桌面式五軸六聯動加工中心設計策略分析

羅強 吳小霞 張益維 吳光潔 何晶昌

作者簡介：羅強（1988—），男，副教授，現主要智能制造、機電控制系統設計

摘 要：對五軸加工中心的機構及反饋系統進行分析研究，結合主要適用于高校及職業院校的數控理實一體化實驗演示設備及玉石、實木、工程塑料等小型復雜零件加工設備需求，優選了結構剛度高、觀摩安全性高、適用桌面式構造的結構形式，并重點針對其動態監控反饋系統進行了分析研究。

關鍵詞： 桌面式;五軸六聯動加工中心;結構設計;系統控制

微型機床（Micro Machine Tools—MMT）和微加工（Micro Machining—MM）并不是將傳統加工工藝及裝備微型化，并用于微型零件批量生產的技術;其設備原理及構造、加工工藝與傳統方式有很大的不同[1-2]。因此，在微型機床的系統研究，還有相當長的路要走，其中主要包括：原理及結構、控制系統、與之配套的刀具夾具、產品生產制造工藝等研究。桌面式五軸加工中心就是微型機床的一大體現，因其體積小、慣性質量小、發熱量小，具有能耗低、柔性大、效率高的優點，可以減小微型裝置生產線的全系統尺度規模，既可以節省能源又可以節省制造空間和資源，符合節能、環保的要求，是綠色制造的發展方向之一。

五軸加工中心即在一個機床上有五個坐標軸，而且可在計算機數控（CNC）系統的控制下同時協調運動進行加工，五個坐標軸具體為X軸移動組件，Y軸移動組件，Z軸移動組件，A軸旋轉組件，C軸旋轉組件。目前對于五軸加工中心的研究主要集中在中大型機床上，而對于小型的五軸加工中心的研制較少，由于桌面式微型五軸加工中心對玉石、實木、工程塑料等小型復雜零件加工的巨大優勢，且對于高校及職業院校的數控理實一體化人才培養具有重要意義，并隨著創客的快速發展，桌面式微型五軸加工中心的需求進一步擴大，一批科研院校及科技公司開始了對桌面式五軸加工中心開始了研究探索。

一、關鍵技術

1. 機械結構

市場所需的五軸六聯動加工中心的核心需求即為桌面化、低成本化，因此項目組在分析中大型加工中心的基礎上，結合桌面式五軸六聯動加工中心的核心需求，分析常見的立式、臥式、搖籃式、龍門架式加工中心的結構性能，對比不同結構的優缺點[3]，提出目標導向的桌面式加工中心結構形式。

2. 電控系統和運動控制驅動軟件

項目組深入研究現有加工中心的電控系統，大多數加工中心直接采用工控機+運動控制卡+步進電機的電控架構[4]，本文在以上電控架構基礎上，采用兩電控架構如圖1所示：“工控機+私服電機驅動器+伺服電機”和“工控機+運動控制卡+步進電機+光柵尺”，構建全閉環控制系統，保障桌面式加工中心的加工精度。

運動控制驅動軟件是加工中心的關鍵技術，不同運動控制卡配置了不同的驅動軟件，但經深入研究發現，驅動軟件不同但架構是相同的。利用國外DIY平臺公布的開源驅動軟件，進行簡單的修改，如圖2所示，以滿足自主研制加工中心設備的需求。

二、整體設計規劃

1. 功能要求

要求實現的功能有：（1）結構緊湊，整體體積較小;（2）設備外型便于觀察，且觀察時安全系數高;（3）加工精度有保障，可以滿足一般的文創等小型件的加工。

2. 設計目的

針對文創及教學示范使用的桌面式五軸加工中心仍然不多，市場需求量較大。該市場所需的五軸加工中心的核心需求即為桌面化、低成本化，因此項目組在整體結構設計中，重點針對小型化、桌面化，保證安全性的前提下優化加工中心整體的可視程度，便于教學示范;在保障加工質量的情況下，合理壓縮成本，推廣桌面式五軸六聯動加工中心，助力創客市場發展。

3. 結構模型設計及樣機試制

利用Solidworks三維軟件對多種結構的桌面式五軸加工中心進行了建模設計，對結構模型的運行特性和強度進行了仿真分析。完成的數控加工中心模型如圖3所示。

三、結論

桌面式五軸加工中心主要為適應高校等培訓觀摩學習和創客使用需求，設計制造過程需要嚴格遵循目的導向，盡量降低制造成本、保障使用安全。在完成機械部件設計后，應當設計與之匹配的控制軟件，保障其加工精度。

參考文獻：

[1].斗山機床 DVF5000緊湊型五軸加工中心[J].現代制造，2021（06）：55.

[2]蘭志俊.高性能五軸聯動機床機械結構設計實踐與探索[J].科學技術創新，2022（04）：134-137.

[3]羅海軍.五軸一體式轉臺立式加工中心設計要點分析[J].機械研究與應用，2021，34（03）：76-78.DOI：10.16576/j.cnki.1007-4414.2021.03.020.

[4]王勝曼.一種采用動態補償的五軸機床銑削力預測方法[J].機床與液壓，2022，50（06）：43-47.