陳旻鵬 陸榮鑑 張建紅 緱斌麗 張攀

摘 要：在“智能制造”興起的大浪潮下，如何實(shí)現(xiàn)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，五軸機(jī)床等高精度機(jī)床的研制成為一大難題。本文結(jié)合現(xiàn)有的五軸激光切割機(jī)床，擬定該機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案，設(shè)計(jì)了適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的機(jī)床床身和機(jī)床擺頭，為機(jī)床系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供有力的機(jī)械基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：五軸;激光切割;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“智能制造”的提出，使中國(guó)制造行業(yè)發(fā)生了新一輪的變革與創(chuàng)新，制造業(yè)發(fā)展方向正在從產(chǎn)業(yè)范式向創(chuàng)新發(fā)展轉(zhuǎn)變，五軸激光加工技術(shù)的發(fā)展則是目前中國(guó)制造行業(yè)創(chuàng)新的重要組成部分。[1，2，3]而智能制造一體化系統(tǒng)的形成需要機(jī)械結(jié)構(gòu)的支撐，因此五軸激光切割機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究就顯得尤為重要。

1 整體結(jié)構(gòu)的選型

五軸激光切割機(jī)床主要適用于航空航天、汽車制造、工程機(jī)械、模具、健身器材等領(lǐng)域的碳鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金等材料的三維精密柔性加工。[4]目前采用五軸激光切割機(jī)床進(jìn)行木雕加工也是比較常見(jiàn)的。[5，6]

從整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來(lái)講，我們應(yīng)當(dāng)首先考慮的問(wèn)題是如何搭建一個(gè)適合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的五軸激光切割機(jī)床。第一種方案是采用雙回轉(zhuǎn)型的五軸激光切割機(jī)床，因?yàn)殡p回轉(zhuǎn)型的剛性較好，而且這樣的結(jié)構(gòu)在市面上較為常見(jiàn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其研究也比較多，因此這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)日后的控制軟件的編寫(xiě)有一定的幫助;但是雙回轉(zhuǎn)型的五軸激光切割機(jī)床所需要的加工精度要求較高，并且激光所需的加工周期時(shí)間比較長(zhǎng)，又因?yàn)樗芗庸すぜ姆N類相對(duì)少，所以我們又采取了第二種方案。

第二種方案是采用A、C軸型的五軸激光切割機(jī)床，這種結(jié)構(gòu)由A、C旋轉(zhuǎn)軸和X、Y、Z三個(gè)移動(dòng)軸組成，初步設(shè)計(jì)的機(jī)床三維加工幅面3500×1500×1000mm3。與傳統(tǒng)的五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)在于它的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸并不是正交的，而是在一個(gè)傾斜的平面上，兩者之間存在角度。這種設(shè)計(jì)可以提供很高的機(jī)械剛性，結(jié)構(gòu)緊湊。此外，由于五軸數(shù)控激光切割機(jī)床在工作時(shí)的切削力并不是很大，因此也符合力學(xué)要求。該設(shè)計(jì)還能夠增強(qiáng)機(jī)床的靈活性，使機(jī)床在工作的時(shí)候更加方便，機(jī)床的柔韌性也就更高。我們最終選擇了第二種方案。

五軸激光切割機(jī)床由機(jī)床床身部分和機(jī)床擺頭部分組成。機(jī)床床身部分保持靜止，五軸分別為X軸、Y軸、Z軸、A軸和C軸。其中X軸、Y軸和Z軸是沿X、Y、Z三個(gè)方向在導(dǎo)軌上進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)軸，而A軸是繞著X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸，C軸是繞著Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸。A軸可以繞著X軸旋轉(zhuǎn)-125°～125°，C軸可以繞著Z軸旋轉(zhuǎn)-270°～270°。移動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸的定位精度可以分別達(dá)到±0.05mm和±0.015mm。X軸行程、Y軸行程和Z軸行程分別為4000mm、2000mm和1000mm。

2 機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，框架采用懸臂梁的結(jié)構(gòu)，X軸方向上曲柄滑塊機(jī)構(gòu)并且沿著懸臂梁上的導(dǎo)軌方向移動(dòng)。Y軸方向也是采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，我們?cè)赬軸方向上的兩個(gè)懸臂梁之間設(shè)計(jì)一個(gè)橫梁，該橫梁可以帶著下方的機(jī)床擺頭部分沿著X軸方向上的導(dǎo)軌進(jìn)行直線移動(dòng)，并且該橫梁上設(shè)置有導(dǎo)軌，下方的機(jī)床擺頭部分可以沿著Y軸的導(dǎo)軌移動(dòng)。而在Z軸方向上，我們采用的依然是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在之前所設(shè)計(jì)的橫梁上設(shè)計(jì)一個(gè)Z軸上方向上的導(dǎo)軌，與Y軸橫梁相垂直，下方的機(jī)床擺頭部分可以沿著這個(gè)Z軸導(dǎo)軌移動(dòng)。三個(gè)方向上的電機(jī)都是選用德國(guó)畢孚（BECKHOFF）公司提供的專用型伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因?yàn)楹笃诘目刂葡到y(tǒng)是基于德國(guó)畢孚公司的CNC平臺(tái)編寫(xiě)，所以采用他們提供的伺服電機(jī)控制起來(lái)兼容性更好，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸沿導(dǎo)軌移動(dòng)的精確調(diào)節(jié)。[7，8]

在工藝方面，X、Y、Z三個(gè)方向上的外圍橫梁采用鋁合金材料，并且選擇鑄造的方式，經(jīng)過(guò)退火消除內(nèi)應(yīng)力后進(jìn)行再粗加工，接著經(jīng)過(guò)二次振動(dòng)時(shí)效處理后進(jìn)行精加工，保證床身框架的剛度要求。而五軸激光切割機(jī)床床身采用整體焊接的結(jié)構(gòu)，從而使其相互間的連接性更好。同時(shí)，焊接還可以將不同的形狀、尺寸甚至是不同的材料連接起來(lái)，從而可以達(dá)到降低產(chǎn)品重量、節(jié)約產(chǎn)品材料、產(chǎn)品資源優(yōu)化等目的。所焊接出的結(jié)構(gòu)剛度大，產(chǎn)品的整體性好，同時(shí)又能夠保證焊點(diǎn)的氣密性和水密性，所以比較適合制造擁有高強(qiáng)度、大剛度的結(jié)構(gòu)。

3 機(jī)床擺頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)床擺頭由兩個(gè)轉(zhuǎn)矩馬達(dá)、兩個(gè)反射鏡和反射鏡座、防撞裝置、調(diào)高機(jī)構(gòu)和切割頭組成。其中，兩個(gè)轉(zhuǎn)矩馬達(dá)控制的是A、C兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)，它們中間是空心的，提供激光束的導(dǎo)路，這便于激光器的冷卻水管、氣管和接線管的走線;兩個(gè)反射鏡保證了激光傳輸?shù)角懈铑^上。

反射鏡座可以調(diào)節(jié)反射鏡的鏡面反射角度，保證了激光導(dǎo)路的正常輸出;防撞裝置可以有效保證整個(gè)激光切割頭的壽命，當(dāng)檢測(cè)到撞刀問(wèn)題時(shí)，激光切割頭就可以自動(dòng)脫落;而調(diào)高機(jī)構(gòu)是為了實(shí)現(xiàn)激光切割頭與工件之間的距離保持一致。

旋轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)控制電機(jī)都是選用臺(tái)灣上銀公司的TMY旋轉(zhuǎn)平臺(tái)系列，TMY旋轉(zhuǎn)平臺(tái)整合高解析度絕對(duì)式解角器，具備高動(dòng)態(tài)反應(yīng)、高扭力輸出以及高精度定位的能力，可應(yīng)用于需精準(zhǔn)定位的工業(yè)需求。其還具備外轉(zhuǎn)式平臺(tái)，并且整合高解析度解角器，解析度可達(dá)920000 p/rev，并使用絕對(duì)式解角器，不需進(jìn)行原點(diǎn)復(fù)歸的步驟，高動(dòng)態(tài)、高扭力以及高精度扭力瞬間最高可達(dá)12～300Nm，滿足各種應(yīng)用需求，適應(yīng)特殊環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在現(xiàn)有的五軸激光切割機(jī)床的設(shè)計(jì)研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案的擬定和機(jī)床結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，包括機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)床擺頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并且簡(jiǎn)單分析了機(jī)床五根軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇，為以后五軸激光切割機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的編寫(xiě)提供了機(jī)械基礎(chǔ)，并且已經(jīng)申請(qǐng)了相關(guān)專利。

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作者簡(jiǎn)介：陳旻鵬（1994—），男，碩士研究生，主要從事機(jī)電一體化研究。

通訊作者：陸榮鑑（1964—），男，碩士，講師，主要從事機(jī)電一體化研究。