軟件（jiàn）和實操培訓等各種（zhǒng）配套服務，通過這些配套（tào）服務能夠讓（ràng）學校（xiào）迅速建立起五軸數控（kòng）師資隊伍和五軸（zhóu）教（jiāo）學課程體係（xì），方便（biàn）學校開展教學（xué）和（hé）實訓。
虛擬（nǐ）仿真考評係統（tǒng）
四、應用（yòng）案（àn）例
華中數控聯與無錫職業技術學院本著 “共建共（gòng）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（xū）求，從裝備升級、文化浸潤、三教改革、現（xiàn）代（dài）管理四方麵（miàn）入手，突出實踐教學（xué）主體（tǐ），統籌規劃布局、挖掘文化（huà）素材、構建新型教學空間（jiān）、研（yán）發智（zhì）能化（huà）實訓係統、搭建可（kě）視化及過程質量控製監測平台（tái），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（jǐng）攝像頭 +電（diàn）子屏 + 藍牙耳機的現場（chǎng）直播示（shì）教係統，形（xíng）成了多媒體教室、機房、車間三（sān）位一體的（de）新型教學空間，攻克了實踐教學占用教（jiāo）室資源多、示範（fàn）教學（xué）效果差的難題，推動了（le）線下實踐教學由 “集中示教（jiāo） - 分批後練” 向 “工位同步 - 隨時跟練” 的（de）教學模式迭代更新。
自主研發的適用於實踐教學全過程信息化管理的平台，實現教學（xué）標準、教（jiāo）學資源、實訓任務、考核評價、設備維護、7S 管理、資料歸檔等（děng）全過程的標準化實施和數據采集，促（cù）進教學質量的持續提升。
市場升級永不止步，對加工效（xiào）率和精度的（de）追求永不止步。麵對五軸數控機床廣闊的未來市場空間，工程職業教育（yù）中的五軸（zhóu）加（jiā）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、支撐製（zhì）造業轉型升級為目的（de），為（wéi）大國智造輸（shū）入高素質複合型技能人才（cái）。
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