梁偉文

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

小型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)*

梁偉文

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

文章根據(jù)現(xiàn)有的五軸聯(lián)動(dòng)B、C型雙轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易靈巧的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)．該平臺(tái)機(jī)械部分主要由X，Y，Z軸方向移動(dòng)及B，C軸的轉(zhuǎn)動(dòng)組成，B，C軸的2旋轉(zhuǎn)中心線交于C盤(pán)中心點(diǎn)，這樣簡(jiǎn)化了坐標(biāo)變換．這種設(shè)計(jì)不僅能實(shí)現(xiàn)同類(lèi)五軸數(shù)控機(jī)床一次裝夾條件下的多面加工，還可用于多軸聯(lián)動(dòng)示教和激光空間切割等．

五軸聯(lián)動(dòng)；B/C型；機(jī)械平臺(tái)；設(shè)計(jì)數(shù)控技術(shù)

數(shù)控技術(shù)是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制等技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一門(mén)技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域，使制造技術(shù)向高速化、自動(dòng)化、高精化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，使機(jī)械產(chǎn)品在性能上向高精度、高效率、高性能、智能化方向發(fā)展，在功能上向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展，在層次上向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化方向發(fā)展[1,2]．專(zhuān)家預(yù)言，未來(lái)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)在很大程度上是數(shù)控技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)．為此，世界各國(guó)都在抓緊研究制訂開(kāi)放式商性能數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范，并進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，如美國(guó)的NGC，OMAC項(xiàng)目、歐洲的OSACA計(jì)劃及日本的OSEC計(jì)劃等[3-5]．?dāng)?shù)控技術(shù)是目前高新高精密制造技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，大力發(fā)展五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)，可使五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)械裝置走向高精度、高效率、高質(zhì)量、高集成的方向發(fā)展[6]．本文根據(jù)現(xiàn)有的五軸聯(lián)動(dòng)B、C型雙轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)[7]，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易靈巧的小型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)．

1 機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)方案是雙轉(zhuǎn)臺(tái)B，C軸結(jié)構(gòu)，如圖1所示，旋轉(zhuǎn)軸偏置為零，即B，C軸的旋轉(zhuǎn)軸中心線交于C軸盤(pán)的中心．該五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)包括3個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)X，Y，Z和2個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)B，C（2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸均屬轉(zhuǎn)臺(tái)類(lèi)，B軸旋轉(zhuǎn)平面為YZ平面，C軸旋轉(zhuǎn)平面為XY平面）．該機(jī)械平臺(tái)的特點(diǎn)在于加工過(guò)程中工作臺(tái)可以旋轉(zhuǎn)也可以擺動(dòng)，但是實(shí)際加工工件的尺寸會(huì)受轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸大小的限制，因此比較適用于加工體積比較小、質(zhì)量比較輕的工件．因?yàn)橹鬏S一直都是處于豎直方向，所以主軸的剛性會(huì)相應(yīng)比較好，因此也適用于加工切削量較大的工件．

圖1 五軸聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)裝置包含5個(gè)主行進(jìn)軸，分別為X，Y，B，C軸和一個(gè)刀具軸Z．機(jī)械平臺(tái)加工的原理步驟如下：利用B，C軸形式的雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，該機(jī)械平臺(tái)上的工作臺(tái)可以圍繞Y軸回轉(zhuǎn)，也就是B軸．工作臺(tái)的中間存在一個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)可以繞Z軸旋轉(zhuǎn)，也就是C軸，C軸的工作范圍一圈360°，因此通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸B軸與旋轉(zhuǎn)軸C軸的這種配合，加工的工件裝夾在工作臺(tái)上后除了裝夾接觸的那個(gè)面之外，剩下的5個(gè)面都能通過(guò)主軸完全加工．設(shè)定B軸和C軸最小分度值后又可以將加工的工件再細(xì)分成其它角度，也就可以加工出不水平的面、不水平的孔等，走出空間曲線軌跡．旋轉(zhuǎn)軸B軸和C軸與直線軸X，Y，Z三者實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)后，在數(shù)控系統(tǒng)以及伺服系統(tǒng)與相應(yīng)軟件的支持下，就能夠制造出比較繁雜的空間曲面．這種五 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)在于主軸的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因?yàn)橹鬏S始終處于豎直狀態(tài)，所以主軸的剛性也比較容易保證，總體制作成本相對(duì)較低．缺點(diǎn)是工作臺(tái)尺寸的設(shè)計(jì)通常不能太大，其實(shí)際的承重也比會(huì)相對(duì)較小，這些方面配合不好對(duì)加工會(huì)產(chǎn)生比較大的不良影響．

1.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)的主傳動(dòng)（即Z軸的旋轉(zhuǎn)）采用伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，這種設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，實(shí)際安裝調(diào)式時(shí)也比較方便，并且在某些條件下可以滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方面的輸出要求．另一方面，很大程度上避免齒輪傳動(dòng)在加工時(shí)引起的振動(dòng)或噪聲，所以比較適用在低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸上．但是它也有不足之處，比如系統(tǒng)的調(diào)速范圍必須跟所用電機(jī)的可調(diào)速范圍完全一致，所以會(huì)很大程度上受到所用電機(jī)可調(diào)速范圍的限制．

1.2 進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)（如圖2所示）進(jìn)給設(shè)計(jì)（即X，Y，Z軸移動(dòng)）統(tǒng)一采用滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)（如圖3所示）．滾珠絲杠螺母副是一種具有可逆性的結(jié)構(gòu)，能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，也能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其傳動(dòng)效率比較高，可以達(dá)到0.92~0.96，滾珠絲杠螺母副所需傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，但是靈敏度比較高，這種結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)比較平穩(wěn)，實(shí)際加工運(yùn)動(dòng)時(shí)不易產(chǎn)生爬行．

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械平臺(tái)承載不是很大，因此采用一般的直線導(dǎo)軌就可，如圖3所示．每個(gè)方向采用兩根平行導(dǎo)軌，在安裝時(shí)要注意平行度就好，這種設(shè)計(jì)比較通用簡(jiǎn)單．一般要求是能使機(jī)械平臺(tái)上相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部件都是沿著床身部件上的導(dǎo)軌、立柱橫梁等部件上的導(dǎo)軌而運(yùn)動(dòng)．導(dǎo)軌的實(shí)際用處有2個(gè)方面：導(dǎo)向作用、支撐作用．所以導(dǎo)軌的制造精度和精度保持性，對(duì)機(jī)床加工精度有著尤為重要的影響．在實(shí)際選用導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)考慮以下問(wèn)題：必須具備一定的導(dǎo)向精度、要有良好的精度保持性能、本身具有足夠的剛度、要有良好的摩擦性能．因此通常利用導(dǎo)向精度比較高、摩擦系數(shù)比較小的滾動(dòng)導(dǎo)軌．

旋轉(zhuǎn)軸B，C軸采用雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，如圖4所示．

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控平臺(tái)裝配效果，如圖5所示．五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)部分參數(shù)見(jiàn)表1．

圖2 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 X軸方向驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖4 B，C軸雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖5 裝配效果圖

表1 平臺(tái)參數(shù)表

2 平臺(tái)測(cè)試

利用VC++開(kāi)發(fā)了平臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制程序，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究．在進(jìn)行平臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，將旋轉(zhuǎn)軸B和C的交點(diǎn)（C軸旋轉(zhuǎn)盤(pán)上表面中心）設(shè)置為數(shù)控平臺(tái)坐標(biāo)系的移動(dòng)軸原點(diǎn)．旋轉(zhuǎn)軸C的零點(diǎn)與移動(dòng)軸Y的正方向一致，C軸旋轉(zhuǎn)角度為0~360°，旋轉(zhuǎn)軸B的零點(diǎn)設(shè)置為轉(zhuǎn)盤(pán)C為水平時(shí)，B軸旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)-120~+120°，旋轉(zhuǎn)軸B和C都采用順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较颍谠囼?yàn)過(guò)程中，試件材料為100 mm×100 mm×50 mm的方塊材料．根據(jù)坐標(biāo)系設(shè)置，C軸旋轉(zhuǎn)盤(pán)上表面中心與試件表面中心垂直距離為50 mm，因此工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的偏移（Z向偏移）距離為50 mm．試驗(yàn)采用試件較為特殊的7點(diǎn)坐標(biāo)（表2中的P1-P7）給定的刀軸矢量進(jìn)行測(cè)試．將工件坐標(biāo)系和刀軸矢量數(shù)據(jù)輸入到數(shù)控平臺(tái)，經(jīng)數(shù)控平臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)后，測(cè)得數(shù)控平臺(tái)坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)軸B和C的角度均與表2的數(shù)據(jù)相符，表明所研制的數(shù)控平臺(tái)滿足設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)空間五軸聯(lián)動(dòng)，達(dá)到空間運(yùn)動(dòng)軌跡的控制要求．該裝置不僅能實(shí)現(xiàn)同類(lèi)五軸數(shù)控機(jī)床一次裝夾的條件下完成多面加工，如加工葉輪葉片等復(fù)雜部件，還可用于多軸聯(lián)動(dòng)示教，也可用于激光空間切割等應(yīng)用，所以它更適用于中小型企業(yè)的個(gè)性化產(chǎn)品零件加工．

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

[1] 廖勇，黃容申．?dāng)?shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]．重慶石油高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2002（1）：8-13．

[2] 彭玉海，白海清，何寧．基于PMAC的數(shù)控試驗(yàn)臺(tái)研究與開(kāi)發(fā)[J]．陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，6（2）：1-3．

[3] 何永紅，齊樂(lè)華，趙寶林，等．雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床后置處理算法研究[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，2006（1）：9-13．

[4] 孟璇，邢玉生，王春．基于PMAC的并行雙CPU開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J]．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2000（10）：28-30．

[5] 周祖德，魏仁選，陳幼平．開(kāi)放式控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀、趨勢(shì)及對(duì)策[J]．中國(guó)機(jī)械工程，1999，10（10）：1090-1093．

[6] 唐清春，馬仲亮，劉謙，等．A-C式雙擺頭五軸機(jī)床旋轉(zhuǎn)角的選擇及優(yōu)化[J]．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015，3（2）：34-38．

[7] Schellekens P, Rosielle N. Design for Precision: Current Status and Trends[C]. Annals of CIRP, 1998，47（2）：557-584．

Design of Mini Five-axis Mechanical Platform

LIANG Weiwen

（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong, 518055, China）

According to the existing five axis linkage B, C type double rotary table CNC machine tool structure, this paper designed a simple and smart five axis linkage mechanical platform. The platform of mechanical part is mainly composed of X, Y, Z moving direction and B/C rotation axis, B, C axis of the two rotation center coincide, so that the transformation of the coordinates is simplified. This design can achieve the same five axis CNC machine tool with one Clamping, and be used to multi-axis laser cutting.

five-axis linkage; B/C type; mechanical platform; design

TP29

：A

：1672-0318（2017）01-0006-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2017.01.002

2016-09-14

*項(xiàng)目來(lái)源：深圳市知識(shí)創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（JCYJ201506301140628）

梁偉文（1974-），男，湖南人，副教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)．