侯柏林

小型五軸數(shù)控雕銑機(jī)經(jīng)典設(shè)計方法的周期長、成本高，因此應(yīng)用先進(jìn)設(shè)計方案解決以上問題顯得尤為重要。本文首先探討小型五軸數(shù)控雕刻機(jī)總體快速設(shè)計方案，涉及控制系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)以及主要關(guān)鍵部件設(shè)計等;其次研究應(yīng)用先進(jìn)五軸線性插補(bǔ)算法;最后通過Solidworks等軟件進(jìn)行仿真設(shè)計，并通過零件的加工實現(xiàn)設(shè)備設(shè)計的可行性驗證。

五軸雕銑;線性插補(bǔ)算法;擺動機(jī)構(gòu);轉(zhuǎn)臺;驅(qū)動機(jī)構(gòu)

產(chǎn)品個性化、多樣化的定制生產(chǎn)已成為先進(jìn)裝備制造企業(yè)的核心競爭力。

文獻(xiàn)[1]針對小型零件如珠寶等特殊行業(yè)產(chǎn)品多樣性、曲面形狀復(fù)雜性、單一性的要求，提出小型雕銑機(jī)的總體設(shè)計方案、布局方案、關(guān)鍵部件設(shè)計方案，。文獻(xiàn)[2]對通過對雕刻機(jī)控制系統(tǒng)工作原理及功能需求進(jìn)行分析，對運(yùn)動控制器動態(tài)鏈接庫的控制系統(tǒng)軟件開發(fā)具有一定借鑒意義。

研制一種設(shè)計周期較短、成本較低、加工精度較高、多用途等功能的小型五軸數(shù)控雕銑機(jī)床成為機(jī)床生產(chǎn)商的熱門方向。筆者前期設(shè)計三坐標(biāo)數(shù)控鉆床并投入實際生產(chǎn)，在快速設(shè)計、關(guān)鍵部件運(yùn)動有限元分析、模擬仿真、線性插補(bǔ)的算法、加工精度及加工誤差、裝配誤差等方面進(jìn)行研究和改善，本文是基于前期研發(fā)三坐標(biāo)數(shù)控鉆床的研發(fā)基礎(chǔ)，應(yīng)用有限元分析、力學(xué)分析、基于Solidworks仿真技術(shù)等方法，對主要部件進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計和論證。

基于Solidworks等軟件實現(xiàn)對其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速設(shè)計和控制系統(tǒng)的接口電路（IO接口）、伺服驅(qū)動電路、外設(shè)電路 等結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

控制系統(tǒng)利用“獨(dú)立PC+智能控制卡”結(jié)構(gòu)，通過CNC的一系列的直線或圓弧插補(bǔ)運(yùn)算，并通過串口輸入至CNC控制單元，然后驅(qū)動五個方向（軸）伺服電機(jī)運(yùn)動，完成工件加工。研發(fā)過程：繪制機(jī)床總體結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)零件圖設(shè)計零件制造工藝，零件加工完成后，進(jìn)行裝配、調(diào)試、總裝;檢驗、優(yōu)化提高與小批量試產(chǎn)。

電主軸是小型數(shù)控雕銑機(jī)主要驅(qū)動部件、關(guān)鍵部件之一。根據(jù)銑刀直徑、工作臺進(jìn)給速度和主軸線速度來確定主軸的轉(zhuǎn)速、額定功率和轉(zhuǎn)矩。

小型數(shù)控雕銑機(jī)擬選用硬質(zhì)合金銑刀，其最大直徑為10 mm、最小直徑為0.30 mm。

依據(jù)以上計算結(jié)果及實際需求，選用電主軸型號100XDS24，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

滾珠絲杠是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)的重要部件之一。

其中：轉(zhuǎn)速=200 r/min;使用壽命=16 000 ，代入（9）得L=64;將P=136.5 N，=64代入（7）式得=573.3 N，依據(jù)最大動載荷值和導(dǎo)程P選擇型號SFS1205滾珠絲杠。

伺服電機(jī)是數(shù)控設(shè)備關(guān)鍵部件之一，機(jī)械功率是伺服電機(jī)重要參數(shù)指標(biāo)之一，同時考慮伺服電機(jī)負(fù)載力矩的折算和加減速力矩的計算、轉(zhuǎn)速和編碼器分辨率、負(fù)載慣量計算，慣量的匹配等因素。根據(jù)本設(shè)備工作要求選定伺服電機(jī)ST系列交流伺服電機(jī)130ST-M07730，其具體參數(shù)如表2、3所示。

本設(shè)計見圖1，采用剛性好的移動式龍門結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢是工作行程以及經(jīng)濟(jì)成本性較好。

關(guān)鍵部件設(shè)計包括X/Y/Z/A/C軸五軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、底座、定梁、橫梁、及移動機(jī)構(gòu)、工作平臺、轉(zhuǎn)盤等，圖2為小型數(shù)控雕銑機(jī)總體結(jié)構(gòu)。

其工作原理：零件加工時，電主軸帶動刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，加上刀具在主軸電機(jī)的驅(qū)動下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并通過X軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)、Y軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)、Z軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)、A軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)、C軸等驅(qū)動機(jī)構(gòu)，完成刀具相對于工件的復(fù)雜曲線運(yùn)動從而完成對工件輪廓的加工。

定梁、橫梁的剛性和穩(wěn)定性要求較高，采用圖2所示的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，其特征在于兩平行設(shè)置的定梁、與定梁相連的橫梁結(jié)構(gòu)及形式。橫梁、定梁結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)過有限元受力分析，表明該結(jié)構(gòu)具有裝配簡單、實用、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，此外采用鑄造開模小批量生產(chǎn)，成本較低。

本底座設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、便于裝配、穩(wěn)定性好，采用鑄造開模批量生產(chǎn)，吸振性好，成本較低。其具體結(jié)構(gòu)形式：Y軸螺桿與底座固定，Y軸螺桿的一端與Y軸步進(jìn)電機(jī)的輸出軸相連接，Y軸螺桿與Y軸螺母相嚙合，Y軸螺母與工作平臺固定，Y軸步進(jìn)電機(jī)馬達(dá)座與底座固定，實現(xiàn)動力輸出。

驅(qū)動機(jī)構(gòu)傳動誤差和精度符合國際標(biāo)準(zhǔn)部件。各驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計原理：由主軸、步進(jìn)電機(jī)、絲桿螺母機(jī)構(gòu)的驅(qū)動X軸移動部件及主軸刀具運(yùn)動，實現(xiàn)刀具相對工件的X軸方向進(jìn)給;Y、Z軸部件分別實現(xiàn)刀具相對于工件的Y軸、Z軸方向進(jìn)給，A軸由電機(jī)帶動一對50：1的蝸輪蝸桿帶動工作臺繞X軸的擺動，擺動機(jī)構(gòu)通過工作平臺安裝在底座。

圖4所示為轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)設(shè)計圖，其功能是利用伺服電機(jī)2帶動轉(zhuǎn)臺1裝夾工件并完成A軸擺動和C軸的支撐作用。擺動機(jī)構(gòu)、工作平臺、底座相聯(lián)接，渦輪箱3裝配于工作平臺4，渦輪箱有蝸輪蝸桿聯(lián)接，C軸電機(jī)帶動并實現(xiàn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)。

小型數(shù)控雕銑機(jī)采用PC機(jī)的串口與電氣控制接口聯(lián)接方式，實現(xiàn)五軸數(shù)控雕銑加工機(jī)床的主運(yùn)動以及X、Y、Z、A、C五個方向的運(yùn)動。

本機(jī)床的接口電路設(shè)計是雕銑機(jī)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，基于外部輸入信號與步進(jìn)電機(jī)控制以及機(jī)床輔助功能動作相一致，經(jīng)過樣機(jī)現(xiàn)場測試，工作可靠性好，性能達(dá)到預(yù)期效果。

五軸聯(lián)動一般是指X、Y、Z、A、B、C中任意五個獨(dú)立坐標(biāo)軸的線性插補(bǔ)運(yùn)動，本設(shè)計雕銑機(jī)是以X、Y、Z、A、C軸的五軸為研究對象，圖5為五軸聯(lián)動設(shè)計圖，其中X，Y，Z為移動軸，A，C分別為繞X和Z的轉(zhuǎn)動軸。

本設(shè)備涉及數(shù)控線性插補(bǔ)，采用時間分割法插補(bǔ)，基于其先進(jìn)性、簡便性、適應(yīng)性的特點(diǎn)，其核心是依據(jù)進(jìn)給速度和插補(bǔ)周期推算出在一個插補(bǔ)周期的各軸進(jìn)給增量，進(jìn)而插補(bǔ)點(diǎn)計算，各軸進(jìn)給增量的計算公式為：

設(shè)五軸線性插補(bǔ)始點(diǎn)為 （X、Y、Z、A、C）終點(diǎn)為P（X、Y、Z、A、C），進(jìn)給率為，插補(bǔ)周期為T。鑒于線性插補(bǔ)和角度插補(bǔ)的系數(shù)區(qū)別，五軸的合成插補(bǔ)位移不是三維空間的軌跡位移，而是虛擬擬合三維位移。因此插補(bǔ)位移數(shù)值推算利用長度和角度之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)與角度關(guān)系推導(dǎo)計算。

研制過程中，為驗證設(shè)備運(yùn)動可靠性、可行性等指標(biāo)，基于Solidworks軟件完成建模、運(yùn)動分析環(huán)境、系統(tǒng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)干涉、虛擬設(shè)備運(yùn)動及有限元等進(jìn)行實驗仿真，通過對粗、精加工工序的仿真，解決了機(jī)床各運(yùn)動部件的干涉問題，大大提高了數(shù)控編程的效率，提高雕銑機(jī)加工仿真精度。

本設(shè)備采用的數(shù)控控制軟件系統(tǒng)為Mach3 CNC控制軟件，Mach3 CNC控制軟件是由美國ArtSoft公司開發(fā)的由Windows為平臺的數(shù)控軟件，，具有開放性、性能穩(wěn)定、價格低廉等特點(diǎn)。其次，設(shè)備總裝后進(jìn)行實際產(chǎn)品的小批量試產(chǎn)、檢驗、優(yōu)化提高等一系列過程，其產(chǎn)品經(jīng)過客戶檢測質(zhì)量合格，圖6為樣機(jī)研制原型機(jī)，設(shè)備整體運(yùn)行水平達(dá)到同類設(shè)備的先進(jìn)行列。

本設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、裝卸和維護(hù)方便，成本低廉、實用性強(qiáng)、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，主要創(chuàng)新點(diǎn)：（1）在主軸設(shè)計上采用具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)的電主軸結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速高、功率大等功能。（2）采用剛性較好的移動式龍門結(jié)構(gòu)，有利于提高設(shè)備動作的穩(wěn)定性、減振性及加工精度等。主要部件優(yōu)化、創(chuàng)新設(shè)計，通過產(chǎn)品加工檢驗后，其加工的精度及穩(wěn)定性好。另外通過采用疊加組合式模式進(jìn)行機(jī)械部件的裝配，如裝配部分零件進(jìn)行磨削等調(diào)試、檢測相關(guān)誤差和精度，減少裝配誤差。（3）數(shù)控插補(bǔ)原理及計算方法的應(yīng)用。

實踐表明，該設(shè)備方案的應(yīng)用能降低設(shè)計時間、提高性價比，為客戶提升產(chǎn)品質(zhì)量、改進(jìn)生產(chǎn)率、控制產(chǎn)品成本提供了有效手段。通過多方面的創(chuàng)新及實際生產(chǎn)應(yīng)用，證明其在小型零件加工中具有重要實用價值。

[1]陳秋亮.新型五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2013.

[2]羅奇亮.數(shù)控雕刻機(jī)控制系統(tǒng)研究及實現(xiàn)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2010.

[3]徐銘，徐莉萍，張正義.基于PC的教學(xué)型數(shù)控雕刻機(jī)實驗系統(tǒng)開發(fā)[J].機(jī)床與液壓，2009（1）：151-153.

[4]孫智杰，高玉龍，騰一寧.微型三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計[J].山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（11）：72-74.

[5]王黨利，寧生科，馬保吉.基于MACH數(shù)控軟件的三維雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)[J].機(jī)械與電子，2010（8）：27-30.

The classic design method of small five-axis CNC engraving and milling machine has long cycle and high cost. This paper first discusses the overall rapid design scheme of small five-axis CNC engraving machine， which involves the design of control system， hardware structure and main key components. Secondly， the advanced five-axis interpolation algorithm is studied and applied. Finally， the simulation design is carried out through Solidworks and other software， and the feasibility of equipment design is verified through the processing of parts.

five axis carved milling; ?interpolation algorithm; tilting mechanism; turntable; driving mechanism