微小型五軸數控機床的研制*

石梓皓，孔桂珍，劉會英，孫有琛，王延深

(1. 哈爾濱工業大學(威海)機械工程系，山東 威海 264209；2. 北京實驗工廠有限公司，北京 100038)

0 引言

五軸機床相對于普通的三軸機床可以用于復雜結構件的加工，且可以避免重復裝夾。工業中的五軸機床為了保證機床本體的剛度和穩定性以及較大的工作空間，機床的床身以及傳動結構一般尺寸較大，不僅能耗大而且制造成本十分高昂。而采用微小型機床加工小而精密的零件，不僅結構緊湊，靈活性好，而且大大減少了生產和制造成本，是目前微細切削加工領域中的一個發展趨勢。

2001年，日本Okazaki Y[1-2]等最先開始研制了一臺桌面級的小型數控銑床，機床本體尺寸為450 mm×300 mm×380 mm，采用了200 000 r/min的高速主軸和全閉環進給軸，實現了三維零件和薄壁件的加工。美國[3-4]、德國[5]等研究機構也陸續開展了機床微小型化的相關研究，實現了高速加工微小工件。

2005年，孫雅洲等[6]成功研制了國內第一臺小型臥式三軸數控微切削機床，總體尺寸為300 mm×300 mm×290 mm，主軸轉速可達140 000 rpm，進行了加工實驗，證明該微型銑床可用于微細切削加工技術的研究。2010年，張鵬等[7]研制出小型超精密微細銑削機床，采用了永磁直線電機直接驅動氣體靜壓導軌，實際加工獲得了良好的銑削表面質量。Shi J等[8]研制出了一臺小型三軸微銑削機床，機床進給系統由超精密直線電機驅動，并利用機床完成了對深寬比為10的薄壁件加工。此外，李紅濤等[9]、劉鵬等[10]陸續開展了相關領域的研究工作，并取得了一定的研究成果。

綜上分析，國內外一些機構開展了微小型機床的研究工作，但前人所研制出的微小型機床基本為三軸機床，加工功能有一定局限性，對于具有加工復雜零件能力的微小型五軸機床以及機床變形控制研究目前還不太成熟。本文自主研制了一臺微小型五軸數控機床，一方面對五軸機床小型化和緊湊化技術進行研究，對機床整體結構進行了分析和優化，在保證精度的前提下盡可能地減小機床的體積，實現機床的小型化、緊湊化；另一方面以此為實驗平臺進行機床誤差補償技術的研究，以獲得提高機床精度的補償方法，對于國內外微小型精密數控機床的發展具有一定推動作用。

1 機床總體結構

1.1 機床結構與布局

常見的五軸機床的運動形式為3個移動軸和2個旋轉軸，根據五軸機床各移動軸和旋轉軸布局形式，可以將其分為三大類：五軸雙擺頭機床、五軸單擺頭單轉臺機床、五軸雙轉臺機床。綜合考慮3種五軸機床的結構特點，本文選擇了臥式雙轉臺結構，機床傳動結構簡單且主軸剛性好，避免擺頭機床的復雜結構，易于保證機床精度，機床整體結構示意圖如圖1所示。

圖1 機床結構示意圖

機床的臥式布局也讓機床整體結構更為緊湊，有較高的空間利用率，無需像立式機床那樣搭建龍門式結構，使得機床體積更加精巧，占地空間小。既能實現目標的零件加工尺寸，又可以減少機床本體所占用的空間體積。機床床身和主要支撐結構為花崗巖材料，其他連接件為鋁合金材料。機床電主軸通過支架和轉接板安裝在Z軸直線電機上。X軸直線電機固定于花崗巖床身上，承接Z軸直線電機滑臺，從而實現了主軸在X、Z方向上的兩個移動自由度。

Y軸滑臺固定于床身的立柱上并裝有光柵尺，通過伺服電機驅動絲杠旋轉來實現Y軸的上下移動，同時Y軸伺服電機內部配有制動器，可以起到斷電制動保護的作用。A、B軸直驅馬達與Y軸滑臺連接，加工時工件由夾具固定在B軸上，實現了工件在Y方向的移動自由度和兩個旋轉自由度。

1.2 機床受力分析與優化設計

機床A-B軸轉接板不僅承受B軸自身的重力，而且在實際加工時會受到切削力和振動等因素的影響，是機床的主要薄弱環節，接下來針對A-B軸轉接板進行受力分析。在機床自重以及施加額外載荷100 N的作用下，A-B軸轉接板在豎直方向的變形仿真如圖2所示。

圖2 A-B軸轉接板變形圖

該轉接板受力時為懸臂梁結構，再加上底板上的安裝孔等因素的影響，使得機床B軸軸心處的變形量達到69.323 μm。

為了減小變形量，提高機床的剛度和穩定性，對A-B軸轉接板進行了改進和優化。針對懸臂梁的受力特點和應力分布情況，在轉接板底部添加了支撐肋板結構，優化后的結構和受力變形效果如圖3所示。

圖3 轉接板優化后變形圖

優化后的轉接板B軸軸心處的變形量減少為2.680 μm，機床的受力變形得到了明顯的改善，此處得到的機床變形量也為將來機床誤差補償值的設定提供了依據。

1.3 機床模態分析

為了分析機床的動態性能和固有頻率，在加載重力作用下對機床進行模態分析，得到前4階振型頻率，機床的前4階固有頻率如表1所示，機床前4階振型如圖4所示。

表1 機床固有頻率表

由模態分析結果可以看出，前3階模態中主要是A-B軸轉接板繞Z軸方向的擺動，4階模態中主要是A-B軸轉接板繞X軸方向的側向翻轉。

根據以上分析結果可知，機床A軸與B軸聯接處是機床最主要的弱剛度環節，仿真結果為機床控制優化和誤差補償算法的實施提供了依據和方向，具有一定的參考價值。一味地加強機床結構雖然可以改善機床精度，但也會使機床笨重，違背小型機床“輕量化”的準則。因此，后期可根據仿真結果及弱剛度變形規律，通過誤差補償技術來間接提高機床精度。

(a) 1階振型

(b) 2階振型

(c) 3階振型

(d) 4階振型圖4 機床各階振型圖

2 機床樣機搭建與加工實驗

圖5 五軸微機 床樣機實物圖

2.1 機床樣機搭建

對機床各結構件進行選材和定制加工，并搭建了機床樣機。機床整體尺寸為580 mm×450 mm×570 mm，機床樣機實物如圖5所示。

機床床身和主要支撐結構為花崗巖材料，具有良好的剛度和吸振性，相對于鑄鐵材料沒有應力釋放現象，穩定性較好。其他連接件為鋁合金材料加工而成，并進行了表面氧化處理。3個移動軸采用直線電機和絲杠傳動的方式，兩個旋轉軸采用力矩大、轉速低的直驅馬達。

2.2 機床加工仿真與實驗

五軸機床加工相對于普通機床走刀路徑較為復雜，在加工實驗前需要先在模擬環境中進行刀路仿真和模擬加工。在UG環境中建立樣件模型，然后選擇外圍毛坯件，確定加工類型、安全平面、干涉檢測等，生成刀軌后根據實際情況進行修正和優化走刀。

合理規劃加工路徑和退刀安全距離之后，便可進行實際加工實驗，機床加工軌跡仿真和加工實驗如圖6、圖7所示。

圖6 加工軌跡仿真圖7 機床加工實驗

機床加工實驗中刀具為刀頭直徑1 mm的三刃銑刀，加工實驗毛坯材料為直徑20 mm鋁合金棒料。加工過程中刀具按照預期設定的刀軌路徑進行走刀，加工過程材料去除均勻，切削平穩；加工完成的樣件與理論模型一致，驗證了機床仿真中刀具路徑規劃的正確性。

3 結論

本文研制了一臺微小型五軸數控機床，以吸振性良好的花崗巖材料為機床床身，各軸采用了直線電機、直驅馬達、絲杠滑臺驅動方式。對機床模型進行了受力變形分析，對薄弱環節進行了優化設計，對比變形前后機床的變形量，證明優化后的結構變形得到了明顯的改善。對機床進行了模態仿真，仿真表明機床各階振型中主要變形為A軸、B軸聯接處的弱剛度變形，仿真結果為機床控制優化和誤差補償的實施提供了參考和依據。最后，進行了機床的刀路規劃和加工實驗，實驗結果表明機床具有較好的加工能力，且加工刀路與仿真軌跡具有很高的一致性。