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高性能五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用分析

2021-5-14 來(lái)源：重慶理工大學(xué) 作者：張雄

摘要：本文就我國(guó)自主研究的高性能五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，主要有五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分以及機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，以為今后此方面的開(kāi)發(fā)和研究積累一些經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：高性能；五軸聯(lián)動(dòng)；機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)應(yīng)用

0 引言

最近幾年，我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)制造技術(shù)呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢(shì)，其中五軸聯(lián)動(dòng)加工中是重點(diǎn)產(chǎn)品。為打破數(shù)控機(jī)床高端市場(chǎng)被歐美日等國(guó)占據(jù)的局面，加強(qiáng)高性能的五軸聯(lián)機(jī)床加工中心是主要的出路。為此，我國(guó)很多開(kāi)發(fā)研究人員致力于高性能數(shù)控機(jī)床的研究，尤其在高可靠性、高精度、高速度的機(jī)床設(shè)備的研究上，更是付出非常大的努力。而想要開(kāi)發(fā)制造高精尖的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床設(shè)備，不但需要吸收國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)，更應(yīng)該潛心研究基本結(jié)構(gòu)以及工藝設(shè)計(jì)，這樣才能打造出屬于我國(guó)自己的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床設(shè)備。

1、五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)

1.1 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床簡(jiǎn)述

此次研究的主要對(duì)象是高性能的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，型號(hào)為 HU900，此機(jī)床的核心功能部件的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，以數(shù)控系統(tǒng)的后臺(tái)程序進(jìn)行了研究，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出不同種類的功能應(yīng)用包。此設(shè)備最為突出的特點(diǎn)則是高剛性、高精度、高可靠性，具備防錯(cuò)誤操作的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 主要的參數(shù)

此次研究的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床以 B+C 結(jié)構(gòu)為主，也就是旋轉(zhuǎn)臺(tái)融合旋轉(zhuǎn)銑頭。此設(shè)備可加工的范圍是小于 1 米尺寸的工件，并且保證加工通用性，加工對(duì)象的材質(zhì)可以是硬質(zhì)鑄鐵件，可以是硬質(zhì)鋼件，還可以加工輕質(zhì)鋁合金，甚至是高分子合成材料。這就對(duì)于主軸以及機(jī)床各個(gè)軸體的移動(dòng)速度以及動(dòng)態(tài)精度，提出非常高的標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)床主要的參數(shù)可見(jiàn)表 1。

表 1 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的技術(shù)參數(shù)

1.3 結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

此五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床設(shè)備主要用來(lái)加工非常復(fù)雜的零件，像汽車零部件、精密模具、航空結(jié)構(gòu)件等等，為此本機(jī)床一定要能適應(yīng)大力低速的重切削，還必須適應(yīng)高速的輕切削，機(jī)床的綜合性能良好，有著高精度、高速、高可靠性和高剛性。如果是不移動(dòng)的部件，一般以整體結(jié)構(gòu)的方式存在；而移動(dòng)的部件則應(yīng)當(dāng)確保剛性，同時(shí)盡量的輕量化，整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1。

圖 1 HU900 型機(jī)床的結(jié)構(gòu)

1、X、Y 軸床身；2、立柱；3、Z 軸滑枕；4、電主軸；5、轉(zhuǎn)臺(tái)座；6、旋

轉(zhuǎn)臺(tái)；7、伺服電機(jī)；8、滾珠絲杠；9 電機(jī)座；10、絲桿軸承.

詳細(xì)結(jié)構(gòu)：圖 1 中的 1 號(hào)部分是 X、Y 軸床身，以 T 字形式存在，采用整體鑄造的方式，這樣能保證機(jī)床基礎(chǔ)剛性，并且 X、Y 軸傳動(dòng)的 10 號(hào)位置的絲桿軸承座和 9 號(hào)位置的電機(jī)座，與床身鑄為一體；2 號(hào)部分的立柱，與絲桿軸承和電機(jī)座也是整體鑄造；3 號(hào)部分的 Z 軸滑枕與銑頭為一體鑄造，這樣就能避免滑枕同銑頭連接裝配過(guò)程中剛性不夠問(wèn)題發(fā)生，銑頭的 B 軸保持 45°，B 軸回轉(zhuǎn)軸線以及X/Z 移動(dòng)軸構(gòu)成平面之間呈現(xiàn)為 45°的夾角，這樣就能為機(jī)床的臥式轉(zhuǎn)換提供方便，強(qiáng)化了加工刀的受力支撐；4號(hào)部分是電主軸，被裝到銑頭的主軸箱中；5 號(hào)位置是轉(zhuǎn)臺(tái)座，以 Y 軸導(dǎo)軌為基礎(chǔ)進(jìn)行移動(dòng)；6 號(hào)位置則是旋轉(zhuǎn)臺(tái)，將其作為 C 軸；7 號(hào)位置是伺服電機(jī)；8 號(hào)位置是滾珠絲杠；9 號(hào)位置是電機(jī)座；10 號(hào)位置是絲桿軸承。

為讓機(jī)床設(shè)備適用范圍更廣，滿足高速度、大切削力、大承重的要求，其 X/Y/Z 直線的移動(dòng)以高精度的中載線軌進(jìn)行；并且 BC 旋轉(zhuǎn)軸以推力向心圓柱滾子軸承為主，這樣能確保 BC 旋轉(zhuǎn)軸可以接受到最大承載力，并且有著很高的旋轉(zhuǎn)精度。此機(jī)床在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，涉及到的主要受力部分盡量不使用螺釘進(jìn)行連接裝配，這樣才能保證機(jī)床剛性很好，而后以有限元模擬進(jìn)行受力分析，確定出各個(gè)部件結(jié)構(gòu)以及尺寸。

1.4 傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)

從圖 1 中可以看出，X/Y/Z 的直線軸中，7 號(hào)位置和 8號(hào)位置的伺服電機(jī)和滾珠絲杠，以聯(lián)軸器進(jìn)行連接傳動(dòng)，安裝絲杠的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)做預(yù)拉緊的處理，使用雙螺母絲杠，才能有更大的預(yù)緊力，這樣能很好地減小軸移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的反向間隙，進(jìn)而延長(zhǎng)此部分的使用壽命。

另外，核心功能的部件就是 BC 旋轉(zhuǎn)軸，最終確定使用雙齒輪的消隙傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)為耐磨和精度高，從而能實(shí)現(xiàn)大扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)，大大提升了 BC 軸在運(yùn)行時(shí)的可靠性。如果使用渦輪桿傳動(dòng)，可能會(huì)存在一些問(wèn)題，其一為傳遞速度有限制，其二則會(huì)加速磨損，如果進(jìn)行插補(bǔ)，其精度以及壽命都不能得到良好保障。另外，如果使用直驅(qū)電機(jī)，也存在一些缺點(diǎn)，發(fā)熱量過(guò)大、扭矩受到限制。

還有就是主軸部分，運(yùn)用異步電主軸，作為核心的部件，整個(gè)設(shè)計(jì)的要求：可實(shí)現(xiàn)較大扭矩的轉(zhuǎn)動(dòng)、高精度、高轉(zhuǎn)速，這樣才會(huì)同機(jī)床加工使用對(duì)象的加工范圍相匹配。電機(jī)采用了功率非常高的銅轉(zhuǎn)子電機(jī)，在前端有 2 片陶瓷球角的接觸軸承，并且固定存在；而在后端也有 2 片陶瓷求球角的接觸軸承，但是卻能進(jìn)行有限的軸向移動(dòng)，如果主軸出現(xiàn)熱伸長(zhǎng)的問(wèn)題，就能通過(guò)后端軸承朝著后方向的移動(dòng)進(jìn)行抵消。

運(yùn)用了有限元建模的方式，對(duì)主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可大大提升主軸剛性。機(jī)床實(shí)際運(yùn)行中，主軸會(huì)有大量熱產(chǎn)生，為此配備專門的恒溫冷卻系統(tǒng)，可幫助主軸散熱；將溫度傳感器埋設(shè)在主軸的附近，可實(shí)時(shí)地監(jiān)控著軸承溫度。機(jī)床主軸運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)有很多切削液流出，可能進(jìn)到主軸旋轉(zhuǎn)縫隙里面，污染到軸承，還可能燒毀電機(jī)，為解決此問(wèn)題，設(shè)計(jì)出迷宮形式的氣密封在主軸前端縫隙部分，可避免任何異物進(jìn)到主軸的內(nèi)部，讓主軸可靠性大大提升。

2、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分

此機(jī)床設(shè)備運(yùn)用西門子的 840D SL 系統(tǒng)，為 PC 集成的數(shù)控結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)通訊模塊與不同控制器的集成，進(jìn)而讓這些部分同一在一個(gè)數(shù)控單元 NCU 之中，為此功能非常強(qiáng)大和完善，采用分布式的連接，有著模塊化的架構(gòu)，靈活的配置，為此可實(shí)現(xiàn)多軸系統(tǒng)的配置。此數(shù)控單元是 NCU 的 720.3 的版本，本身帶有工業(yè)以太網(wǎng)，能夠連接手輪、機(jī)床操作面板 MCP 以及計(jì)算機(jī)單元 TCU。因?yàn)?TCU 沒(méi)有系統(tǒng)軟件，也就是一種無(wú)盤的終端，可借助網(wǎng)絡(luò)連接到 NCU，然后裝載對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)。本五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床需要的軟件包，應(yīng)當(dāng)獲取出口的授權(quán)，然后存儲(chǔ)到 CF 卡里面。在 NCU 單元中 X132.11 以及 X122.11的口，僅用在探頭測(cè)量信號(hào)的接入部分，X132.10、X132.7、X132.4 和 X132.1，用來(lái)快速地進(jìn)行 I/O 類信號(hào)的接入，并且有相應(yīng)的變量，而這些變量能夠從 NC 程序中直接調(diào)用。并在 NCU 的內(nèi)部，設(shè)置 PCL，其能以Profi BUS 的通訊總線以及各個(gè)外部的 IO 站點(diǎn)模塊進(jìn)行連接，還能連接模擬軸驅(qū)動(dòng)模塊。此機(jī)床設(shè)備的 XY 軸和BC 兩軸均采用了雙電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，而 Z 軸和主軸則運(yùn)用了獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，以 Drive-CLIQ 接口分布式的方式與 NCU 單元進(jìn)行連接。

3 、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

3.1 HMI 界面

本機(jī)床選用的數(shù)控系統(tǒng)是可自行設(shè)計(jì)參數(shù)的系統(tǒng)，這就能讓研究人員對(duì)應(yīng)用程序軟件進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)。為此HMI 界面設(shè)計(jì)具有一定開(kāi)放性，可以將不同應(yīng)用放在同個(gè)界面中，這樣后期操作人員操作起來(lái)比較方便。HMI 界面可以激活五軸聯(lián)動(dòng)以及設(shè)置參數(shù)，還可以預(yù)先檢查 NC 程序中刀具路徑以及加工方式，進(jìn)而防止機(jī)床加工的撞機(jī)問(wèn)題。因?yàn)槲遢S聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)雜性，出現(xiàn)撞機(jī)問(wèn)題的可能性非常大，為此一定能具備防撞機(jī)的程序；可在 HMI 界面設(shè)計(jì)功能按鈕，用戶就能輕松調(diào)用程序。

3.2 功能軟件

第一，保證銑頭的安全，需要在后臺(tái)中，設(shè)置銑頭旋轉(zhuǎn)安全范圍，判斷條件包含刀長(zhǎng)變量，只要機(jī)床工作，安全范圍就存在，這樣能避免銑頭與機(jī)床鈑金、工件的撞擊。

第二，設(shè)計(jì)一鍵回退的功能程序，可處理空間角度的加工時(shí)，機(jī)床斷電或者程序中斷時(shí)刀具在工件之中難以抽出的問(wèn)題，程序激活鍵設(shè)置為“HOME BACK”，放到 HMI界面上，可隨時(shí)按下此鍵，就能讓系統(tǒng)進(jìn)到對(duì)話的模式，獲取相應(yīng)參數(shù)信息，機(jī)床可沿著刀具軸進(jìn)行回退，進(jìn)入到安全區(qū)域。

第三，機(jī)床自動(dòng)校準(zhǔn)的功能程序，用戶啟動(dòng)該功能，機(jī)床可自行恢復(fù)機(jī)床的精度，這樣就能提高加工效率和準(zhǔn)確度，不必找到設(shè)備廠家，就能解決加工準(zhǔn)度的問(wèn)題。

4、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為保證機(jī)床的剛性，有一部分結(jié)構(gòu)需要以整體鑄造的方式存在；而機(jī)床的應(yīng)用系統(tǒng)需要以高質(zhì)量的母系統(tǒng)為基礎(chǔ)，其中無(wú)盤終端最合適，這就能供研究人員自行設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)，以方便操作者的操作。

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