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高性能五軸聯（lián）動（dòng）機床結構設計（jì）與係統應用分析

2021-5-14 來源：重慶理（lǐ）工大學作者：張雄

摘要：本文就我（wǒ）國自主研究的高性能（néng）五軸聯動機床的（de）結構設計和係統應用進（jìn）行簡要（yào）分析，主要有五軸聯動機床的（de）總體結構（gòu）、機床數控係統的硬件部分以及（jí）機床數控（kòng）係統的應用軟件，以為今後此方麵的開發和研究積累一些經驗。

關（guān）鍵詞：高性能；五軸聯動；機床結構設計；係統應用

0 引（yǐn）言

最近幾年，我國數控機床生產製造技術呈現良好的發展趨勢，其中五軸聯動加工中是重點產品。為打破數控機床（chuáng）高端市場被歐美日等國占據的局麵，加強高性能的五（wǔ）軸聯機床加工（gōng）中心是（shì）主要的出路。為此，我國很多開發研究人員致力於高性能（néng）數（shù）控機床的研究，尤其在高可靠性、高（gāo）精度、高速度的機床設備的研究上，更是（shì）付出非常大的努力。而想要開發製造（zào）高精尖的五軸聯動機床（chuáng）設備，不但需要吸收（shōu）國外先進的技術，更應該潛心研究基本結（jié）構以及工藝設計，這樣才能打（dǎ）造（zào）出屬於我國自（zì）己（jǐ）的五軸聯動機床設備。

1、五軸聯動機床的總體結構

1.1 五軸聯動（dòng）機床簡（jiǎn）述

此次研究的（de）主要對象是高性能的五軸聯動機床，型（xíng）號為 HU900，此機床的核心功能部（bù）件的結（jié）構實現自主設計（jì）和開發，以數控係統的後台程序進行了研究（jiū），進而開發出不同種類的功能應用包。此設備最為突出的特點則是高剛性、高精度、高可（kě）靠性，具備防錯誤操作的優點。

1.2 主要的參數

此次研（yán）究的五軸聯動（dòng）機床以 B+C 結構為（wéi）主，也就是旋轉台融合（hé）旋轉銑頭。此設備可加工的範圍是小於 1 米（mǐ）尺寸的工件（jiàn），並且保證（zhèng）加工通用性，加工對象的材質可以是硬質鑄鐵件，可以是（shì）硬質鋼件，還可以加工輕質鋁合金，甚至是高分子合成材料。這就對於主軸以及機床各個軸體的移動速度以及動態精度，提出非常高的標準，機床主要的參數可見表 1。

表 1 五軸（zhóu）聯動機床的技術參數

1.3 結構的總體（tǐ）設（shè）計

此五軸聯動機床設備（bèi）主要用來加工非（fēi）常複雜的零件，像汽車零部件、精（jīng）密模具、航空結構件（jiàn）等等，為此本機（jī）床一定要能適應大力低（dī）速的重切削，還必須適應高速的輕切（qiē）削，機床的（de）綜合性能良好，有著高（gāo）精度、高速、高可靠性（xìng）和高剛性。如果是不移動的部件，一般以整體結構的方式存在（zài）；而移動的（de）部件（jiàn）則（zé）應當確保剛性，同時盡量的輕量化（huà），整體結構見圖 1。

圖 1 HU900 型機床的結構

1、X、Y 軸床身（shēn）；2、立柱（zhù）；3、Z 軸（zhóu）滑枕；4、電（diàn）主軸；5、轉台座；6、旋

轉台；7、伺服電機；8、滾珠絲杠；9 電機（jī）座；10、絲杆軸承.

詳細結構：圖 1 中的 1 號部分是 X、Y 軸床身，以 T 字形式存在，采用整體鑄造的（de）方式，這樣能保證機床基（jī）礎剛（gāng）性，並且 X、Y 軸傳動的 10 號位置的絲杆軸承座和 9 號位置的電機（jī）座，與床身（shēn）鑄為一體；2 號部分的立柱，與絲杆（gǎn）軸承和電機座也是整體鑄造；3 號部分的 Z 軸（zhóu）滑枕與銑頭為一體鑄造，這樣就能避免（miǎn）滑枕同銑頭連接（jiē）裝配過程中（zhōng）剛性不夠（gòu）問題發生，銑頭的 B 軸保持 45°，B 軸回轉軸線以及（jí）X/Z 移動軸構成平麵之間呈現為 45°的夾角（jiǎo），這樣就能為機床的臥式轉換提供方便，強化了加工刀的受力支撐；4號部分是電（diàn）主軸，被裝到銑頭的主軸箱中；5 號位置是轉台座，以 Y 軸導軌為基礎進（jìn）行移動（dòng）；6 號位置則是旋轉（zhuǎn）台，將其作為 C 軸；7 號位置是伺服電（diàn）機；8 號位置（zhì）是滾珠絲杠；9 號位置是電機座；10 號位置是絲杆軸承。

為讓機床設備適用範圍更廣，滿足高（gāo）速度（dù）、大切削力、大承重的要求，其 X/Y/Z 直線（xiàn）的移動以高（gāo）精度的中載線軌進行（háng）；並且 BC 旋轉軸以推力向心圓柱滾子（zǐ）軸承（chéng）為（wéi）主，這樣能確保 BC 旋（xuán）轉軸可以接受到最大（dà）承載力，並且有著很高（gāo）的旋轉精度。此機（jī）床在運動的過程中，涉及到的主要受（shòu）力部分盡量不使（shǐ）用螺釘進行連接裝配，這樣才能保證機床剛性很好，而後以有限元模擬進行受力分析，確定出各個部件結構以及尺寸。

1.4 傳動的結構（gòu）

從圖 1 中可以看出，X/Y/Z 的直（zhí）線軸（zhóu）中，7 號位置和 8號位置的伺服電機和滾（gǔn）珠（zhū）絲（sī）杠，以聯軸器進行連接傳動，安裝絲杠的時候（hòu），應當做預拉緊的處（chù）理，使用雙螺（luó）母絲杠（gàng），才能有更大的預緊力，這樣能很好地減小軸移動時出現的反向間隙，進而延長此部分（fèn）的使（shǐ）用壽命。

另外，核（hé）心功（gōng）能的部件就是 BC 旋轉軸，最終確定使用雙齒輪的消隙傳動結構，優（yōu）點為耐磨（mó）和（hé）精度（dù）高（gāo），從（cóng）而（ér）能實現大扭矩轉（zhuǎn）動，大大（dà）提（tí）升了 BC 軸在運行時的可靠性。如果使用渦輪杆（gǎn）傳動，可能會存在（zài）一些問題，其（qí）一為（wéi）傳遞速度有限製，其二（èr）則會加速磨損，如果進行插補，其精度以（yǐ）及壽命都（dōu）不能得到良好保障。另（lìng）外，如果使用直（zhí）驅電（diàn）機，也存在一些缺點，發熱量過大、扭矩受到限製（zhì）。

還有就是主軸部分，運用（yòng）異步電主軸，作為核心的部件，整個設計的要求：可實現較（jiào）大扭矩（jǔ）的轉動、高精度、高轉（zhuǎn）速，這樣才會同機（jī）床加工使用對象的加工範圍相匹配。電機采用了功率非常（cháng）高的銅轉子電機，在前端有 2 片陶瓷球角的接觸軸承，並且固定存在；而（ér）在後端也有 2 片陶瓷求球角的（de）接觸軸承，但是卻能進行有限的軸向（xiàng）移動，如果主軸出現熱伸長的問題，就能通（tōng）過（guò）後端軸承朝著後方向的移動進行抵（dǐ）消。

運用了有限元建模（mó）的方式，對主軸結構進行優化，可大大提升主軸剛性。機床實際運行中，主軸會有大量熱產生，為此配備專門（mén）的恒溫冷卻係統，可幫助主軸散熱；將溫度傳感器埋設在主軸（zhóu）的附近，可實時地（dì）監控著軸承溫度。機床主軸運（yùn）行的時候，會有很多切削液流出，可能進到主軸旋轉縫隙裏麵，汙染到軸承（chéng），還可能燒毀電機，為解決此問題，設計出迷宮形式的氣密封在主軸前端縫隙部分，可避免任何異物進到主軸的（de）內（nèi）部，讓主軸可（kě）靠性大大（dà）提升。

2、機床數控係統的硬件部分

此機床設備運用西（xī）門子的 840D SL 係統，為 PC 集成（chéng）的數控（kòng）結構，可實現通訊模塊與不同控製（zhì）器的集成，進而讓（ràng）這些部分同一在一個數控單元 NCU 之中，為此功能非（fēi）常強大和完善，采用分布式的連接（jiē），有著模塊化的架構，靈活的配置，為（wéi）此可實現多（duō）軸係統的配置（zhì）。此數控（kòng）單元是 NCU 的 720.3 的版（bǎn）本，本身帶（dài）有工業以太（tài）網，能夠連接手輪、機床操（cāo）作麵板 MCP 以及計算機單（dān）元 TCU。因為 TCU 沒有係統軟（ruǎn）件，也（yě）就是一種無盤的終（zhōng）端，可借助網絡（luò）連接到 NCU，然（rán）後裝載對（duì）應的操（cāo）作係（xì）統。本五軸聯動機床需要的軟件包，應當（dāng）獲取出口的（de）授權，然後存儲到 CF 卡裏（lǐ）麵（miàn）。在 NCU 單元中（zhōng） X132.11 以及 X122.11的口，僅用在探頭測量信號的接入部分，X132.10、X132.7、X132.4 和 X132.1，用來快速地進行 I/O 類信號的接入，並且有相應的變量，而這些（xiē）變量能夠從 NC 程序中直接（jiē）調用。並在 NCU 的內部，設置 PCL，其能以Profi BUS 的通訊總線以及各個外部（bù）的 IO 站點模塊進行連接（jiē），還能連接模（mó）擬軸驅（qū）動模塊。此機床設備的 XY 軸和BC 兩（liǎng）軸均采用了雙（shuāng）電機的驅（qū）動模塊，而 Z 軸和主軸則運用了獨立電（diàn）機驅動模塊，以 Drive-CLIQ 接口分布式的方式與 NCU 單元進行連（lián）接。

3 、機（jī）床數控係統的應用軟件設計（jì）

3.1 HMI 界麵

本機床選用的數控係統是可自行設計參數的係統，這就能讓研究人員對應用程序軟件進行深度開發。為此（cǐ）HMI 界麵設計具有一定開放性（xìng），可以將不同應（yīng）用放在同個界麵中，這樣後期操作人員操（cāo）作起來比較方便。HMI 界麵可以（yǐ）激活五軸聯動以及設置參數（shù），還可以預先檢查 NC 程序中刀具路徑（jìng）以及加工方式（shì），進而防（fáng）止機床加工（gōng）的撞機問題。因為五軸聯動加工的複雜性，出現撞機問題的可能性非常大，為此一定能具備防撞機的程序；可在 HMI 界（jiè）麵設計功能按鈕，用戶就能輕鬆調用程序。

3.2 功能軟件

第一，保（bǎo）證銑頭的安全，需要在後台中（zhōng），設置（zhì）銑頭旋轉安全範圍（wéi），判斷條件包含刀長變量，隻要機床工作，安全（quán）範圍就存在，這樣能避免銑頭與機床鈑金、工件（jiàn）的撞擊。

第二，設計一鍵回退的功能程（chéng）序，可處理空間角度的加工時，機床斷電或者程（chéng）序中斷時刀具在工件之（zhī）中難以（yǐ）抽出的問題，程序激活鍵設置為“HOME BACK”，放（fàng）到 HMI界麵上，可（kě）隨時（shí）按下（xià）此鍵，就能（néng）讓係統進到對話的模（mó）式，獲取相應（yīng）參數信息，機床可沿著刀具軸進行回退，進入到安全區域。

第三，機床自動校準的功能程序（xù），用戶啟動該功（gōng）能，機床可自行（háng）恢複機床的精度，這樣就能提高加（jiā）工效率和（hé）準確度，不必找到（dào）設備廠家，就能解決加工準度的問題。

4、結束語（yǔ）

綜上所述，五軸聯動機床的結構非常複雜，為保證機床的剛（gāng）性，有一部分結構需要以整體（tǐ）鑄造的方式（shì）存在（zài）；而機床的應用（yòng）係統需要以高質量的母係統為基礎，其中無盤終端最合適（shì），這就能供研究人員自行設計操作係統，以方便操作者的操（cāo）作。

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