□ 夏向陽(yáng)

江蘇新瑞重工科技有限公司 江蘇常州 213166

1 研究背景

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是航空航天、模具加工、汽車(chē)制造、精密機(jī)械加工、軍工等行業(yè)的關(guān)鍵加工設(shè)備，為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供了重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)裝備。研究五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)金屬加工行業(yè)發(fā)展的迫切需要。其中，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床整體結(jié)構(gòu)選型是五軸機(jī)床整機(jī)方案設(shè)計(jì)的首要工作，是機(jī)床能否開(kāi)發(fā)試制成功的關(guān)鍵所在，設(shè)計(jì)人員必需引起足夠的重視。

2 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)形式

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床指機(jī)床具有三個(gè)直線(xiàn)進(jìn)給軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸，并且這五個(gè)進(jìn)給軸能夠同時(shí)聯(lián)動(dòng)進(jìn)給[1-2]。如圖1所示，三個(gè)直線(xiàn)進(jìn)給軸是笛卡爾坐標(biāo)系中的X、Y、Z三軸，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸是A、B、C軸中的任意兩個(gè)組合[3]，即AC組合、AB組合或BC組合。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的關(guān)鍵核心技術(shù)，可以是AC聯(lián)動(dòng)、AB聯(lián)動(dòng)或BC聯(lián)動(dòng)。

圖1 五軸機(jī)床坐標(biāo)軸

按照直線(xiàn)進(jìn)給軸與旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸組合方式的不同，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式有很多種，其中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式有三種。

2.1 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)集成于一個(gè)雙擺銑頭

機(jī)床的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)集成于一個(gè)雙擺銑頭，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床通常有兩種細(xì)分的結(jié)構(gòu)形式。

2.1.1 AC雙擺銑頭

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)集成安裝在機(jī)床直線(xiàn)軸Z軸滑枕的下端面上，是龍門(mén)機(jī)床上最常采用的AC雙擺銑頭結(jié)構(gòu)，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)軸C軸由對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的U形音叉頭繞直線(xiàn)軸Z軸實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸A軸由A軸擺頭繞U形音叉頭上的公共軸線(xiàn)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，主軸采用直驅(qū)的電主軸結(jié)構(gòu)。如圖3所示，筆者公司生產(chǎn)的一款高架橋式五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)機(jī)床是這一結(jié)構(gòu)形式機(jī)床的典型代表[4-5]。

圖2 AC雙擺銑頭

圖3 高架橋式五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)機(jī)床

2.1.2 AB雙擺銑頭

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)集成于AB雙擺銑頭，銑頭安裝在機(jī)床的直線(xiàn)軸Z軸滑枕前表面上。旋轉(zhuǎn)軸A軸運(yùn)動(dòng)由對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的U形音叉頭繞直線(xiàn)軸A軸實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn),回轉(zhuǎn)的導(dǎo)向通過(guò)圓弧形滾動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)，主軸采用直驅(qū)的電主軸結(jié)構(gòu)。如圖4所示，擺五軸機(jī)床是這一結(jié)構(gòu)形式機(jī)床的典型代表。

圖4 擺五軸機(jī)床

2.2 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)

搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)有AC搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)和BC搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)兩種類(lèi)型，實(shí)際上這兩種搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是一樣的，只是因?yàn)檗D(zhuǎn)臺(tái)安裝方向不同而名稱(chēng)不同。如果轉(zhuǎn)臺(tái)搖擺軸軸線(xiàn)平行于機(jī)床X軸安裝，那么就是AC搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)。如果轉(zhuǎn)臺(tái)搖擺軸軸線(xiàn)平行于機(jī)床Y軸安裝，那么就是BC搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)。筆者公司開(kāi)發(fā)了一款擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的力矩電機(jī)直驅(qū)型AC搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于GM80-5X型橋式機(jī)床上。該AC雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)如圖5所示，GM80-5X型橋式機(jī)床如圖6所示。

2.3兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分開(kāi)布置

這類(lèi)結(jié)構(gòu)的機(jī)床，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分開(kāi)布置，通常有兩種細(xì)分的結(jié)構(gòu)形式。

2.3.1 單擺銑頭+第四軸立式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

圖5 AC搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)

圖6 GM80-5X型橋式機(jī)床

旋轉(zhuǎn)軸A軸通過(guò)單擺銑頭形式安裝在機(jī)床的直線(xiàn)軸Z軸端面，旋轉(zhuǎn)軸C軸通過(guò)第四軸立式轉(zhuǎn)臺(tái)的形式安裝在機(jī)床的直線(xiàn)進(jìn)給軸Y軸部件上。如圖7所示，HSC70型高速五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是這一結(jié)構(gòu)形式機(jī)床的典型代表[6]。

圖7 HSC70型高速五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床

2.3.2 單擺銑頭+橋板式第四軸轉(zhuǎn)臺(tái)

旋轉(zhuǎn)軸B軸通過(guò)懸伸式單擺銑頭形式安裝在機(jī)床的直線(xiàn)軸Z軸拖板上，旋轉(zhuǎn)軸A軸通過(guò)橋板式轉(zhuǎn)臺(tái)形式安裝在機(jī)床的直線(xiàn)進(jìn)給軸X軸拖板上。

3 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)選型

機(jī)床的整體布局是設(shè)計(jì)工作的核心，對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)研發(fā)而言，更是如此。因此，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)選型在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要，是機(jī)床能否開(kāi)發(fā)試制成功的關(guān)鍵所在。設(shè)計(jì)時(shí)必須從機(jī)床的運(yùn)動(dòng)組合和結(jié)構(gòu)配置入手，選擇最合適的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)組合方式，使機(jī)床獲得最優(yōu)的加工性能，為客戶(hù)帶來(lái)最好的實(shí)際應(yīng)用體驗(yàn)。以下介紹五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)選型的技巧及方法。

3.1 選用雙擺銑頭

大型、重型五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)數(shù)控機(jī)床，以及工件比較重的五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)數(shù)控機(jī)床通常采用AC雙擺銑頭的結(jié)構(gòu)形式[7]。該類(lèi)機(jī)床通常采用高架橋式龍門(mén)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮各移動(dòng)部件的輕量化、各移動(dòng)部件質(zhì)量的均衡化，以及功能部件的模塊化。由于該類(lèi)機(jī)床所加工的工件質(zhì)量較大，為了謀求更高的加工速度、進(jìn)給軸的高加速度及高加加速度，機(jī)床一般采用工作臺(tái)固定不動(dòng)的高架橋式龍門(mén)結(jié)構(gòu)，機(jī)床X、Y、Z、A、C五個(gè)進(jìn)給軸中除X軸驅(qū)動(dòng)布置在床身上外，其余四個(gè)進(jìn)給軸都集中在機(jī)床的橫梁以上部分。這種設(shè)計(jì)可以盡量使各進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)的負(fù)載輕量化和均衡化，從而減小各移動(dòng)部件所需的驅(qū)動(dòng)功率和扭矩，使機(jī)床更低碳環(huán)保，同時(shí)提高機(jī)床各個(gè)進(jìn)給軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和加速性能，使機(jī)床各軸的加速度和加加速度匹配性更好，提升機(jī)床的客戶(hù)體驗(yàn)效果。

大型、重型五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)數(shù)控機(jī)床也有采用AB雙擺銑頭的結(jié)構(gòu)形式。這類(lèi)機(jī)床加工的零件一般為狹長(zhǎng)型帶小角度凹腔的鈦合金航空結(jié)構(gòu)件或狹長(zhǎng)的滑軌類(lèi)零件。AB雙擺銑頭和AC雙擺銑頭相比有兩大優(yōu)勢(shì)：①對(duì)于狹長(zhǎng)型帶小角度凹腔零件，通過(guò)A軸進(jìn)給相比采用C軸進(jìn)給，刀具經(jīng)過(guò)的路徑更短，刀具接近性能更好，切削加工效率更高；②AB雙擺銑頭的切削點(diǎn)距離回轉(zhuǎn)中心更近，更易于實(shí)現(xiàn)高材料去除率。當(dāng)然，AB雙擺銑頭也有自身的缺點(diǎn)：①A軸的圓弧形導(dǎo)軌制造裝配難度大；②AB擺的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

該類(lèi)機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮特定零件的加工效率，其次是各移動(dòng)部件的輕量化、各移動(dòng)部件質(zhì)量的均衡化。由于該類(lèi)機(jī)床加工的特定類(lèi)型零件一般都不是重型零件，因此該類(lèi)機(jī)床設(shè)計(jì)成工作臺(tái)移動(dòng)式定梁龍門(mén)結(jié)構(gòu)也是遵循了各移動(dòng)部件輕量化、各移動(dòng)部件質(zhì)量均衡化的原則。

3.2 選用搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)

中小型五軸機(jī)床及工件比較輕的機(jī)床一般采用搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，該類(lèi)機(jī)床設(shè)計(jì)選型時(shí)重點(diǎn)考慮各移動(dòng)部件質(zhì)量的合理分配、功能部件的模塊化，以及回轉(zhuǎn)中心接近切削區(qū)域。對(duì)于工作臺(tái)面不大于φ600 mm的小型機(jī)床，搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)一般設(shè)計(jì)成安裝在參與X軸或Y軸直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)面上。對(duì)于工作臺(tái)面為φ600 mm～φ800 mm的中型機(jī)床，搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)一般設(shè)計(jì)成安裝在固定的機(jī)床床身上，轉(zhuǎn)臺(tái)不參與直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面直徑大于φ1 000 mm時(shí)，五軸機(jī)床就不再適合選用搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)了，因?yàn)橹匦蛽u籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能差，對(duì)于五軸切削效率提高是不利的。

采用搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)床，主要加工區(qū)域集中在A軸、C軸的轉(zhuǎn)軸中心附近，使刀尖點(diǎn)距離回轉(zhuǎn)中心較近，A軸回轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在同等切削力下只需要輸出較小的功率和扭矩，使機(jī)床更低碳環(huán)保。采用AC搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)，由于加工時(shí)A軸的回轉(zhuǎn)使排屑更方便快捷，因此可以快速帶走加工熱量，有利于提高加工精度。采用AC搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)，可使機(jī)床的模塊化程度較高，機(jī)床緊湊，占地面積小。

力矩電機(jī)直驅(qū)型搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)是搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展方向[8-9]，這種轉(zhuǎn)臺(tái)通常有三種類(lèi)型：①A軸單力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輔助支撐的結(jié)構(gòu)形式，如圖5所示，這類(lèi)轉(zhuǎn)臺(tái)一般用于中型機(jī)床；②A軸單力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)不帶輔助支撐的結(jié)構(gòu)形式，即懸臂式AC搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)，如圖8所示，這類(lèi)轉(zhuǎn)臺(tái)A、C軸都采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，一般用于小型機(jī)床；③A軸雙力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)AC搖籃式雙擺頭結(jié)構(gòu)形式，如圖9所示，這類(lèi)轉(zhuǎn)臺(tái)C軸采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，為了提高A軸的驅(qū)動(dòng)力，A軸采用左右各一個(gè)力矩電機(jī)雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，一般用于中型機(jī)床或動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能要求較高的機(jī)床上。

圖8 懸臂式AC搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)

圖9 A軸雙力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)AC搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)

3.3 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分開(kāi)布置

3.3.1 單擺銑頭+第四軸立式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

工作臺(tái)面為φ600 mm～φ800 mm的中型五軸機(jī)床，也有采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分開(kāi)布置的結(jié)構(gòu)形式。該類(lèi)機(jī)床一般采用單擺銑頭和第四軸轉(zhuǎn)臺(tái)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，一般情況下單擺銑頭和第四軸轉(zhuǎn)臺(tái)都參與X軸或Y軸的直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。這類(lèi)機(jī)床設(shè)計(jì)選型時(shí)重點(diǎn)考慮各移動(dòng)部件的輕量化和各移動(dòng)部件質(zhì)量的合理分配，以提高機(jī)床各個(gè)進(jìn)給軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和加速性能，并使機(jī)床各軸的加速度和加加速度匹配性更好，提升機(jī)床的客戶(hù)體驗(yàn)效果。這種結(jié)構(gòu)形式一般應(yīng)用于高速或超高速五軸機(jī)床上。

3.3.2 單擺銑頭+橋板式第四軸轉(zhuǎn)臺(tái)

如圖10所示，XKH800C型五軸聯(lián)動(dòng)葉片銑床是單擺銑頭+橋板式第四軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)形式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的典型代表，單擺銑頭B軸集成在隨立柱移動(dòng)的Z軸拖板上，橋板式轉(zhuǎn)臺(tái)A軸集成在隨X軸移動(dòng)的滑板上，B軸、A軸分開(kāi)布置，避免使某一個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的部件質(zhì)量太大，從而提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和切削性能。B軸采用經(jīng)典的彎脖結(jié)構(gòu)，使機(jī)床的主軸向機(jī)床的Z軸正向提升，機(jī)床刀具的刀尖點(diǎn)更加靠近回轉(zhuǎn)軸B軸的中心，使B軸回轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在同等切削力下只需要輸出較小的功率和扭矩，既節(jié)能環(huán)保，又可提高加工效率。

圖10 XKH800C型五軸聯(lián)動(dòng)葉片銑床

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)被加工零件形狀、質(zhì)量、精度的不同和機(jī)床整機(jī)大小的不同，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床有三至五種不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)人員在做機(jī)床整體方案設(shè)計(jì)時(shí)，可以遵循以下設(shè)計(jì)原則開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。

（1）輕量化原則。各移動(dòng)部件要輕量化，目的是提高各移動(dòng)部件的加速度和加加速度，提高機(jī)床的整機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能[10-11]。

（2）均衡化原則。各移動(dòng)部件質(zhì)量合理分配，避免出現(xiàn)某一部件質(zhì)量過(guò)大，影響機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。

（3）模塊化原則?？梢詫?duì)機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化處理，經(jīng)過(guò)模塊化處理后，機(jī)床的整機(jī)設(shè)計(jì)工作將得到簡(jiǎn)化。

（4）盡量遵循刀尖點(diǎn)靠近回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心的原則，使設(shè)計(jì)的五軸機(jī)床既節(jié)能環(huán)保，又可提高加工效率。

（5）整體方案設(shè)計(jì)時(shí)要將提高加工效率和表面加工質(zhì)量作為重要因素加以考慮。