五軸聯動數控機床的結構選型研究

□ 夏向陽

江蘇新瑞重工科技有限公司 江蘇常州 213166

1 研究背景

五軸聯動數控機床是航空航天、模具加工、汽車制造、精密機械加工、軍工等行業的關鍵加工設備，為新技術、新產品的開發和現代工業生產提供了重要的手段，是不可或缺的戰略性產業裝備。研究五軸聯動數控機床的設計與應用技術，是當前國內金屬加工行業發展的迫切需要。其中，五軸聯動數控機床整體結構選型是五軸機床整機方案設計的首要工作，是機床能否開發試制成功的關鍵所在，設計人員必需引起足夠的重視。

2 五軸聯動數控機床結構形式

五軸聯動數控機床指機床具有三個直線進給軸和兩個旋轉進給軸，并且這五個進給軸能夠同時聯動進給[1-2]。如圖1所示，三個直線進給軸是笛卡爾坐標系中的X、Y、Z三軸，兩個旋轉進給軸是A、B、C軸中的任意兩個組合[3]，即AC組合、AB組合或BC組合。兩個旋轉進給運動是五軸聯動機床的關鍵核心技術，可以是AC聯動、AB聯動或BC聯動。

圖1 五軸機床坐標軸

按照直線進給軸與旋轉進給軸組合方式的不同，五軸聯動數控機床的結構形式有很多種，其中最常見的結構形式有三種。

2.1 兩個旋轉進給運動集成于一個雙擺銑頭

機床的兩個旋轉進給運動集成于一個雙擺銑頭，這種結構的機床通常有兩種細分的結構形式。

2.1.1 AC雙擺銑頭

兩個旋轉進給運動集成安裝在機床直線軸Z軸滑枕的下端面上，是龍門機床上最常采用的AC雙擺銑頭結構，如圖2所示。旋轉軸C軸由對稱結構的U形音叉頭繞直線軸Z軸實現回轉，旋轉軸A軸由A軸擺頭繞U形音叉頭上的公共軸線實現旋轉，主軸采用直驅的電主軸結構。如圖3所示，筆者公司生產的一款高架橋式五軸聯動龍門機床是這一結構形式機床的典型代表[4-5]。

圖2 AC雙擺銑頭

圖3 高架橋式五軸聯動龍門機床

2.1.2 AB雙擺銑頭

兩個旋轉進給運動集成于AB雙擺銑頭，銑頭安裝在機床的直線軸Z軸滑枕前表面上。旋轉軸A軸運動由對稱結構的U形音叉頭繞直線軸A軸實現回轉,回轉的導向通過圓弧形滾動導軌實現，主軸采用直驅的電主軸結構。如圖4所示，擺五軸機床是這一結構形式機床的典型代表。

圖4 擺五軸機床

2.2 兩個旋轉進給運動采用搖籃式雙擺轉臺

搖籃式雙擺轉臺有AC搖籃式雙擺轉臺和BC搖籃式雙擺轉臺兩種類型，實際上這兩種搖籃式雙擺轉臺的機械結構是一樣的，只是因為轉臺安裝方向不同而名稱不同。如果轉臺搖擺軸軸線平行于機床X軸安裝，那么就是AC搖籃式雙擺轉臺。如果轉臺搖擺軸軸線平行于機床Y軸安裝，那么就是BC搖籃式雙擺轉臺。筆者公司開發了一款擁有自主知識產權的力矩電機直驅型AC搖籃式雙擺轉臺，目前已經成功應用于GM80-5X型橋式機床上。該AC雙擺轉臺如圖5所示，GM80-5X型橋式機床如圖6所示。

2.3兩個旋轉進給運動分開布置

這類結構的機床，兩個旋轉運動分開布置，通常有兩種細分的結構形式。

2.3.1 單擺銑頭+第四軸立式回轉工作臺

圖5 AC搖籃式雙擺轉臺

圖6 GM80-5X型橋式機床

旋轉軸A軸通過單擺銑頭形式安裝在機床的直線軸Z軸端面，旋轉軸C軸通過第四軸立式轉臺的形式安裝在機床的直線進給軸Y軸部件上。如圖7所示，HSC70型高速五軸聯動數控機床是這一結構形式機床的典型代表[6]。

圖7 HSC70型高速五軸聯動數控機床

2.3.2 單擺銑頭+橋板式第四軸轉臺

旋轉軸B軸通過懸伸式單擺銑頭形式安裝在機床的直線軸Z軸拖板上，旋轉軸A軸通過橋板式轉臺形式安裝在機床的直線進給軸X軸拖板上。

3 五軸聯動數控機床結構選型

機床的整體布局是設計工作的核心，對于五軸聯動數控機床的設計研發而言，更是如此。因此，五軸聯動數控機床的結構選型在整個設計過程中非常重要，是機床能否開發試制成功的關鍵所在。設計時必須從機床的運動組合和結構配置入手，選擇最合適的旋轉進給運動和直線進給運動組合方式，使機床獲得最優的加工性能，為客戶帶來最好的實際應用體驗。以下介紹五軸聯動數控機床結構選型的技巧及方法。

3.1 選用雙擺銑頭

大型、重型五軸聯動龍門數控機床，以及工件比較重的五軸聯動龍門數控機床通常采用AC雙擺銑頭的結構形式[7]。該類機床通常采用高架橋式龍門結構，設計時優先考慮各移動部件的輕量化、各移動部件質量的均衡化，以及功能部件的模塊化。由于該類機床所加工的工件質量較大，為了謀求更高的加工速度、進給軸的高加速度及高加加速度，機床一般采用工作臺固定不動的高架橋式龍門結構，機床X、Y、Z、A、C五個進給軸中除X軸驅動布置在床身上外，其余四個進給軸都集中在機床的橫梁以上部分。這種設計可以盡量使各進給軸驅動的負載輕量化和均衡化，從而減小各移動部件所需的驅動功率和扭矩，使機床更低碳環保，同時提高機床各個進給軸的動態響應性能和加速性能，使機床各軸的加速度和加加速度匹配性更好，提升機床的客戶體驗效果。

大型、重型五軸聯動龍門數控機床也有采用AB雙擺銑頭的結構形式。這類機床加工的零件一般為狹長型帶小角度凹腔的鈦合金航空結構件或狹長的滑軌類零件。AB雙擺銑頭和AC雙擺銑頭相比有兩大優勢：①對于狹長型帶小角度凹腔零件，通過A軸進給相比采用C軸進給，刀具經過的路徑更短，刀具接近性能更好，切削加工效率更高；②AB雙擺銑頭的切削點距離回轉中心更近，更易于實現高材料去除率。當然，AB雙擺銑頭也有自身的缺點：①A軸的圓弧形導軌制造裝配難度大；②AB擺的結構復雜，價格昂貴。

該類機床設計時主要考慮特定零件的加工效率，其次是各移動部件的輕量化、各移動部件質量的均衡化。由于該類機床加工的特定類型零件一般都不是重型零件，因此該類機床設計成工作臺移動式定梁龍門結構也是遵循了各移動部件輕量化、各移動部件質量均衡化的原則。

3.2 選用搖籃式雙擺轉臺

中小型五軸機床及工件比較輕的機床一般采用搖籃式雙擺轉臺的結構形式，該類機床設計選型時重點考慮各移動部件質量的合理分配、功能部件的模塊化，以及回轉中心接近切削區域。對于工作臺面不大于φ600 mm的小型機床，搖籃式雙擺轉臺一般設計成安裝在參與X軸或Y軸直線運動的工作臺面上。對于工作臺面為φ600 mm～φ800 mm的中型機床，搖籃式雙擺轉臺一般設計成安裝在固定的機床床身上，轉臺不參與直線進給運動。當轉臺臺面直徑大于φ1 000 mm時，五軸機床就不再適合選用搖籃式雙擺轉臺的結構了，因為重型搖籃式雙擺轉臺的動態性能差，對于五軸切削效率提高是不利的。

采用搖籃式雙擺轉臺的機床，主要加工區域集中在A軸、C軸的轉軸中心附近，使刀尖點距離回轉中心較近，A軸回轉軸的驅動電機在同等切削力下只需要輸出較小的功率和扭矩，使機床更低碳環保。采用AC搖籃式雙擺轉臺，由于加工時A軸的回轉使排屑更方便快捷，因此可以快速帶走加工熱量，有利于提高加工精度。采用AC搖籃式雙擺轉臺，可使機床的模塊化程度較高，機床緊湊，占地面積小。

力矩電機直驅型搖籃式雙擺轉臺是搖籃式雙擺轉臺的發展方向[8-9]，這種轉臺通常有三種類型：①A軸單力矩電機驅動帶輔助支撐的結構形式，如圖5所示，這類轉臺一般用于中型機床；②A軸單力矩電機驅動不帶輔助支撐的結構形式，即懸臂式AC搖籃式雙擺轉臺，如圖8所示，這類轉臺A、C軸都采用力矩電機直接驅動，一般用于小型機床；③A軸雙力矩電機驅動AC搖籃式雙擺頭結構形式，如圖9所示，這類轉臺C軸采用力矩電機直接驅動，為了提高A軸的驅動力，A軸采用左右各一個力矩電機雙驅結構，一般用于中型機床或動態響應性能要求較高的機床上。

圖8 懸臂式AC搖籃式雙擺轉臺

圖9 A軸雙力矩電機驅動AC搖籃式雙擺轉臺

3.3 兩個旋轉進給運動分開布置

3.3.1 單擺銑頭+第四軸立式回轉工作臺

工作臺面為φ600 mm～φ800 mm的中型五軸機床，也有采用兩個旋轉進給運動分開布置的結構形式。該類機床一般采用單擺銑頭和第四軸轉臺相結合的結構形式，一般情況下單擺銑頭和第四軸轉臺都參與X軸或Y軸的直線進給運動。這類機床設計選型時重點考慮各移動部件的輕量化和各移動部件質量的合理分配，以提高機床各個進給軸的動態響應性能和加速性能，并使機床各軸的加速度和加加速度匹配性更好，提升機床的客戶體驗效果。這種結構形式一般應用于高速或超高速五軸機床上。

3.3.2 單擺銑頭+橋板式第四軸轉臺

如圖10所示，XKH800C型五軸聯動葉片銑床是單擺銑頭+橋板式第四軸轉臺結構形式五軸聯動數控機床的典型代表，單擺銑頭B軸集成在隨立柱移動的Z軸拖板上，橋板式轉臺A軸集成在隨X軸移動的滑板上，B軸、A軸分開布置，避免使某一個進給運動的部件質量太大，從而提高機床的動態響應性能和切削性能。B軸采用經典的彎脖結構，使機床的主軸向機床的Z軸正向提升，機床刀具的刀尖點更加靠近回轉軸B軸的中心，使B軸回轉軸的驅動電機在同等切削力下只需要輸出較小的功率和扭矩，既節能環保，又可提高加工效率。

圖10 XKH800C型五軸聯動葉片銑床

4 結束語

根據被加工零件形狀、質量、精度的不同和機床整機大小的不同，五軸聯動數控機床有三至五種不同類型的結構形式。對于不同類型的結構形式，設計人員在做機床整體方案設計時，可以遵循以下設計原則開展設計工作。

（1）輕量化原則。各移動部件要輕量化，目的是提高各移動部件的加速度和加加速度，提高機床的整機動態響應性能[10-11]。

（2）均衡化原則。各移動部件質量合理分配，避免出現某一部件質量過大，影響機床整機的動態性能。

（3）模塊化原則。可以對機床整機結構進行模塊化處理，經過模塊化處理后，機床的整機設計工作將得到簡化。

（4）盡量遵循刀尖點靠近回轉軸回轉中心的原則，使設計的五軸機床既節能環保，又可提高加工效率。

（5）整體方案設計時要將提高加工效率和表面加工質量作為重要因素加以考慮。