孫造，王盟，李金鳳，唐倩

（通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

最近幾年，隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和信息時代的不斷發(fā)展，高性能五軸聯(lián)動機(jī)床應(yīng)運而生，該機(jī)床具有準(zhǔn)確性高、安全性高、剛性高等高性能特征，被廣泛地應(yīng)用于制造產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中，為保證作業(yè)人員操作的規(guī)范性和合理性，提高機(jī)床生產(chǎn)的效率和效果發(fā)揮出重要作用。因此，如何科學(xué)設(shè)計和應(yīng)用高性能五軸聯(lián)動機(jī)床是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 高性能五軸聯(lián)動機(jī)床結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

1.1 五軸聯(lián)動機(jī)床簡述

本次所設(shè)計的高性能五軸聯(lián)動機(jī)床具有非常高的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景，其型號為HU900，通過對該機(jī)床內(nèi)部重要功能的設(shè)計和開發(fā)，為實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。同時，該機(jī)床具有功能強大的應(yīng)用包，應(yīng)用包所包含的類型多種多樣[1]?？傊遢S聯(lián)動機(jī)床具有以下特征，分別是剛性強、精度高、安全性高等特征，通過應(yīng)用該機(jī)床很好地避免了作業(yè)人員的錯誤操作和不規(guī)范操作。

1.2 主要參數(shù)

五軸聯(lián)動機(jī)床結(jié)構(gòu)在具體的設(shè)計中，主要選用了B+C結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)又被稱為“旋轉(zhuǎn)銑頭結(jié)構(gòu)”，該機(jī)床可以加工的對象通常是不足一米尺寸的各種小型工件，通過利用該機(jī)床，可以提高工件加工的可靠性、有效性和通用性。加工期間所選用的材質(zhì)類型多種多樣，如鋼件、鐵件、鋁合金、高分子合成材料等。為了保證工件加工水平，技術(shù)人員要確保所設(shè)計的五軸聯(lián)動機(jī)床具有移動速度快、動態(tài)精度高等特征[2]。高性能五軸聯(lián)動機(jī)床技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 高性能五軸聯(lián)動機(jī)床技術(shù)參數(shù)

1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

五軸聯(lián)動機(jī)床主要用于對結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的加工，如汽車零件、航空飛機(jī)零件模具零件等。因此，要確保所設(shè)計的五軸聯(lián)動機(jī)床一定要符合低速重切需求和高速輕切需求。同時，該機(jī)床具有性能良好、高準(zhǔn)確性、強靈活性、高可靠性等高性能特征[3]，HU900型機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的序號1代表X、Y軸床身，其存在形式類似于T字狀，該床身在具體的設(shè)計中，主要采用鑄造的方式，以達(dá)到提高機(jī)床剛度和強度的目的。序號2代表立柱，與絲桿、電機(jī)座進(jìn)行有效地結(jié)合，從而形成龐大的鑄造結(jié)構(gòu)。序號3代表Z軸滑枕，在設(shè)計Z軸滑的過程中，需要將其與銑頭進(jìn)行充分結(jié)合，確保Z軸滑與銑頭能夠進(jìn)行有效地連接，避免因連接不牢固而影響整體機(jī)床的剛性。同時，銑頭B軸的度數(shù)為45度，為該機(jī)床快速轉(zhuǎn)換提供相應(yīng)的便利，從而進(jìn)一步提高加工刀的最大承受力[4]。序號4代表電主軸，該主軸被安裝和固定在主軸箱體的內(nèi)部。序號5代表轉(zhuǎn)臺座，該臺座在具體的移動中，以Y軸為方向，進(jìn)行水平移動。6代表旋轉(zhuǎn)臺，被作為“C軸”。序號7代表伺服電機(jī)，序號8代表滾珠絲杠，序號9代表電機(jī)座，序號10代表絲桿軸承。為了進(jìn)一步拓展五軸聯(lián)動機(jī)床的使用范圍，滿足切削相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，在進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的過程中，技術(shù)人員要以三維坐標(biāo)的方式，沿著直線進(jìn)行移動，同時，還要利用旋轉(zhuǎn)軸[5]，將圓柱推移到相應(yīng)的位置，只有這樣，才能提高旋轉(zhuǎn)軸的最大承受力，為進(jìn)一步提高該機(jī)床的旋轉(zhuǎn)精度打下堅實的基礎(chǔ)。另外，該機(jī)床在實際的移動中，盡量不要將主要的受力部位與螺釘進(jìn)行裝配連接，從而提高五軸聯(lián)動機(jī)床的剛性[5]。

圖1 HU900型機(jī)床的結(jié)構(gòu)

1.4 傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳動結(jié)構(gòu)在具體的設(shè)計中，需要技術(shù)人員根據(jù)五軸聯(lián)動機(jī)床的特征，采用三直線設(shè)計方式，利用直聯(lián)傳動設(shè)備，將絲杠科學(xué)安裝和固定于該機(jī)床內(nèi)部，同時，利用雙螺母絲桿，不斷地提高該機(jī)床的預(yù)應(yīng)力，確保五軸聯(lián)動機(jī)床的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，為有效地縮小主軸轉(zhuǎn)動的空隙，延長五軸聯(lián)動機(jī)床的使用壽命打下堅實的基礎(chǔ)。B/C旋轉(zhuǎn)軸作為五軸聯(lián)動機(jī)床的主要功能部件，在具體的設(shè)計中，要嚴(yán)格按照相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求，提高扭矩的最大承載力，確保該機(jī)床具有高精度、高靈活性和高轉(zhuǎn)速的目的[6]。另外，在選用蝸桿傳動方式期間，要在綜合考慮傳遞速度的基礎(chǔ)上，盡可能提高五軸聯(lián)動機(jī)床的精度和運行性能。主軸作為五軸聯(lián)動機(jī)床的主要部件，在具體的設(shè)計中，主要采用了異步主軸的方式，提高五軸聯(lián)動機(jī)床加工的匹配度，為進(jìn)一步提升零件的加工效率和效果創(chuàng)造良好的條件。在設(shè)計電機(jī)期間，技術(shù)人員要優(yōu)先選用轉(zhuǎn)子電機(jī)，這是因為轉(zhuǎn)子電機(jī)具有功率高、性能良好等特征，同時，還要采用前端固定的方式，將球角與軸承進(jìn)行有效地連接，確保五軸聯(lián)動機(jī)床能夠可靠、穩(wěn)定、安全地運行。為了進(jìn)一步提高傳功結(jié)果的設(shè)計水平，技術(shù)人員還要采用構(gòu)建有限元模型的方式，對主軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷修改、優(yōu)化和完善，移動到提高主軸剛性和硬度的目的。通常情況下，主軸在實際的工作中，往往會散發(fā)出大量的熱量，為此，技術(shù)人員要利用冷卻設(shè)備，幫助主軸快速散熱，避免因主軸溫度過高而縮短五軸聯(lián)動機(jī)床的使用壽命，同時，主軸在實際的加工過程中，其內(nèi)部含有大量切削液，這些液體很容易進(jìn)入到主軸旋轉(zhuǎn)間隙中，導(dǎo)致電機(jī)被污染或者燒毀[7]，因此，為了從根本上解決以上問題，技術(shù)人員要采用氣密封的方式，對主軸旋轉(zhuǎn)間隙進(jìn)行密封，避免因其他異物進(jìn)入到主軸旋轉(zhuǎn)間隙內(nèi)而影響電機(jī)的使用壽命，只有這樣，才能進(jìn)一步提高主軸的可靠性和穩(wěn)定性。

2 高性能五軸聯(lián)動機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了進(jìn)一步提升高性能五軸聯(lián)動機(jī)床運行性能，技術(shù)人員要從以下兩個方面入手，加強對該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)軟件的科學(xué)設(shè)計。（1）HMI界面設(shè)計。HMI界面為用戶更好地登錄和訪問機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)提供了相應(yīng)的入口，因此，技術(shù)人員要重視對界面的科學(xué)設(shè)計，首先，將五軸聯(lián)動參數(shù)信息和激活信息設(shè)置在HMI界面中，然后，通過執(zhí)行NC程序，對機(jī)床的加工方式進(jìn)行檢查，盡可能降低機(jī)床撞刀風(fēng)險，同時，還要在HMI界面上設(shè)置相應(yīng)的功能按鍵，便于用戶更好地人機(jī)交互。（2）機(jī)床功能軟件開發(fā)。在這一環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員要根據(jù)機(jī)床的運行需求，設(shè)計和開發(fā)自動校驗功能模塊，滿足用戶的自動化控制機(jī)床需求，同時，還要設(shè)計機(jī)床自動恢復(fù)功能，便于用戶利用系統(tǒng)對五軸聯(lián)動機(jī)床性能進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高高性能五軸聯(lián)動機(jī)床使用效率的目的。

3 高性能五軸聯(lián)動機(jī)床的具體應(yīng)用

為了更好地驗證高性能五軸聯(lián)動機(jī)床的有效性和可靠性，技術(shù)人員要將該機(jī)床應(yīng)用于制造產(chǎn)業(yè)中，對該機(jī)床的功能進(jìn)行一一驗證，避免因部分功能不完善而影響整體機(jī)床的運行性能。首先，技術(shù)人員要在將銑頭設(shè)置在該機(jī)床內(nèi)，在保證工件區(qū)域設(shè)置合理的條件下，對高性能五軸聯(lián)動進(jìn)行激活處理，確保銑頭能夠自由、靈活地移動和旋轉(zhuǎn)。同時，當(dāng)該機(jī)床主軸成功抓取一把刀后，可以根據(jù)刀頭的尺寸，精確地計算出銑頭的旋轉(zhuǎn)半徑，當(dāng)?shù)赖拈L度超過200mm時，該機(jī)床會發(fā)出報警聲，警惕操作人員有撞刀風(fēng)險。由此可見，該機(jī)床的具有較高的安全性和可靠性，能夠?qū)踩L(fēng)險降到最低。五軸聯(lián)動機(jī)床在實際運行中，為了更好地驗證該機(jī)床的運行性能，技術(shù)人員要同時按下兩個軟鍵，分別是“HOME”軟鍵和“BACK”軟鍵，此時，系統(tǒng)會彈出文本框，文本框會顯示以下提示信息：“是否需要執(zhí)行回退命令”，此時，該機(jī)床仍然執(zhí)行加工程序，當(dāng)操作人員按下“YES”鍵后，該機(jī)床停止執(zhí)行加工程序，由此可見，高性能五軸聯(lián)動機(jī)床在實際的運行中，能夠高效地處理大切削問題，同時，還能保證零件加工的精密性和穩(wěn)定性，將撞刀風(fēng)險降到最低，確保操作人員的人身安全。此外，零件加工表面比較平整和光滑，符合加工相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。此外，通過利用三維坐標(biāo)測量方式，可以提高該機(jī)床動態(tài)性，為進(jìn)一步保證機(jī)床的穩(wěn)定性、可靠性和安全性發(fā)揮出重要作用[7]。因此，本文所設(shè)計的高性能五軸聯(lián)動機(jī)床功能完善，實用性強，為用戶帶來良好的使用體驗[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，為了進(jìn)一步提高五軸聯(lián)動機(jī)床的運行性能，技術(shù)人員要針對該機(jī)床特點，設(shè)計具有剛性強的銑頭，同時，還要將銑頭的度數(shù)設(shè)置為45度，此外，還要強化對機(jī)床系統(tǒng)軟件的設(shè)計和應(yīng)用，保證五軸聯(lián)動機(jī)床功能完善性和實用性，從而不斷提高該機(jī)床的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。只有這樣，才能設(shè)計出符合進(jìn)口機(jī)床水平的五軸聯(lián)動機(jī)床，為后期更好地推廣和普及五軸聯(lián)動機(jī)床產(chǎn)生積極的影響。