五軸數控機床構型專利技術分析

鄒偉彪

摘要：機床構型是五軸數控機床的機械主體，其決定著機床的規格和性能，通過機床構型的合理設置，可以使數控機床的適用范圍更加廣泛，加工對象更加多樣化。本文通過統計近年來機床構型全球專利申請的情況，分析了該技術基本的發展趨勢，并對工作臺、擺頭、框架等關鍵技術的發展路徑進行了分析和梳理，同時，基于我國目前技術發展現狀提出了發展建議。

關鍵詞：無軸數控機床；機床構型；工作臺；擺頭；框架

機床構型是五軸數控機床的機械主體，其決定著機床的規格和性能，通過機床構型的合理設置，可以使數控機床的適用范圍更加廣泛，加工對象更加多樣，能夠有效提高加工精度、加工效率和使用壽命，使數控機床可廣泛應用于金屬塑性加工、激光焊接、激光切割、專機制造以及實用教學等領域。以下筆者將從關鍵技術等角度進行分析。

通過對機床構型的三個組成部分工作臺、擺頭和框架的專利信息進行技術發展路線分析，從而獲取機床構型的技術發展狀況，從專利申請的角度了解技術發展脈絡。

關于工作臺結構，按其形式可以分為以下幾種類型：普通工作臺、并聯式工作臺和樞轉橋式工作臺。較早出現的五軸數控機床的工作臺為普通式工作臺，如馬赫工具研究所1972年在專利申請SU491252A1中提出的帶有旋轉刀具的五軸數控機床，主軸箱可圍繞平行于工作臺安裝方式的軸線旋轉，工作臺僅在X軸方向帶動工件實現進給運動。德國DMG于1990年在專利申請DE4012690A1中提出一種五軸機床，其工作臺采用了樞轉橋的形式。1999年，FRAUNHOFER GES FOERDERUNG在專利申請EP1224055B1中提出一種并聯式工作臺，通過三個線性組件分別與工作臺鉸接控制工作臺的運動，只需簡單的旋轉軸承，減小了工作空間的摩擦。2000年株式會社三共制作所在專利文獻JP2002126958A中提出了一種通過弧面凸輪形式驅動的回轉工作臺，通過滾子齒輪凸輪齒輪嚙合實現回轉工作臺的高精度旋轉，消除傳統的蝸輪蝸桿傳動的間隙實現旋轉運動。哈爾濱工業大學于2005年提出了一種采用三自由度RPS機構實現工作臺運動的五自由度數控銑床，其為對稱結構，加工、制造、安裝都極為方便，并且加工精度高，并且易編程、易控制。隨后在2006年，德國DMG在DE102006034123B4中提出一種鉆銑床，在滑座中提供充當橋接器的旋轉驅動器的電動同步力矩電機以及用于兩個滑座的移位運動的電動同步線性電機，力矩電機即使在相對較低速度的情況下也可產生高力矩和高定位精度，保證了橋式工作臺的運動精度。2008年，沈陽機床提出了CN201316907Y，一種基于內轉子力矩電機的直驅式雙軸轉臺，提供一種直驅式雙軸轉臺，結構緊湊，散熱效果好，磨損小，精度高，扭矩大，受力更均勻，運行平穩。東臺精機股份有限公司2014年在TW201607672中提出一種包含4組轉臺的工作臺，每兩組轉臺放置于一個樞轉橋上與兩組主軸對應，增加了加工機的加工范圍，并可提高加工效率以及精確度。

關于擺頭機構，1972年，馬赫工具研究所在專利文獻SU491252A1中提出的帶有旋轉刀具的數控機床，主軸箱可圍繞平行于工作臺安裝方式的軸線旋轉，工具頭固定在旋轉器的下端，與軸成一定角度。1985年，德國希斯公司于專利文獻DE3511790A1中提出了一種可在橫梁上沿水平X軸、垂直Z軸方向運動的工作頭，工作頭可以沿A軸進行左右擺動。1992年，沃爾特公司于專利文獻DE4242906A1中提出了一種數控磨床，磨削主軸設置在剛性、無扭曲的龍門上，磨頭相對床身可繞至少一根軸線是擺動。1996年，德國申請人GRINGEL M和HEISEL U在專利DE19640769 A1中提出了一種數控機床耦合結構，該結構具有較高的剛性和線性傳動比。2002年，德克爾·馬霍普夫龍滕有限責任公司于專利文獻DE20204365U中公開了一種用于萬能銑床的主軸頭，它包括箱體、工作主軸和第二主軸單元，箱體旋轉安裝在機床部件上，工作主軸在箱體內軸向平行地安裝且被直接驅動，箱體的背面上，安裝有可繞兩軸調整的第二主軸單元，第二主軸單元包括可旋轉的叉頭。2010年，沈陽機床（集團）設計研究院有限公司于專利文獻CN102009219 A中公開了一種A軸自動交換式A/C軸雙擺角數控萬能銑頭，本銑頭A軸單元的U型叉體后端的外圓周上設與C軸單元的上齒盤嚙合的下齒盤，U型叉體后端面圓周方向設置與C軸單元對應的液壓快換接頭和拉釘缸，U型叉體上端內圓周的A軸電氣支架上設置與C軸單元對應的電氣快換接頭。2012年，弗迪亞有限公司于專利文獻EP2707175 A1中公開了一種用于機床的刀具承載端頭，刀具承載端頭，在具有高結構剛性的同時具有最佳動態穩定性，適用于在需要高切割力、由鐵類材料或非鐵類材料制成的零件上進行切削加工，具有高的刀具定位精度，用于對在形狀和表面光潔度兩個方面都具有高尺寸精度的零件進行機加工。2013年，株式會社牧野銑床制作所在專利文獻WO2015037155A1 中提出了一種機床，通過引導件的設置，相對于立柱沿著上下方向移動的方式安裝并支撐主軸頭，能夠防止移動體或滑塊變形，尤其是扭轉變形。

關于框架結構，五軸數控機床的框架結構中龍門結構是應用最為廣泛、形式最為多樣且調節最為靈活的設置方式，主要有傳統的固定式、動梁式、動柱式以及天車式，并且機床框架是與擺頭結構相結合并承載擺頭結構的機床構件，隨著擺頭結構的演進其會相應出現結構上的變形和適應性的調整。1996年，美國專利文獻US5854460A公開了一種直線電動機驅動的激光切割設備，其框架采用天車形式，承載激光加工頭的橫梁通過滑軌在直線電動機驅動下能夠前后移動進而改變加工頭的位置。2006年，日本山崎馬扎克公司于專利文獻JP2006035360A中公開了一種五軸加工設備，該加工設備的框架設置為動梁式，通過橫梁的縱向移動調整加工頭在Z軸方向的位置。2001年，中國臺灣申請人財團法人工業技術研究院于專利文獻CN2500427Y中公開了一種龍門型并聯式五軸工具機，該工具機框架設置為天車形式并搭載并聯結構的主軸頭。2007年，東寶工程公司于專利文獻JP2007210096 A中公開了一種五軸加工設備，該設備的框架結構設置成動柱式，通過立柱與底座的相對滑動實現加工頭位置的調節。

總體來說，我國關于五軸數控機床構型的專利申請要晚于歐美工業發達國家，在擺頭結構方面，中國申請總體集中于傳動間隙消除的結構改進，而發達國家申請人目前的研究方向傾向于振動抑制，我國申請人在該方面應注重關注德瑪吉森精機以及山崎馬扎克的相關專利申請和相關研究人員的研究成果；在框架結構方面技術已經較為成熟；在工作臺結構方面，中國申請總體集中在機械傳動中的蝸輪蝸桿/齒輪傳動和電機直驅方面的改進，而發達國家申請在精度更高的機械傳動弧面凸輪上研究也比較多，而我國在這方面研究起步較晚，我國申請人也主要集中在高校，我國應加大這方面的研究和突破，優先進行專利申請和布局，并進一步加強產學結合，將其投入產業應用。