五軸激光切割機床結構設計研究

陳旻鵬 陸榮鑑 張建紅 緱斌麗 張攀

摘 要：在“智能制造”興起的大浪潮下，如何實現制造業創新發展，五軸機床等高精度機床的研制成為一大難題。本文結合現有的五軸激光切割機床，擬定該機床結構設計的方案，設計了適應實驗環境的機床床身和機床擺頭，為機床系統的開發提供有力的機械基礎。

關鍵詞：五軸;激光切割;結構設計

“智能制造”的提出，使中國制造行業發生了新一輪的變革與創新，制造業發展方向正在從產業范式向創新發展轉變，五軸激光加工技術的發展則是目前中國制造行業創新的重要組成部分。[1，2，3]而智能制造一體化系統的形成需要機械結構的支撐，因此五軸激光切割機床結構設計研究就顯得尤為重要。

1 整體結構的選型

五軸激光切割機床主要適用于航空航天、汽車制造、工程機械、模具、健身器材等領域的碳鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金等材料的三維精密柔性加工。[4]目前采用五軸激光切割機床進行木雕加工也是比較常見的。[5，6]

從整體結構設計上來講，我們應當首先考慮的問題是如何搭建一個適合實驗室環境的五軸激光切割機床。第一種方案是采用雙回轉型的五軸激光切割機床，因為雙回轉型的剛性較好，而且這樣的結構在市面上較為常見，國內學者對其研究也比較多，因此這樣的結構對日后的控制軟件的編寫有一定的幫助;但是雙回轉型的五軸激光切割機床所需要的加工精度要求較高，并且激光所需的加工周期時間比較長，又因為它所能加工工件的種類相對少，所以我們又采取了第二種方案。

第二種方案是采用A、C軸型的五軸激光切割機床，這種結構由A、C旋轉軸和X、Y、Z三個移動軸組成，初步設計的機床三維加工幅面3500×1500×1000mm3。與傳統的五軸機床結構的不同點在于它的兩個旋轉軸并不是正交的，而是在一個傾斜的平面上，兩者之間存在角度。這種設計可以提供很高的機械剛性，結構緊湊。此外，由于五軸數控激光切割機床在工作時的切削力并不是很大，因此也符合力學要求。該設計還能夠增強機床的靈活性，使機床在工作的時候更加方便，機床的柔韌性也就更高。我們最終選擇了第二種方案。

五軸激光切割機床由機床床身部分和機床擺頭部分組成。機床床身部分保持靜止，五軸分別為X軸、Y軸、Z軸、A軸和C軸。其中X軸、Y軸和Z軸是沿X、Y、Z三個方向在導軌上進行直線運動的移動軸，而A軸是繞著X軸轉動的旋轉軸，C軸是繞著Z軸轉動的旋轉軸。A軸可以繞著X軸旋轉-125°～125°，C軸可以繞著Z軸旋轉-270°～270°。移動軸和旋轉軸的定位精度可以分別達到±0.05mm和±0.015mm。X軸行程、Y軸行程和Z軸行程分別為4000mm、2000mm和1000mm。

2 機床床身的結構設計

機床床身的結構設計比較簡單，框架采用懸臂梁的結構，X軸方向上曲柄滑塊機構并且沿著懸臂梁上的導軌方向移動。Y軸方向也是采用曲柄滑塊機構，我們在X軸方向上的兩個懸臂梁之間設計一個橫梁，該橫梁可以帶著下方的機床擺頭部分沿著X軸方向上的導軌進行直線移動，并且該橫梁上設置有導軌，下方的機床擺頭部分可以沿著Y軸的導軌移動。而在Z軸方向上，我們采用的依然是曲柄滑塊機構，在之前所設計的橫梁上設計一個Z軸上方向上的導軌，與Y軸橫梁相垂直，下方的機床擺頭部分可以沿著這個Z軸導軌移動。三個方向上的電機都是選用德國畢孚（BECKHOFF）公司提供的專用型伺服電機進行驅動，因為后期的控制系統是基于德國畢孚公司的CNC平臺編寫，所以采用他們提供的伺服電機控制起來兼容性更好，采用伺服電機驅動可實現X、Y、Z軸沿導軌移動的精確調節。[7，8]

在工藝方面，X、Y、Z三個方向上的外圍橫梁采用鋁合金材料，并且選擇鑄造的方式，經過退火消除內應力后進行再粗加工，接著經過二次振動時效處理后進行精加工，保證床身框架的剛度要求。而五軸激光切割機床床身采用整體焊接的結構，從而使其相互間的連接性更好。同時，焊接還可以將不同的形狀、尺寸甚至是不同的材料連接起來，從而可以達到降低產品重量、節約產品材料、產品資源優化等目的。所焊接出的結構剛度大，產品的整體性好，同時又能夠保證焊點的氣密性和水密性，所以比較適合制造擁有高強度、大剛度的結構。

3 機床擺頭的結構設計

機床擺頭由兩個轉矩馬達、兩個反射鏡和反射鏡座、防撞裝置、調高機構和切割頭組成。其中，兩個轉矩馬達控制的是A、C兩個軸的旋轉，它們中間是空心的，提供激光束的導路，這便于激光器的冷卻水管、氣管和接線管的走線;兩個反射鏡保證了激光傳輸到切割頭上。

反射鏡座可以調節反射鏡的鏡面反射角度，保證了激光導路的正常輸出;防撞裝置可以有效保證整個激光切割頭的壽命，當檢測到撞刀問題時，激光切割頭就可以自動脫落;而調高機構是為了實現激光切割頭與工件之間的距離保持一致。

旋轉軸的兩個控制電機都是選用臺灣上銀公司的TMY旋轉平臺系列，TMY旋轉平臺整合高解析度絕對式解角器，具備高動態反應、高扭力輸出以及高精度定位的能力，可應用于需精準定位的工業需求。其還具備外轉式平臺，并且整合高解析度解角器，解析度可達920000 p/rev，并使用絕對式解角器，不需進行原點復歸的步驟，高動態、高扭力以及高精度扭力瞬間最高可達12～300Nm，滿足各種應用需求，適應特殊環境。

4 結語

本文在現有的五軸激光切割機床的設計研究基礎上，進行了設計方案的擬定和機床結構的改進，包括機床的床身結構設計和機床擺頭結構的設計，并且簡單分析了機床五根軸驅動電機的選擇，為以后五軸激光切割機床數控系統的編寫提供了機械基礎，并且已經申請了相關專利。

參考文獻：

[1] 宋殷志，張源鑫，關長岳.論機械自動化技術應用與發展前景[J].藝術科技，2016，29（06）：72.

[2] 覃才友，黃娟，李小汝.新型五軸龍門式混聯機床的運動學分析[J].制造技術與機床，2019（03）：54-59.

[3] 楊葉，郁舒蘭.家具制造企業實施PLM的必要性及策略分析[J].家具，2017，38（01）：1-4.

[4] 賴嘯.五軸機床的運動學與奇異位置研究[J].機械強度，2018，40（05）：1253-1257.

[5] 韓帥.面向木工雕刻的五軸聯動數控機床研發[D].華東理工大學，2015.

[6] 蔚建元.淺析古典家具雕刻技術[J].藝術科技，2016，29（10）：158.

[7] 周海燕，陳旻鵬，徐兆軍，鄭梅生.三螺桿泵壽命試驗臺測控系統設計[J].測控技術，2018，37（12）：12-16.

[8] 翟菲菲，劉英，楊雨圖，房友盼，於亞斌.基于PLC與組態王的實木板材雙面檢測裝置的總體設計[J].林產工業，2016，43（09）：41-45.

作者簡介：陳旻鵬（1994—），男，碩士研究生，主要從事機電一體化研究。

通訊作者：陸榮鑑（1964—），男，碩士，講師，主要從事機電一體化研究。