高性能五軸聯動機床結構設計及其應用探討

孫造，王盟，李金鳳，唐倩

（通用技術集團大連機床有限責任公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

最近幾年，隨著社會經濟水平的不斷提高和信息時代的不斷發展，高性能五軸聯動機床應運而生，該機床具有準確性高、安全性高、剛性高等高性能特征，被廣泛地應用于制造產業領域中，為保證作業人員操作的規范性和合理性，提高機床生產的效率和效果發揮出重要作用。因此，如何科學設計和應用高性能五軸聯動機床是技術人員必須思考和解決的問題。

1 高性能五軸聯動機床結構總體設計

1.1 五軸聯動機床簡述

本次所設計的高性能五軸聯動機床具有非常高的應用價值和應用前景，其型號為HU900，通過對該機床內部重要功能的設計和開發，為實現系統的自動化設計打下堅實的基礎。同時，該機床具有功能強大的應用包，應用包所包含的類型多種多樣[1]。總之，五軸聯動機床具有以下特征，分別是剛性強、精度高、安全性高等特征，通過應用該機床很好地避免了作業人員的錯誤操作和不規范操作。

1.2 主要參數

五軸聯動機床結構在具體的設計中，主要選用了B+C結構，這種結構又被稱為“旋轉銑頭結構”，該機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，技術人員要確保所設計的五軸聯動機床具有移動速度快、動態精度高等特征[2]。高性能五軸聯動機床技術參數如表1所示。

表1 高性能五軸聯動機床技術參數

1.3 機械結構總體設計

五軸聯動機床主要用于對結構復雜零件的加工，如汽車零件、航空飛機零件模具零件等。因此，要確保所設計的五軸聯動機床一定要符合低速重切需求和高速輕切需求。同時，該機床具有性能良好、高準確性、強靈活性、高可靠性等高性能特征[3]，HU900型機床的結構如圖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，該床身在具體的設計中，主要采用鑄造的方式，以達到提高機床剛度和強度的目的。序號2代表立柱，與絲桿、電機座進行有效地結合，從而形成龐大的鑄造結構。序號3代表Z軸滑枕，在設計Z軸滑的過程中，需要將其與銑頭進行充分結合，確保Z軸滑與銑頭能夠進行有效地連接，避免因連接不牢固而影響整體機床的剛性。同時，銑頭B軸的度數為45度，為該機床快速轉換提供相應的便利，從而進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部。序號5代表轉臺座，該臺座在具體的移動中，以Y軸為方向，進行水平移動。6代表旋轉臺，被作為“C軸”。序號7代表伺服電機，序號8代表滾珠絲杠，序號9代表電機座，序號10代表絲桿軸承。為了進一步拓展五軸聯動機床的使用范圍，滿足切削相關標準和要求，在進行機床結構總體設計的過程中，技術人員要以三維坐標的方式，沿著直線進行移動，同時，還要利用旋轉軸[5]，將圓柱推移到相應的位置，只有這樣，才能提高旋轉軸的最大承受力，為進一步提高該機床的旋轉精度打下堅實的基礎。另外，該機床在實際的移動中，盡量不要將主要的受力部位與螺釘進行裝配連接，從而提高五軸聯動機床的剛性[5]。

圖1 HU900型機床的結構

1.4 傳動結構設計

傳動結構在具體的設計中，需要技術人員根據五軸聯動機床的特征，采用三直線設計方式，利用直聯傳動設備，將絲杠科學安裝和固定于該機床內部，同時，利用雙螺母絲桿，不斷地提高該機床的預應力，確保五軸聯動機床的穩定性、可靠性和安全性，為有效地縮小主軸轉動的空隙，延長五軸聯動機床的使用壽命打下堅實的基礎。B/C旋轉軸作為五軸聯動機床的主要功能部件，在具體的設計中，要嚴格按照相關設計標準和要求，提高扭矩的最大承載力，確保該機床具有高精度、高靈活性和高轉速的目的[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上，盡可能提高五軸聯動機床的精度和運行性能。主軸作為五軸聯動機床的主要部件，在具體的設計中，主要采用了異步主軸的方式，提高五軸聯動機床加工的匹配度，為進一步提升零件的加工效率和效果創造良好的條件。在設計電機期間，技術人員要優先選用轉子電機，這是因為轉子電機具有功率高、性能良好等特征，同時，還要采用前端固定的方式，將球角與軸承進行有效地連接，確保五軸聯動機床能夠可靠、穩定、安全地運行。為了進一步提高傳功結果的設計水平，技術人員還要采用構建有限元模型的方式，對主軸的結構進行不斷修改、優化和完善，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，往往會散發出大量的熱量，為此，技術人員要利用冷卻設備，幫助主軸快速散熱，避免因主軸溫度過高而縮短五軸聯動機床的使用壽命，同時，主軸在實際的加工過程中，其內部含有大量切削液，這些液體很容易進入到主軸旋轉間隙中，導致電機被污染或者燒毀[7]，因此，為了從根本上解決以上問題，技術人員要采用氣密封的方式，對主軸旋轉間隙進行密封，避免因其他異物進入到主軸旋轉間隙內而影響電機的使用壽命，只有這樣，才能進一步提高主軸的可靠性和穩定性。

2 高性能五軸聯動機床數控系統軟件設計

為了進一步提升高性能五軸聯動機床運行性能，技術人員要從以下兩個方面入手，加強對該機床數控系統軟件的科學設計。（1）HMI界面設計。HMI界面為用戶更好地登錄和訪問機床數控系統提供了相應的入口，因此，技術人員要重視對界面的科學設計，首先，將五軸聯動參數信息和激活信息設置在HMI界面中，然后，通過執行NC程序，對機床的加工方式進行檢查，盡可能降低機床撞刀風險，同時，還要在HMI界面上設置相應的功能按鍵，便于用戶更好地人機交互。（2）機床功能軟件開發。在這一環節中，技術人員要根據機床的運行需求，設計和開發自動校驗功能模塊，滿足用戶的自動化控制機床需求，同時，還要設計機床自動恢復功能，便于用戶利用系統對五軸聯動機床性能進行優化，以達到提高高性能五軸聯動機床使用效率的目的。

3 高性能五軸聯動機床的具體應用

為了更好地驗證高性能五軸聯動機床的有效性和可靠性，技術人員要將該機床應用于制造產業中，對該機床的功能進行一一驗證，避免因部分功能不完善而影響整體機床的運行性能。首先，技術人員要在將銑頭設置在該機床內，在保證工件區域設置合理的條件下，對高性能五軸聯動進行激活處理，確保銑頭能夠自由、靈活地移動和旋轉。同時，當該機床主軸成功抓取一把刀后，可以根據刀頭的尺寸，精確地計算出銑頭的旋轉半徑，當道的長度超過200mm時，該機床會發出報警聲，警惕操作人員有撞刀風險。由此可見，該機床的具有較高的安全性和可靠性，能夠將安全風險降到最低。五軸聯動機床在實際運行中，為了更好地驗證該機床的運行性能，技術人員要同時按下兩個軟鍵，分別是“HOME”軟鍵和“BACK”軟鍵，此時，系統會彈出文本框，文本框會顯示以下提示信息：“是否需要執行回退命令”，此時，該機床仍然執行加工程序，當操作人員按下“YES”鍵后，該機床停止執行加工程序，由此可見，高性能五軸聯動機床在實際的運行中，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定性，將撞刀風險降到最低，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，符合加工相關標準和要求。此外，通過利用三維坐標測量方式，可以提高該機床動態性，為進一步保證機床的穩定性、可靠性和安全性發揮出重要作用[7]。因此，本文所設計的高性能五軸聯動機床功能完善，實用性強，為用戶帶來良好的使用體驗[6]。

4 結語

綜上所述，為了進一步提高五軸聯動機床的運行性能，技術人員要針對該機床特點，設計具有剛性強的銑頭，同時，還要將銑頭的度數設置為45度，此外，還要強化對機床系統軟件的設計和應用，保證五軸聯動機床功能完善性和實用性，從而不斷提高該機床的應用價值和應用前景。只有這樣，才能設計出符合進口機床水平的五軸聯動機床，為后期更好地推廣和普及五軸聯動機床產生積極的影響。