基于Solidworks小型五軸數控雕銑機研制

侯柏林

小型五軸數控雕銑機經典設計方法的周期長、成本高，因此應用先進設計方案解決以上問題顯得尤為重要。本文首先探討小型五軸數控雕刻機總體快速設計方案，涉及控制系統、硬件結構以及主要關鍵部件設計等;其次研究應用先進五軸線性插補算法;最后通過Solidworks等軟件進行仿真設計，并通過零件的加工實現設備設計的可行性驗證。

五軸雕銑;線性插補算法;擺動機構;轉臺;驅動機構

產品個性化、多樣化的定制生產已成為先進裝備制造企業的核心競爭力。

文獻[1]針對小型零件如珠寶等特殊行業產品多樣性、曲面形狀復雜性、單一性的要求，提出小型雕銑機的總體設計方案、布局方案、關鍵部件設計方案，。文獻[2]對通過對雕刻機控制系統工作原理及功能需求進行分析，對運動控制器動態鏈接庫的控制系統軟件開發具有一定借鑒意義。

研制一種設計周期較短、成本較低、加工精度較高、多用途等功能的小型五軸數控雕銑機床成為機床生產商的熱門方向。筆者前期設計三坐標數控鉆床并投入實際生產，在快速設計、關鍵部件運動有限元分析、模擬仿真、線性插補的算法、加工精度及加工誤差、裝配誤差等方面進行研究和改善，本文是基于前期研發三坐標數控鉆床的研發基礎，應用有限元分析、力學分析、基于Solidworks仿真技術等方法，對主要部件進行創新性設計和論證。

基于Solidworks等軟件實現對其整體結構進行快速設計和控制系統的接口電路（IO接口）、伺服驅動電路、外設電路 等結構設計，并進行優化設計。

控制系統利用“獨立PC+智能控制卡”結構，通過CNC的一系列的直線或圓弧插補運算，并通過串口輸入至CNC控制單元，然后驅動五個方向（軸）伺服電機運動，完成工件加工。研發過程：繪制機床總體結構圖，根據零件圖設計零件制造工藝，零件加工完成后，進行裝配、調試、總裝;檢驗、優化提高與小批量試產。

電主軸是小型數控雕銑機主要驅動部件、關鍵部件之一。根據銑刀直徑、工作臺進給速度和主軸線速度來確定主軸的轉速、額定功率和轉矩。

小型數控雕銑機擬選用硬質合金銑刀，其最大直徑為10 mm、最小直徑為0.30 mm。

依據以上計算結果及實際需求，選用電主軸型號100XDS24，其主要技術參數如表1所示。

滾珠絲杠是數控機床進給傳動系統的重要部件之一。

其中：轉速=200 r/min;使用壽命=16 000 ，代入（9）得L=64;將P=136.5 N，=64代入（7）式得=573.3 N，依據最大動載荷值和導程P選擇型號SFS1205滾珠絲杠。

伺服電機是數控設備關鍵部件之一，機械功率是伺服電機重要參數指標之一，同時考慮伺服電機負載力矩的折算和加減速力矩的計算、轉速和編碼器分辨率、負載慣量計算，慣量的匹配等因素。根據本設備工作要求選定伺服電機ST系列交流伺服電機130ST-M07730，其具體參數如表2、3所示。

本設計見圖1，采用剛性好的移動式龍門結構，其優勢是工作行程以及經濟成本性較好。

關鍵部件設計包括X/Y/Z/A/C軸五軸驅動機構、導軌、底座、定梁、橫梁、及移動機構、工作平臺、轉盤等，圖2為小型數控雕銑機總體結構。

其工作原理：零件加工時，電主軸帶動刀具做旋轉運動，加上刀具在主軸電機的驅動下做旋轉運動，并通過X軸驅動機構、Y軸驅動機構、Z軸驅動機構、A軸驅動機構、C軸等驅動機構，完成刀具相對于工件的復雜曲線運動從而完成對工件輪廓的加工。

定梁、橫梁的剛性和穩定性要求較高，采用圖2所示的優化結構設計，其特征在于兩平行設置的定梁、與定梁相連的橫梁結構及形式。橫梁、定梁結構設計經過有限元受力分析，表明該結構具有裝配簡單、實用、穩定性好等優點，此外采用鑄造開模小批量生產，成本較低。

本底座設計結構簡單、便于裝配、穩定性好，采用鑄造開模批量生產，吸振性好，成本較低。其具體結構形式：Y軸螺桿與底座固定，Y軸螺桿的一端與Y軸步進電機的輸出軸相連接，Y軸螺桿與Y軸螺母相嚙合，Y軸螺母與工作平臺固定，Y軸步進電機馬達座與底座固定，實現動力輸出。

驅動機構傳動誤差和精度符合國際標準部件。各驅動機構設計如圖3所示，結構設計原理：由主軸、步進電機、絲桿螺母機構的驅動X軸移動部件及主軸刀具運動，實現刀具相對工件的X軸方向進給;Y、Z軸部件分別實現刀具相對于工件的Y軸、Z軸方向進給，A軸由電機帶動一對50：1的蝸輪蝸桿帶動工作臺繞X軸的擺動，擺動機構通過工作平臺安裝在底座。

圖4所示為轉臺機構設計圖，其功能是利用伺服電機2帶動轉臺1裝夾工件并完成A軸擺動和C軸的支撐作用。擺動機構、工作平臺、底座相聯接，渦輪箱3裝配于工作平臺4，渦輪箱有蝸輪蝸桿聯接，C軸電機帶動并實現繞Z軸旋轉。

小型數控雕銑機采用PC機的串口與電氣控制接口聯接方式，實現五軸數控雕銑加工機床的主運動以及X、Y、Z、A、C五個方向的運動。

本機床的接口電路設計是雕銑機的中樞神經系統，基于外部輸入信號與步進電機控制以及機床輔助功能動作相一致，經過樣機現場測試，工作可靠性好，性能達到預期效果。

五軸聯動一般是指X、Y、Z、A、B、C中任意五個獨立坐標軸的線性插補運動，本設計雕銑機是以X、Y、Z、A、C軸的五軸為研究對象，圖5為五軸聯動設計圖，其中X，Y，Z為移動軸，A，C分別為繞X和Z的轉動軸。

本設備涉及數控線性插補，采用時間分割法插補，基于其先進性、簡便性、適應性的特點，其核心是依據進給速度和插補周期推算出在一個插補周期的各軸進給增量，進而插補點計算，各軸進給增量的計算公式為：

設五軸線性插補始點為 （X、Y、Z、A、C）終點為P（X、Y、Z、A、C），進給率為，插補周期為T。鑒于線性插補和角度插補的系數區別，五軸的合成插補位移不是三維空間的軌跡位移，而是虛擬擬合三維位移。因此插補位移數值推算利用長度和角度之間的關聯系數與角度關系推導計算。

研制過程中，為驗證設備運動可靠性、可行性等指標，基于Solidworks軟件完成建模、運動分析環境、系統參數、結構干涉、虛擬設備運動及有限元等進行實驗仿真，通過對粗、精加工工序的仿真，解決了機床各運動部件的干涉問題，大大提高了數控編程的效率，提高雕銑機加工仿真精度。

本設備采用的數控控制軟件系統為Mach3 CNC控制軟件，Mach3 CNC控制軟件是由美國ArtSoft公司開發的由Windows為平臺的數控軟件，，具有開放性、性能穩定、價格低廉等特點。其次，設備總裝后進行實際產品的小批量試產、檢驗、優化提高等一系列過程，其產品經過客戶檢測質量合格，圖6為樣機研制原型機，設備整體運行水平達到同類設備的先進行列。

本設計具有結構簡單、體積小、裝卸和維護方便，成本低廉、實用性強、安全系數高等優點，主要創新點：（1）在主軸設計上采用具有結構緊湊、重量輕、慣性小、噪聲低、響應快等優點的電主軸結構，以實現轉速高、功率大等功能。（2）采用剛性較好的移動式龍門結構，有利于提高設備動作的穩定性、減振性及加工精度等。主要部件優化、創新設計，通過產品加工檢驗后，其加工的精度及穩定性好。另外通過采用疊加組合式模式進行機械部件的裝配，如裝配部分零件進行磨削等調試、檢測相關誤差和精度，減少裝配誤差。（3）數控插補原理及計算方法的應用。

實踐表明，該設備方案的應用能降低設計時間、提高性價比，為客戶提升產品質量、改進生產率、控制產品成本提供了有效手段。通過多方面的創新及實際生產應用，證明其在小型零件加工中具有重要實用價值。

[1]陳秋亮.新型五軸聯動數控機床關鍵部件的結構設計與優化[D].揚州：揚州大學，2013.

[2]羅奇亮.數控雕刻機控制系統研究及實現[D].西安：西安工業大學，2010.

[3]徐銘，徐莉萍，張正義.基于PC的教學型數控雕刻機實驗系統開發[J].機床與液壓，2009（1）：151-153.

[4]孫智杰，高玉龍，騰一寧.微型三坐標數控銑床的設計[J].山東理工大學學報（自然科學版），2008（11）：72-74.

[5]王黨利，寧生科，馬保吉.基于MACH數控軟件的三維雕刻機結構設計與實現[J].機械與電子，2010（8）：27-30.

The classic design method of small five-axis CNC engraving and milling machine has long cycle and high cost. This paper first discusses the overall rapid design scheme of small five-axis CNC engraving machine， which involves the design of control system， hardware structure and main key components. Secondly， the advanced five-axis interpolation algorithm is studied and applied. Finally， the simulation design is carried out through Solidworks and other software， and the feasibility of equipment design is verified through the processing of parts.

five axis carved milling; ?interpolation algorithm; tilting mechanism; turntable; driving mechanism