高性能五轴联动机床结构设计与系统应用分析

高性能五轴联动机床结构设计与系统应用分析

姜楠

沈阳机床（集团）有限责任公司 辽宁省沈阳市 110000

摘要：本文针对我们国家自主进行研发的高性能五轴联动机床在结构设计以及系统上的应用进行相关分析和总结。它其中包含了五轴联动机床其整体的结构，机床数控系统自身的硬件部分和机床数控系统实际的应用软件，并且积累了很多开发以及研究的相关经验。

关键字：性能；五轴联动；机床；结构；系统

前言

机床是当前机械加工产业所不能够缺少的一种设备，在某些意义上来讲其代表了一个国家当前的机械制造业水平上的高和低。机床设备不仅与国家的航空工业和船舶制造以及军工产业和科研技术还有精密器械等设备制造行业之间存在着非常紧密的联系，并且还和人们的平日生活等多个方面存在着密不可分的关系。从某些意义上来说，假如一个国家缺少制造业作为支撑，那么这一个国家就无法真正的达成现代化建设提出的要求。而五轴联动数控机床其本身属于当前世界上比较先进的一种机床设备，假如国家具备五轴数控机床那么则意味着国家当前的机床制造业仍然处于当前世界上比较领先的一种水准，其在数控机床进行制造技术上仍然处在一种领先的地位，因此针对五轴数控机床进行的研制一直以来都是世界多个制造大国积极进行重点研究的对象。五轴联动是一个数控术语，是指CNC机床的轴以一定的速度同时到达某个设定点。五轴联动是所有五个轴可以协调动作。五轴联动数控机床是高科技，高精度的机床，专门用于加工复杂曲线。该机床系统可用于一个国家的航空，航天，军事，科学研究，精密设备，高精度医疗设备和其他行业具有举足轻重的影响。装备制造业是一国工业的基石。它为开发新技术，新产品和现代工业生产提供了重要手段同时也是必不可少的战略产业，即便是在发达国家，也十分受到人们的关注和重视。

　　1.我国五轴联动数控机床的现状

　　与国外五轴联动数控机床的研究水平相比，我国的总体水平较低，主要是因为国内工业基础相对薄弱，国外已经封锁了同类产品的技术。这种差距主要体现在无法独立研究和开发核心功能。即使它们被开发，它们也远远落后于同类国外产品。此外，机床的整体稳定性和精度也远远落后于国外同类产品。近年来，越来越多的政府部门，相关企业和相关专业学校认识到了国产五轴数控机床的发展状况，因此我国五轴数控机床的发展得到了各界的大力支持。在中国，机床行业已逐渐从原始技术积累中形成了更加成熟的产品，并取得了可喜的成果。

早在2007年第十届中国国际机床展览会上，就展出了许多高科技数控机床。从展览中可以清楚地看到，我国的五轴数控机床不仅得到了各种品牌的支持，而且在技术上也有了突破。当今的五轴联动数控机床是一种具有独立知识产权的相对成熟的技术。另一个案例是在沈阳举行的机床展览会。此次展览的重点是展示VMC25100u五轴立式加工中心和GMC1230u五轴联动数控机床高速加工中心，该主轴是适用于航空工业中铁合金和铝合金框架加工的主轴。A，B轴摆动式机床，这项技术的研发可以说是我国五轴联动数控机床行业的重大突破，因为该产品的核心技术已经在国外很久了。但是，我国只能依靠进口来满足国内需求，进口数量仍然受到外国的限制。这两种加工中心技术的研发已经结束了我国对进口的长期依赖，并受到抑制。

在当今经济飞速发展的今天，五轴联动数控机床也取得了新的技术成果。最为突出的一项是济南第二机床开发制造的五轴联动叶片加工机床。该技术设备在2010年11月16日至17日举行的第一届全国机械工业科学技术大会上荣获“中国机械工业科学技术奖”一等奖。该技术的可取之处在于他敢于创新和突破。创新，彻底打破了国外五轴数控机床技术的垄断地位，同时解决了国家发电行业急需大型水轮机叶片加工设备的问题。

尽管我国近年来加大了对五轴数控机床技术的研究，并取得了一定的成果，但不应感到沾沾自喜，放松其研发过程。它只能提醒自己，与国外同类产品有很大的差距，并且会不断创新。坚持走自主研发之路，以更快更有效地完善国产五轴联动数控机床技术。此外，我们也相信，拥有丰富人力资源和物力的我国必将推动我国高端机床技术的又一次飞跃。近年来，我们国家数控机床制造技术开始显著出了一个非常好的发展态势，其中五轴联动加工中必不可少的一个核心产品。为了突破高端数控机床市场受到欧美和日本等国家发展局面的影响，应该注重高性能五轴加工的发展。因此，我们国家当前有很多开发研究人员积极的致力与对于CNC机床所进行的研究，特别是其在具备高可靠性和高精度以及高速机床进行研究过程中。假如想要进行高精度五轴联动机床设备的开发和应用，不但要求吸收国外一些新进的柯基，还要求关注基本结构以及工艺上的设计，只有这样才可以真正的设置五轴联动机床的联动机床设备。

　　2.五轴联动机床整体结构

　　2.1五轴联动机床简述

　　数控机床当前的性能指标需要依靠和其相关的功能部件性能，其功能部件自身性能的好坏直接会对数控和技术参数以及性能水平产生影响。本研究的主要目标是型号为HMC80u的高性能五轴联动机床。该机床的核心功能组件是独立设计和开发的。CNC系统的后台程序用于研究，然后开发不同类型的功能。应用程序包。该设备的最大特点是高刚性，高精度，高可靠性，并具有防止误操作的优点。

2.2主要参数

本研究中研究的五轴联动机床主要基于B + C结构，即转盘与旋转铣头集成在一起。该设备可以加工小于1米的工件，并保证了处理的多功能性。加工对象的材料可以是硬铸铁，硬钢，轻铝合金，甚至是聚合物合成材料。这就为主轴和机床各轴的运动速度和动态精度提出了很高的标准。。

2.3结构总体设计

这种五轴联动机床设备主要用于加工非常复杂的零件，例如汽车零件，精密模具，航空结构零件等。因此，该机床必须能够适应剧烈的低速重切削，并且它也必须适应高速光切割，机床的整体性能良好，具有高精度，高速度，高可靠性和高刚性。如果它是不运动的部分，则通常以整体结构存在。活动部件应确保刚性，同时应尽可能轻。总体结构如图1所示。

图1 HMC80u 型机床的结构

详细结构：图1中的第一部分是X和Y轴床，以T的形式存在，并采用整体铸造的方法，可以确保机床基础和螺钉的刚性。X和Y轴变速箱的10号位置在9号位置的轴承座和电机座与底座铸成一体。第二部分的立柱也与螺杆轴承和电机座一体铸造。Z轴滑枕和铣削头在第3部分中是一体成型的，因此可以避免在滑枕和铣削头的连接和组装过程中出现刚度不足的问题。铣头的B轴保持45°，B轴旋转轴与X / Z移动轴之间的角度为45°。可以为机床的水平转换提供方便，并增强了加工工具的受力；第4部分是电主轴，安装在铣头的主轴箱中。5号位置是一个转盘座，它基于Y轴导轨。移动;位置6是旋转工作台，用作C轴；位置7是伺服电机；位置8是滚珠丝杠；位置9是马达座椅；位置10是丝杠轴承。

为了使机床具有更广泛的应用范围并满足高速，大切削力和大承重的要求，其X / Y / Z线性运动是在高精度中载荷下进行的线轨； BC旋转轴为带推力的径向圆柱滚子轴承主要用于确保BC旋转轴能够获得最大的承载能力并具有较高的旋转精度。在该机床运动过程中，所涉及的主要受力部分应尽量不要用螺钉连接，以确保机床的刚性非常好，然后通过有限元模拟进行力分析以确定每个组件的结构和大小

　　2.4 传动的结构

　　在X / Y / Z线性轴上，第7和第8位置的伺服电机和滚珠丝杠是通过联轴器连接和驱动的。安装螺丝时，应做好准备。对于拧紧过程，使用双螺母螺钉可以具有更大的预拧紧力，可以很好地减少轴移动时产生的反冲，从而延长了该零件的使用寿命。

另外，核心功能组件是BC旋转轴。最终确定了双齿轮的反间隙传动结构。优点是耐磨性高，精度高，可以实现大扭矩旋转，大大提高了BC轴在运行过程中的可靠性。如果使用涡轮增压器变速箱，可能会有一些问题。一种是传输速度受到限制，另一种是加速磨损。如果执行插补，则无法保证其准确性和使用寿命。另外，如果使用直接驱动马达，则还存在一些缺点，例如过多的热量产生和有限的扭矩。

还有主轴部分。异步电主轴用作核心组件。整体设计要求：它可以实现更大的扭矩旋转，高精度和高速度，从而可以匹配机床的加工范围。该电机使用了非常大功率的铜转子电机。前端有两个陶瓷球角接触轴承，它们是固定的。后端还有两个陶瓷球角接触轴承，但它们的轴向作用有限。如果主轴具有热伸长率，则可以通过后轴承向后方向的移动来补偿它。

使用有限元建模方法优化主轴结构，可以大大提高主轴的刚度。在机床的实际运行中，主轴会产生大量的热量。因此，配备了特殊的恒温冷却系统以帮助主轴散热。温度传感器埋在主轴附近，以实时监控轴承温度。当机床主轴运行时，大量切削液将流出，可能进入主轴旋转间隙，污染轴承或烧毁电动机。为了解决这个问题，在主轴前端的间隙处设计了迷宫式空气密封装置，以防止任何异物进入主轴内部，大大提高了主轴的可靠性。

3.机床数控系统的硬件部分

　　该机床选择的是西门子840D SL系统，这一系统的结构是通过PC集成而获得的数控结构，能够完成通讯模块以及使用不同控制器去完成集成，所以这部分部件处于相同的NCU控制单元。这一功能十分的强大并相对完整。分布式连接具备模块化的结构以及灵活的有效配置，能够完成多轴系统的有效配置。这一数控单元主要是NCU生产的720.3版本，其中具有工业的以太网其能够被连接至手轮和机器操作面板MCP以及计算机单元TCU。因为TCU其中并不具备系统软件，所以其本身属于无盘终端，能够使用网络将其链接至NCU，然后加载到相对的操作系统。这一五轴联动机床所需要的软件包其中需要被授权出口同时将其存储到CF卡里。在NCU单元里面，X132.11以及X122.11端口只适合被使用在探头测量信号的访问。X132.10，X132.7，X132.4和X132.1可以被使用在I / O类型信号的快速执行和访问，同时其相应变量相对较小，这部分变量能够直接在NC的程序里去完成调用。在NCU里完成了PCL的设置，这一PCL能够和ProfiBUS通信总线以及多种外部IO站模块有效的连接，也能够和模拟轴驱动器模块去有效的连接。这一机床的XY轴以及BC轴分别的安装了双电机驱动模块，而Z轴以及主轴则选择的是一种单独的电机驱动模块，这部分模块能够使用Drive-CLIQ接口以一种分布式的形式将其与NCU单元进行链接。

　　4.机床数控系统的应用软件设计

　　4.1 HMI界面

　　为该机床选择的数控系统是一个可以自行设计参数的系统，使研究人员可以开发深入的应用软件。因此，HMI界面设计具有一定程度的开放性，并且可以将不同的应用程序放置在同一界面中，以便以后的操作员可以更方便地进行操作。HMI界面可以激活五轴联动并设置参数。它还可以预先在NC程序中检查刀具路径和加工模式，以防止在机床加工中出现机床碰撞问题。由于五轴联动处理的复杂性，发生碰撞问题的可能性非常高。因此，必须有一个防撞机程序。可以在HMI界面中设计功能按钮，并且用户可以轻松调用程序。

4.2功能软件

首先，为确保铣头的安全，必须在后台设置铣头旋转的安全范围。判断条件包括刀具长度变量。只要机床在工作，就存在安全范围，以避免铣削头对机床钣金和工件的冲击。。

其次，设计一键退刀功能程序，可以解决掉电或程序断电时难以从工件上拔出刀具的问题。程序激活键设置为“ HOME BACK”并放置在HMI中。在界面上，您可以随时按此键使系统进入对话模式并获取相应的参数信息。机床可以沿刀具轴后退并进入安全区域。

第三，机器自动校准功能程序。当用户激活该功能时，机床可以自行恢复机床的精度，从而可以提高加工效率和精度，解决加工精度问题而无需寻找设备制造商。

结论

综上所述，五轴联动机床自身的结构十分的复杂。为了对机床自身的刚性提供保障，一些结构要求使用整体铸造的方式存在。同时机床自身的应用系统要求针对高质量的系统，其中缺少磁盘终端是较为适宜的，这让相关的研究人员能够按照自己的所需设计出更加合理的操作系统去便于操作员进行相关操作。

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