小型五軸聯動機械平臺設計*

梁偉文

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

小型五軸聯動機械平臺設計*

梁偉文

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

文章根據現有的五軸聯動B、C型雙轉臺數控機床結構，設計了一種簡易靈巧的五軸聯動機械平臺．該平臺機械部分主要由X，Y，Z軸方向移動及B，C軸的轉動組成，B，C軸的2旋轉中心線交于C盤中心點，這樣簡化了坐標變換．這種設計不僅能實現同類五軸數控機床一次裝夾條件下的多面加工，還可用于多軸聯動示教和激光空間切割等．

五軸聯動；B/C型；機械平臺；設計數控技術

數控技術是機械、電子、計算機及自動控制等技術有機結合的一門技術，已廣泛應用于機械制造領域，使制造技術向高速化、自動化、高精化、集成化、智能化、網絡化方向發展，使機械產品在性能上向高精度、高效率、高性能、智能化方向發展，在功能上向小型化、輕型化、多功能方向發展，在層次上向系統化、復合集成化方向發展[1,2]．專家預言，未來制造業的競爭在很大程度上是數控技術的競爭．為此，世界各國都在抓緊研究制訂開放式商性能數控系統平臺的標準及其規范，并進行相關產品的開發，如美國的NGC，OMAC項目、歐洲的OSACA計劃及日本的OSEC計劃等[3-5]．數控技術是目前高新高精密制造技術的基礎和核心，大力發展五軸聯動數控技術，可使五軸聯動數控機械裝置走向高精度、高效率、高質量、高集成的方向發展[6]．本文根據現有的五軸聯動B、C型雙轉臺數控機床的結構[7]，設計了一種簡易靈巧的小型五軸聯動機械平臺．

1 機械平臺設計

本研究設計的五軸聯動機械平臺方案是雙轉臺B，C軸結構，如圖1所示，旋轉軸偏置為零，即B，C軸的旋轉軸中心線交于C軸盤的中心．該五軸聯動機械平臺運動坐標包括3個移動坐標X，Y，Z和2個旋轉坐標B，C（2個旋轉軸均屬轉臺類，B軸旋轉平面為YZ平面，C軸旋轉平面為XY平面）．該機械平臺的特點在于加工過程中工作臺可以旋轉也可以擺動，但是實際加工工件的尺寸會受轉臺尺寸大小的限制，因此比較適用于加工體積比較小、質量比較輕的工件．因為主軸一直都是處于豎直方向，所以主軸的剛性會相應比較好，因此也適用于加工切削量較大的工件．

圖1 五軸聯動設計方案

整個裝置包含5個主行進軸，分別為X，Y，B，C軸和一個刀具軸Z．機械平臺加工的原理步驟如下：利用B，C軸形式的雙轉臺結構，該機械平臺上的工作臺可以圍繞Y軸回轉，也就是B軸．工作臺的中間存在一個回轉臺可以繞Z軸旋轉，也就是C軸，C軸的工作范圍一圈360°，因此通過旋轉軸B軸與旋轉軸C軸的這種配合，加工的工件裝夾在工作臺上后除了裝夾接觸的那個面之外，剩下的5個面都能通過主軸完全加工．設定B軸和C軸最小分度值后又可以將加工的工件再細分成其它角度，也就可以加工出不水平的面、不水平的孔等，走出空間曲線軌跡．旋轉軸B軸和C軸與直線軸X，Y，Z三者實現聯動后，在數控系統以及伺服系統與相應軟件的支持下，就能夠制造出比較繁雜的空間曲面．這種五 軸聯動機械平臺的優點在于主軸的結構相對比較簡單，因為主軸始終處于豎直狀態，所以主軸的剛性也比較容易保證，總體制作成本相對較低．缺點是工作臺尺寸的設計通常不能太大，其實際的承重也比會相對較小，這些方面配合不好對加工會產生比較大的不良影響．

1.1 主傳動系統設計

該五軸聯動機械平臺的主傳動（即Z軸的旋轉）采用伺服電機直接驅動，這種設計整體結構比較簡單，實際安裝調式時也比較方便，并且在某些條件下可以滿足轉速與轉矩方面的輸出要求．另一方面，很大程度上避免齒輪傳動在加工時引起的振動或噪聲，所以比較適用在低轉矩特性要求的主軸上．但是它也有不足之處，比如系統的調速范圍必須跟所用電機的可調速范圍完全一致，所以會很大程度上受到所用電機可調速范圍的限制．

1.2 進給系統的機械結構設計

五軸聯動機械平臺（如圖2所示）進給設計（即X，Y，Z軸移動）統一采用滾珠絲杠螺母副傳動（如圖3所示）．滾珠絲杠螺母副是一種具有可逆性的結構，能將旋轉運動轉變成直線運動，也能將直線運動轉變成旋轉運動，其傳動效率比較高，可以達到0.92~0.96，滾珠絲杠螺母副所需傳動轉矩小，但是靈敏度比較高，這種結構的傳動比較平穩，實際加工運動時不易產生爬行．

本文設計的機械平臺承載不是很大，因此采用一般的直線導軌就可，如圖3所示．每個方向采用兩根平行導軌，在安裝時要注意平行度就好，這種設計比較通用簡單．一般要求是能使機械平臺上相應的運動部件都是沿著床身部件上的導軌、立柱橫梁等部件上的導軌而運動．導軌的實際用處有2個方面：導向作用、支撐作用．所以導軌的制造精度和精度保持性，對機床加工精度有著尤為重要的影響．在實際選用導軌時應考慮以下問題：必須具備一定的導向精度、要有良好的精度保持性能、本身具有足夠的剛度、要有良好的摩擦性能．因此通常利用導向精度比較高、摩擦系數比較小的滾動導軌．

旋轉軸B，C軸采用雙轉臺結構，如圖4所示．

五軸聯動數控平臺裝配效果，如圖5所示．五軸聯動機械平臺部分參數見表1．

圖2 進給系統機械結構

圖3 X軸方向驅動結構

圖4 B，C軸雙轉臺結構

圖5 裝配效果圖

表1 平臺參數表

2 平臺測試

利用VC++開發了平臺驅動控制程序，進行了相關試驗研究．在進行平臺試驗時，將旋轉軸B和C的交點（C軸旋轉盤上表面中心）設置為數控平臺坐標系的移動軸原點．旋轉軸C的零點與移動軸Y的正方向一致，C軸旋轉角度為0~360°，旋轉軸B的零點設置為轉盤C為水平時，B軸旋轉角度為負-120~+120°，旋轉軸B和C都采用順時針方向為正方向．在試驗過程中，試件材料為100 mm×100 mm×50 mm的方塊材料．根據坐標系設置，C軸旋轉盤上表面中心與試件表面中心垂直距離為50 mm，因此工件坐標系與機床坐標系的偏移（Z向偏移）距離為50 mm．試驗采用試件較為特殊的7點坐標（表2中的P1-P7）給定的刀軸矢量進行測試．將工件坐標系和刀軸矢量數據輸入到數控平臺，經數控平臺伺服驅動后，測得數控平臺坐標系、旋轉軸B和C的角度均與表2的數據相符，表明所研制的數控平臺滿足設計要求，可以實現空間五軸聯動，達到空間運動軌跡的控制要求．該裝置不僅能實現同類五軸數控機床一次裝夾的條件下完成多面加工，如加工葉輪葉片等復雜部件，還可用于多軸聯動示教，也可用于激光空間切割等應用，所以它更適用于中小型企業的個性化產品零件加工．

表2 試驗數據

[1] 廖勇，黃容申．數控機床發展現狀及趨勢[J]．重慶石油高等專科學校學報，2002（1）：8-13．

[2] 彭玉海，白海清，何寧．基于PMAC的數控試驗臺研究與開發[J]．陜西理工學院學報，2008，6（2）：1-3．

[3] 何永紅，齊樂華，趙寶林，等．雙轉臺五軸數控機床后置處理算法研究[J]．制造技術與機床，2006（1）：9-13．

[4] 孟璇，邢玉生，王春．基于PMAC的并行雙CPU開放式數控系統的研究與開發[J]．組合機床與自動化加工技術，2000（10）：28-30．

[5] 周祖德，魏仁選，陳幼平．開放式控制系統的現狀、趨勢及對策[J]．中國機械工程，1999，10（10）：1090-1093．

[6] 唐清春，馬仲亮，劉謙，等．A-C式雙擺頭五軸機床旋轉角的選擇及優化[J]．組合機床與自動化加工技術，2015，3（2）：34-38．

[7] Schellekens P, Rosielle N. Design for Precision: Current Status and Trends[C]. Annals of CIRP, 1998，47（2）：557-584．

Design of Mini Five-axis Mechanical Platform

LIANG Weiwen

（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong, 518055, China）

According to the existing five axis linkage B, C type double rotary table CNC machine tool structure, this paper designed a simple and smart five axis linkage mechanical platform. The platform of mechanical part is mainly composed of X, Y, Z moving direction and B/C rotation axis, B, C axis of the two rotation center coincide, so that the transformation of the coordinates is simplified. This design can achieve the same five axis CNC machine tool with one Clamping, and be used to multi-axis laser cutting.

five-axis linkage; B/C type; mechanical platform; design

TP29

：A

：1672-0318（2017）01-0006-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2017.01.002

2016-09-14

*項目來源：深圳市知識創新計劃資助項目（JCYJ201506301140628）

梁偉文（1974-），男，湖南人，副教授，博士，研究方向為機械CAD/CAM、數控技術．