張雄

摘要：本文就我國自主研究的高性能五軸聯(lián)動機床的結構設計和系統(tǒng)應用進行簡要分析，主要有五軸聯(lián)動機床的總體結構、機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分以及機床數(shù)控系統(tǒng)的應用軟件，以為今后此方面的開發(fā)和研究積累一些經(jīng)驗。

關鍵詞：高性能;五軸聯(lián)動;機床結構設計;系統(tǒng)應用

0? 引言

最近幾年，我國數(shù)控機床生產(chǎn)制造技術呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢，其中五軸聯(lián)動加工中是重點產(chǎn)品。為打破數(shù)控機床高端市場被歐美日等國占據(jù)的局面，加強高性能的五軸聯(lián)機床加工中心是主要的出路。為此，我國很多開發(fā)研究人員致力于高性能數(shù)控機床的研究，尤其在高可靠性、高精度、高速度的機床設備的研究上，更是付出非常大的努力。而想要開發(fā)制造高精尖的五軸聯(lián)動機床設備，不但需要吸收國外先進的技術，更應該潛心研究基本結構以及工藝設計，這樣才能打造出屬于我國自己的五軸聯(lián)動機床設備。

1? 五軸聯(lián)動機床的總體結構

1.1 五軸聯(lián)動機床簡述

此次研究的主要對象是高性能的五軸聯(lián)動機床，型號為HU900，此機床的核心功能部件的結構實現(xiàn)自主設計和開發(fā)，以數(shù)控系統(tǒng)的后臺程序進行了研究，進而開發(fā)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、高可靠性，具備防錯誤操作的優(yōu)點。

1.2 主要的參數(shù)

此次研究的五軸聯(lián)動機床以B+C結構為主，也就是旋轉臺融合旋轉銑頭。此設備可加工的范圍是小于1米尺寸的工件，并且保證加工通用性，加工對象的材質可以是硬質鑄鐵件，可以是硬質鋼件，還可以加工輕質鋁合金，甚至是高分子合成材料。這就對于主軸以及機床各個軸體的移動速度以及動態(tài)精度，提出非常高的標準，機床主要的參數(shù)可見表1。

1.3 結構的總體設計

此五軸聯(lián)動機床設備主要用來加工非常復雜的零件，像汽車零部件、精密模具、航空結構件等等，為此本機床一定要能適應大力低速的重切削，還必須適應高速的輕切削，機床的綜合性能良好，有著高精度、高速、高可靠性和高剛性。如果是不移動的部件，一般以整體結構的方式存在;而移動的部件則應當確保剛性，同時盡量的輕量化，整體結構見圖1。

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，采用整體鑄造的方式，這樣能保證機床基礎剛性，并且X、Y軸傳動的10號位置的絲桿軸承座和9號位置的電機座，與床身鑄為一體;2號部分的立柱，與絲桿軸承和電機座也是整體鑄造;3號部分的Z軸滑枕與銑頭為一體鑄造，這樣就能避免滑枕同銑頭連接裝配過程中剛性不夠問題發(fā)生，銑頭的B軸保持45°，B軸回轉軸線以及X/Z移動軸構成平面之間呈現(xiàn)為45°的夾角，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號部分是電主軸，被裝到銑頭的主軸箱中;5號位置是轉臺座，以Y軸導軌為基礎進行移動;6號位置則是旋轉臺，將其作為C軸;7號位置是伺服電機;8號位置是滾珠絲杠;9號位置是電機座;10號位置是絲桿軸承。

為讓機床設備適用范圍更廣，滿足高速度、大切削力、大承重的要求，其X/Y/Z直線的移動以高精度的中載線軌進行;并且BC旋轉軸以推力向心圓柱滾子軸承為主，這樣能確保BC旋轉軸可以接受到最大承載力，并且有著很高的旋轉精度。此機床在運動的過程中，涉及到的主要受力部分盡量不使用螺釘進行連接裝配，這樣才能保證機床剛性很好，而后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

從圖1中可以看出，X/Y/Z的直線軸中，7號位置和8號位置的伺服電機和滾珠絲杠，以聯(lián)軸器進行連接傳動，安裝絲杠的時候，應當做預拉緊的處理，使用雙螺母絲杠，才能有更大的預緊力，這樣能很好地減小軸移動時出現(xiàn)的反向間隙，進而延長此部分的使用壽命。

另外，核心功能的部件就是BC旋轉軸，最終確定使用雙齒輪的消隙傳動結構，優(yōu)點為耐磨和精度高，從而能實現(xiàn)大扭矩轉動，大大提升了BC軸在運行時的可靠性。如果使用渦輪桿傳動，可能會存在一些問題，其一為傳遞速度有限制，其二則會加速磨損，如果進行插補，其精度以及壽命都不能得到良好保障。另外，如果使用直驅電機，也存在一些缺點，發(fā)熱量過大、扭矩受到限制。

還有就是主軸部分，運用異步電主軸，作為核心的部件，整個設計的要求：可實現(xiàn)較大扭矩的轉動、高精度、高轉速，這樣才會同機床加工使用對象的加工范圍相匹配。電機采用了功率非常高的銅轉子電機，在前端有2片陶瓷球角的接觸軸承，并且固定存在;而在后端也有2片陶瓷求球角的接觸軸承，但是卻能進行有限的軸向移動，如果主軸出現(xiàn)熱伸長的問題，就能通過后端軸承朝著后方向的移動進行抵消。

運用了有限元建模的方式，對主軸結構進行優(yōu)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(chǎn)生，為此配備專門的恒溫冷卻系統(tǒng)，可幫助主軸散熱;將溫度傳感器埋設在主軸的附近，可實時地監(jiān)控著軸承溫度。機床主軸運行的時候，會有很多切削液流出，可能進到主軸旋轉縫隙里面，污染到軸承，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內部，讓主軸可靠性大大提升。

2? 機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分

此機床設備運用西門子的840D SL系統(tǒng)，為PC集成的數(shù)控結構，可實現(xiàn)通訊模塊與不同控制器的集成，進而讓這些部分同一在一個數(shù)控單元NCU之中，為此功能非常強大和完善，采用分布式的連接，有著模塊化的架構，靈活的配置，為此可實現(xiàn)多軸系統(tǒng)的配置。此數(shù)控單元是NCU的720.3的版本，本身帶有工業(yè)以太網(wǎng)，能夠連接手輪、機床操作面板MCP以及計算機單元TCU。因為TCU沒有系統(tǒng)軟件，也就是一種無盤的終端，可借助網(wǎng)絡連接到NCU，然后裝載對應的操作系統(tǒng)。本五軸聯(lián)動機床需要的軟件包，應當獲取出口的授權，然后存儲到CF卡里面。在NCU單元中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，并且有相應的變量，而這些變量能夠從NC程序中直接調用。并在NCU的內部，設置PCL，其能以ProfiBUS的通訊總線以及各個外部的IO站點模塊進行連接，還能連接模擬軸驅動模塊。此機床設備的XY軸和BC兩軸均采用了雙電機的驅動模塊，而Z軸和主軸則運用了獨立電機驅動模塊，以Drive-CLIQ接口分布式的方式與NCU單元進行連接。

3? 機床數(shù)控系統(tǒng)的應用軟件設計

3.1 HMI界面

本機床選用的數(shù)控系統(tǒng)是可自行設計參數(shù)的系統(tǒng)，這就能讓研究人員對應用程序軟件進行深度開發(fā)。為此HMI界面設計具有一定開放性，可以將不同應用放在同個界面中，這樣后期操作人員操作起來比較方便。HMI界面可以激活五軸聯(lián)動以及設置參數(shù)，還可以預先檢查NC程序中刀具路徑以及加工方式，進而防止機床加工的撞機問題。因為五軸聯(lián)動加工的復雜性，出現(xiàn)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界面設計功能按鈕，用戶就能輕松調用程序。

3.2 功能軟件

第一，保證銑頭的安全，需要在后臺中，設置銑頭旋轉安全范圍，判斷條件包含刀長變量，只要機床工作，安全范圍就存在，這樣能避免銑頭與機床鈑金、工件的撞擊。

第二，設計一鍵回退的功能程序，可處理空間角度的加工時，機床斷電或者程序中斷時刀具在工件之中難以抽出的問題，程序激活鍵設置為“HOME BACK”，放到HMI界面上，可隨時按下此鍵，就能讓系統(tǒng)進到對話的模式，獲取相應參數(shù)信息，機床可沿著刀具軸進行回退，進入到安全區(qū)域。

第三，機床自動校準的功能程序，用戶啟動該功能，機床可自行恢復機床的精度，這樣就能提高加工效率和準確度，不必找到設備廠家，就能解決加工準度的問題。

4? 結束語

綜上所述，五軸聯(lián)動機床的結構非常復雜，為保證機床的剛性，有一部分結構需要以整體鑄造的方式存在;而機床的應用系統(tǒng)需要以高質量的母系統(tǒng)為基礎，其中無盤終端最合適，這就能供研究人員自行設計操作系統(tǒng)，以方便操作者的操作。

參考文獻：

[1]劉敏，羅建.五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結構和應用[J].中國科技縱橫，2014（7）：139-140.

[2]杜玉湘，陸啟建，劉明燈.五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結構和應用[J].機械制造與自動化，2008（03）：17-19，23.

[3]夏向陽.五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結構選型研究[J].裝備機械，2018（004）：5-8，14.

[4]黃文波.高性能五軸聯(lián)動機床結構設計與系統(tǒng)應用[J].黑龍江科技信息，2019（019）：159-161.