小型五軸數控機床的設計

周守勝

（沈陽機床（集團）有限責任公司設計研究院，遼寧沈陽 110142）

0 引言

隨著科學技術的發展和機械自動化程度的提高，機床向著高效自動化的方向發展。在這種情況下，具有高性能、高精度、高速化的數控機床[1]得到了廣泛發展。在數控機床當中表現最為突出的是五軸數控加工機床，其加工范圍廣、高可靠性而其中小型五軸數控機床是一種面向于加工3C行業、鐘表、珠寶裝飾品、無人機、醫療器械等行業[2]的小型零件為主的微細金屬切削機床，對比現有加工中心產品不但可以加工形狀尺寸更為復雜的零件[3]，同時可以降低制造成本。隨著新技術、新工藝和新材料的不斷應用，小型五軸數控機床已經成為最理想的加工設備，如在針對復雜曲面如無人機的螺旋槳和飾品等零件時，具有工序集成、減少裝夾的加工優勢，是其他產品不具有的優勢。

1 總體方案設計

1.1 機床參數

本文主要研究的小型五軸數控機床型號為M3.2，轉臺采用BC軸形式，加工材料可以是鋁件、鋁合金、珠寶首飾常用金屬等，加工主要對象為手表、無人機、珠寶、工藝品、葉輪等，因此對機床性能提出很高的要求，M3.2是一種具有高精度的五軸數控機床，其主軸最高轉速達到30 000 r/min，定位精度控制可達μ級，同時通過自主研發的系統控制方法，實現優越的運動性能。表1是小型五軸數控機床的主要技術參數。

表1 M3.2五軸數控機床的主要技術參數

1.2 主要部件

M3.2五軸機床主要結構件包括床身、立柱、橫梁、滑板、主軸箱；關鍵零部件包括五軸轉臺、電主軸和刀庫等一些基礎件。主要特征有：整機采用天車式結構，整體布局緊湊合理，保證良好的強度、剛性和穩定性，其中立柱區別于原有龍門式結構，進行了一體化設計，通過合理的結構布局及加工保證精度和可靠性，立柱側面通過布置特殊的網格化筋格有效保證了部件的剛度和強度，同時降低了制造成本，主軸箱將懸伸進一步縮短，減少由于自重產生的懸臂變形，同時通過合理的設計保證熱變形穩定性，五軸轉臺卡盤直徑為170 mm。

2 主要機械結構設計

2.1 設計思路

機床設計的目標是滿足加工性能需求，高速五軸機床要實現高速的高精度的性能就必須使機床的整機特性滿足其加工的要求，機床的整機特性越高，其加工性能也就越好。機床的整機特性包括靜態特性、動態特性和熱特性。機床的整機特性與機床的每個部件的結構性能和接合面的連接剛性有關。本文基于有限元方法對主要部件進行優化設計，其中模態分析是基于對部件自身固有頻率進行分析，得到在每種頻率下的振型，判斷在此種振型下部件存在的問題并進行合理優化，提升固有頻率以提高機床的動態特性、加工時的穩定性和加工質量。通過模態分析后主要考慮部件的尺寸結構以及板筋的布置，地腳的位置等等，這些都是決定自身固有特性好壞的關鍵要素。因此，機床部件結構的確定都是需要多次設計與修改，利用先進的CAE軟件可以做到精確的設計與驗證。

2.2 床身和立柱

床身屬于各個結構部件的基石，支撐其他部件及加工零件，其結構性能對整機特性影響很大；床身的結構特性好壞關系到整個機床的加工精度和加工質量，以及整機運行穩定性和工作壽命；立柱是支撐移動部件主軸箱的關鍵部件，立柱結構的好壞直接決定了主軸箱的運動精度及穩定性，本文對床身和立柱進行了模態分析，并在此基礎上進行反復的優化設計，優化后結構頻率提升明顯。

2.3 橫梁和滑板

橫梁及滑板配合結構區別于原有長方體結構，橫梁與滑板采用等腰直角三角柱型結構，橫梁與滑板結合面處呈階梯面結構，從側面看主體支撐結構二者搭接完成后呈矩形結構，滑板一端通過導軌與主軸箱連接，滑板受到主軸箱通過導軌傳遞的重力等外力，因三角形結構在受力過程中不易變形使得滑枕剛度及強度能有效提升，保證了前端主軸箱運動過程中的穩定性，進一步保證機床加工穩定性。滑板與橫梁通過導軌連接整體呈矩形結構，橫梁及滑板中間通過傳動系統帶動使得滑枕可沿橫梁做直線運動，滑板受力將水平及豎直方向都反饋到橫梁上，二者受力平衡有效減少鑄件變形，通過二者三角形結構布置，區別于另一個矩形搭接，有效減少了橫梁及滑板兩個零件的重量，使得滑板沿橫梁直線運動，橫梁沿立柱直線運動時運動部件重量降低，提升了機床的動態響應，將滑板及橫梁等腰直角面縮短，兩個直角邊長度為415 mm，使得在受力后橫梁及滑板不易變形。

此種結構適合于天車式機床機構，即機床3個運動軸（X、Y、Z）都不直接安裝于床身上，而是通過與床身連接的立柱安裝在立柱上方，床身上安裝五軸轉臺結構的機床。該結構區分于普通兩個長方體正向搭接結構有效降低了二者搭接后的總高度30%，既節約了材料，又滿足了機床使用要求。

此結構的設計可以有效減輕運動部件的質量，顯著的提升了機床的動態響應速度，又因橫梁及滑板均為三角柱型結構，在受力后因三角形特殊性受力不易變形，有效的提高了橫梁及滑板的剛度及強度。

在以上設計的基礎上，采用模態分析對橫梁和滑板進行進一步的優化設計。

2.4 主軸箱

主軸箱是五軸機床的核心部件之一，結構設計是否合理直接影響靜動態性能，從而影響機床加工精度、精度穩定性和抗振性。機床在工作過程中，主軸箱在滑板上做上下移動，主軸中心離主軸箱的安裝面有一段距離，自然會產生彎矩，切削產生反力會直接傳遞到主軸箱上，產生一定的變形。M3.2的主軸箱的設計減小了主軸中心距安裝面的距離，并且使用CAE軟件進行結構優化及熱分析，將主軸箱做成熱對稱式結構設計不僅保證了主軸箱的結構鋼性，還保證了熱變化對機床的精度影響，同樣對主軸箱進行了模態分析優化結構設計。

整機優化最終結果見圖1。

圖1 整機前三階模態

3 傳動系統設計

傳動系統是機床非常重要的組成部分，直接關系到機床的運動精度、穩定性、加工特性和整機性能[4]，本文主要介紹X軸傳動系統設計過程，Y軸、Z軸計算方式與X軸基本相同。

X軸傳動系統計算如下：

根據機床性能及加工能力定位，初步確定X軸基本參數（表2）。

表2 X軸基本參數

初選絲杠導程，根據式（1）計算：

其中，Ph為絲杠導程，n為電機到絲杠軸的傳動比，Vmax為快移速度，Nm為電機最高轉速，最終確定絲杠導程為12 mm，根據廠家產品及設計經驗確定絲杠直徑為16 mm。

絲杠基本參數確定后需要進行校核，驗證所選絲杠是否符合要求，主要校核方式有兩種。

3.1 允許軸向負荷的驗算

3.1.1 絲杠軸允許壓縮載荷

絲杠所受軸向力作用有可能造成失穩現象，因此需要對壓縮載荷P1進行計算，且需要滿足最大軸向力小于此載荷。

式中 P1——允許壓縮載荷，N

η——與絲杠安裝相關的系數

d——絲杠螺紋小徑，mm

l——絲杠安裝兩端跨距，mm

3.1.2 絲杠軸允許交變載荷

絲杠在正常使用過程中會受到交變載荷P2的作用造成絲杠軸屈服，因此必須校核。

式中 P2——允許交變載荷，N

σ——允許交變應力，MPa

軸向最大載荷需要根據幾種狀態確定，包括最大切削狀態、加速狀態、粗加工、精加工等，根據機床實際情況確定最大軸向載荷為1003 N，通過公式計算得出的P1和P2，滿足使用要求。

3.2 允許轉速的驗算

絲杠在高速運轉過程中容易發生顫振現象，因此需要計算絲杠軸容許的極限轉速，N：

式中 N——允許極限轉速，r/min

λ——與絲杠安裝相關系數

lb——絲杠安裝兩端跨距，mm

計算得到結果大于絲杠最高轉速，滿足使用要求。

絲杠參數選擇完畢后需要計算負載轉動慣量（輸出軸）和電機的轉動慣量比來確定所選電機是否能夠達到比較理想的控制效果，一般負載慣量JL與電機慣量JL的轉動慣量比控制在3以內。

負載端的轉動慣量主要由兩部分組成，第一部分是負載重物的轉動慣量JL1，計算如式（5），另一部分是絲杠自身的轉動慣量JL2，計算如式（6）：

式中 m——負載重物質量，kg

Ph——絲杠導程，mm

式中 ρ——絲杠密度，kg/mm2

L——絲杠有效長度，mm

r——絲杠半徑，mm

根據上述公式計算得出負載的總慣量JL為4.58 kg·mm2。查找電機樣本，確定電機轉動慣量為25 kg·mm2，則轉動慣量比為0.18，所以符合實際需求。

（1）電機額定轉速：T額=3000 r/min，而Nmax＜T額，所以可以使用。

（2）扭矩的有效值Trms==2.3 N·m。

電機所需扭矩Tmax=T1+T2+G+T3=13.7 N·m。結論：Trms＜Tmax，所以可以使用。

（3）慣性矩J=0.001 5 kg·m2。

電機上的慣性矩要具有作用在電機上的慣性矩的1/3以上，所以伺服電機的慣性矩必須為0.000 52 kg·mm2以上。而電機的慣性矩為0.006 8 kg·m2＞0.000 52 kg·mm2，所以可以使用。

4 結語

本文介紹研發的一臺小型五軸數控加工機床，詳細設計了主要部件，并根據模態分析結果進行優化，得到滿足要求的結構形式，同時將傳動系統進行詳細設計，滿足了機床實際加工需求。