基于UG的教學型五軸聯動數控銑床的機械結構設計

曹川川　郭鵬遠　楊大奎

摘要：旨在降低中小型企業和大專院校五軸聯動數控機床成本、促進五軸數控技術應用型人才的培養，設計了一臺基于UG的教學型五軸聯動數控銑床。基于模塊化設計思想，完成了機架結構設計、主軸結構設計、XYZ軸機械設計、搖籃機構（AC軸）設計，UG的運動模擬用于分析其結構的可行性。成功研制了一臺樣機應用于數控機床實驗教學，滿足高校師生的需求，通過本機床的學習，可提高學生的動手實踐能力，鞏固學生學過的知識，對高校的實驗教學甚有幫助。

關鍵詞：UG;教學;五軸;銑床

Abstract： This paper aims to reduce the cost of small and medium-sized enterprises and school five-axis linkage CNC machine tools， promote the training of five-axis CNC technology application talents， and design a five-axis linkage CNC milling machine based on UG. Based on the modular design idea， the frame structure design， spindle structure design， XYZ axis mechanical design and cradle mechanism （AC axis） design were completed. The motion simulation of UG was used to analyze the feasibility of its structure. Successfully developed a prototype machine for the experimental teaching of CNC machine tools to meet the needs of teachers and students in colleges and universities. Through the study of this machine tool， it can improve students' hands-on practical ability， consolidate the knowledge that students have learned， and is very helpful to the experimental teaching of colleges and universities.

Keywords： UG; teaching; five-axes; milling machine

為了降低中小型企業和學校五軸聯動數控機床成本、推動五軸數控技術應用型人才的培養，開發了一種教學五軸聯動數控銑床[1]。采用MACH3運動控制卡+平板電腦為控制主體，模塊化搭建雙回轉臺五軸聯動數控銑床的硬件結構;利用三維軟件（UG）建立機床模型和工件模型，并導入VERICUT軟件，完成機床在VERICUT中的虛擬建模[2];將CAE/CAM軟件后置處理生成的五軸加工程序導入VERICUT建立的機床模型中進行加工仿真實驗[3]，實現刀具軌跡及G代碼優化，驗證正確后的程序導入五軸聯動數控銑床中進行實際加工。 通過我們的努力，將大型五軸聯動數控銑床微型化后搬進實驗室或車間，讓更多的學員更好地掌握五軸聯動數控銑床的加工原理與機床結構，方便于教員教學和科研。

1機械結構的三維設計

1.1技術需求

（1）主軸在較低速的情況下要求能夠對工件進行銑削處理并能夠保證較高的加工精度，在高速銑削的加工中保證工件表面的質量，于是將主軸電機的轉速范圍定在1000～24 000 r/min。

（2）銑床的五軸應能實現快速的移動的要求，設定快速進給速度為5300 r/min，在加工工件時的進給速度為1700 r/min。

（3）保證工件的各項精度，其主要的技術參數如下：

①主軸錐孔徑向跳動：0.003 mm;

②軸頸徑向跳動：0.003 mm;

③軸向竄動：0.012 mm;

④定位精度：0.023 mm。

（4）由于是教學用的五軸聯動數控銑床，在設計開始就是加工一些強度和剛度較小并且尺寸較小的零件，于是選用四角卡盤來做工件的夾持裝置以及工作臺，夾持工件的公稱直徑60 mm，三向進給的有效導程是X×Y×Z：420 mm×420 mm×240 mm。

1.2機械結構的設計流程

五軸聯動數控銑床的機械結構設計流程如圖1所示：①總體方案設計;②實體建模;③裝配、單軸運動分析和設計修改[4];④多軸聯動運動模擬，檢查干擾，觀察運動軌跡，有干擾時修改設計方案[4];⑤裝配和運動準確無誤時，再對其薄弱機構環節進行分析并修改薄弱機構，直至完成最終設計。

通常我們設計一款機床首先要保證的就是其在加工過程當中必須保證床體有足夠的剛性，因此，銑床結構要根據以下原則進行設計。①最好是對稱設計，這樣可以使整體結構有較小的彎曲力矩;②懸臂式的機械結構伸出不可以太長，要盡可能的短;③盡可能縮短刀具到達工件的行程，以減少在機械加工中不必要的空行程的運動時間;④考慮加工工藝和加工設備，成本及裝配工藝等。整體結構如圖2所示。我們設計的銑床的整體結構是接近正方體的，最初需要的銑床機架的尺寸為1000 mm×1000 mm×1000 mm，采用鋁合金型材搭建銑床的機架，設計成一個正方體的結構。

在五軸聯動數控銑床的轉軸設計中，有兩個轉軸是分開設計的，其中一個轉軸設計在主軸上，另外一個設計在滑臺上。也有的兩個轉軸都是設計在主軸上面，其優點是所占空間少，但是難度大，考慮因素較多。在這里我們所設計的轉軸機構是搖籃式的機械結構，考慮到由于此銑床的整體結構是正方體的，為了實現結構緊湊和加工中的穩定性，將轉軸機構設計成搖籃式的結構，結構形狀如圖3所示。

機械加工是機械生產中最重要的部分。在現有機械設備的條件下，運用學校實驗室的數控加工中心以及數控車床等機械設備，對五軸聯動數控銑床的三向進給系統的底板以及固定步進電機的固定板進行加工，加工完成后，按照機械裝配圖進行裝配。加工零件及裝配圖如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

本文旨在降低中小型企業和大專院校五軸聯動數控機床成本，促進五軸數控技術應用型人才的培養，成功開發了基于UG的教學型五軸聯動數控銑床原型樣機。將大型五軸聯動數控銑床微型化后搬進實驗室，讓更多學生更好地掌握五軸聯動數控銑床的加工原理與機床結構[5]，

教學經濟型五軸聯動數控銑床擁有自主知識產權，兩項實用新型專利、一項發明專利;學生創辦重慶志飛智能科技有限責任公司，取得重慶市璧山區第二屆創新創業大賽三等獎1項。

[1]宋嚴科.微型數控銑床及嵌入式數控系統研究[D].淄博：山東理工大學，2017.

[2]姜雨. 工作臺回轉式五軸數控機床虛擬樣機建模與數控仿真[J].機床與液壓2007（8）：132-135.

[3]徐汝鋒.非正交擺頭轉臺類五軸數控機床后置處理方法[J].組合機床與自動化加工技術，2015（12）：23-26.

[4]吳云忠.五軸聯動數控銑床雙轉臺進給系統設計與仿真[J].制造業自動化，2015（12）：153-156.

[5]嚴浩 .教學用五軸聯動數控銑床原理樣機設計與研究[D].上海：東華大學，2015.（05）