桌面式五軸六聯(lián)動(dòng)加工中心設(shè)計(jì)策略分析

羅強(qiáng) 吳小霞 張益維 吳光潔 何晶昌

作者簡(jiǎn)介：羅強(qiáng)（1988—），男，副教授，現(xiàn)主要智能制造、機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：對(duì)五軸加工中心的機(jī)構(gòu)及反饋系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，結(jié)合主要適用于高校及職業(yè)院校的數(shù)控理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)演示設(shè)備及玉石、實(shí)木、工程塑料等小型復(fù)雜零件加工設(shè)備需求，優(yōu)選了結(jié)構(gòu)剛度高、觀摩安全性高、適用桌面式構(gòu)造的結(jié)構(gòu)形式，并重點(diǎn)針對(duì)其動(dòng)態(tài)監(jiān)控反饋系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞： 桌面式;五軸六聯(lián)動(dòng)加工中心;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);系統(tǒng)控制

微型機(jī)床（Micro Machine Tools—MMT）和微加工（Micro Machining—MM）并不是將傳統(tǒng)加工工藝及裝備微型化，并用于微型零件批量生產(chǎn)的技術(shù);其設(shè)備原理及構(gòu)造、加工工藝與傳統(tǒng)方式有很大的不同[1-2]。因此，在微型機(jī)床的系統(tǒng)研究，還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，其中主要包括：原理及結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、與之配套的刀具夾具、產(chǎn)品生產(chǎn)制造工藝等研究。桌面式五軸加工中心就是微型機(jī)床的一大體現(xiàn)，因其體積小、慣性質(zhì)量小、發(fā)熱量小，具有能耗低、柔性大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，可以減小微型裝置生產(chǎn)線的全系統(tǒng)尺度規(guī)模，既可以節(jié)省能源又可以節(jié)省制造空間和資源，符合節(jié)能、環(huán)保的要求，是綠色制造的發(fā)展方向之一。

五軸加工中心即在一個(gè)機(jī)床上有五個(gè)坐標(biāo)軸，而且可在計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工，五個(gè)坐標(biāo)軸具體為X軸移動(dòng)組件，Y軸移動(dòng)組件，Z軸移動(dòng)組件，A軸旋轉(zhuǎn)組件，C軸旋轉(zhuǎn)組件。目前對(duì)于五軸加工中心的研究主要集中在中大型機(jī)床上，而對(duì)于小型的五軸加工中心的研制較少，由于桌面式微型五軸加工中心對(duì)玉石、實(shí)木、工程塑料等小型復(fù)雜零件加工的巨大優(yōu)勢(shì)，且對(duì)于高校及職業(yè)院校的數(shù)控理實(shí)一體化人才培養(yǎng)具有重要意義，并隨著創(chuàng)客的快速發(fā)展，桌面式微型五軸加工中心的需求進(jìn)一步擴(kuò)大，一批科研院校及科技公司開(kāi)始了對(duì)桌面式五軸加工中心開(kāi)始了研究探索。

一、關(guān)鍵技術(shù)

1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)

市場(chǎng)所需的五軸六聯(lián)動(dòng)加工中心的核心需求即為桌面化、低成本化，因此項(xiàng)目組在分析中大型加工中心的基礎(chǔ)上，結(jié)合桌面式五軸六聯(lián)動(dòng)加工中心的核心需求，分析常見(jiàn)的立式、臥式、搖籃式、龍門(mén)架式加工中心的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)[3]，提出目標(biāo)導(dǎo)向的桌面式加工中心結(jié)構(gòu)形式。

2. 電控系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)軟件

項(xiàng)目組深入研究現(xiàn)有加工中心的電控系統(tǒng)，大多數(shù)加工中心直接采用工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+步進(jìn)電機(jī)的電控架構(gòu)[4]，本文在以上電控架構(gòu)基礎(chǔ)上，采用兩電控架構(gòu)如圖1所示：“工控機(jī)+私服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)”和“工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+步進(jìn)電機(jī)+光柵尺”，構(gòu)建全閉環(huán)控制系統(tǒng)，保障桌面式加工中心的加工精度。

運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)軟件是加工中心的關(guān)鍵技術(shù)，不同運(yùn)動(dòng)控制卡配置了不同的驅(qū)動(dòng)軟件，但經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)軟件不同但架構(gòu)是相同的。利用國(guó)外DIY平臺(tái)公布的開(kāi)源驅(qū)動(dòng)軟件，進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，如圖2所示，以滿足自主研制加工中心設(shè)備的需求。

二、整體設(shè)計(jì)規(guī)劃

1. 功能要求

要求實(shí)現(xiàn)的功能有：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，整體體積較小;（2）設(shè)備外型便于觀察，且觀察時(shí)安全系數(shù)高;（3）加工精度有保障，可以滿足一般的文創(chuàng)等小型件的加工。

2. 設(shè)計(jì)目的

針對(duì)文創(chuàng)及教學(xué)示范使用的桌面式五軸加工中心仍然不多，市場(chǎng)需求量較大。該市場(chǎng)所需的五軸加工中心的核心需求即為桌面化、低成本化，因此項(xiàng)目組在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)針對(duì)小型化、桌面化，保證安全性的前提下優(yōu)化加工中心整體的可視程度，便于教學(xué)示范;在保障加工質(zhì)量的情況下，合理壓縮成本，推廣桌面式五軸六聯(lián)動(dòng)加工中心，助力創(chuàng)客市場(chǎng)發(fā)展。

3. 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)及樣機(jī)試制

利用Solidworks三維軟件對(duì)多種結(jié)構(gòu)的桌面式五軸加工中心進(jìn)行了建模設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)模型的運(yùn)行特性和強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。完成的數(shù)控加工中心模型如圖3所示。

三、結(jié)論

桌面式五軸加工中心主要為適應(yīng)高校等培訓(xùn)觀摩學(xué)習(xí)和創(chuàng)客使用需求，設(shè)計(jì)制造過(guò)程需要嚴(yán)格遵循目的導(dǎo)向，盡量降低制造成本、保障使用安全。在完成機(jī)械部件設(shè)計(jì)后，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)與之匹配的控制軟件，保障其加工精度。

參考文獻(xiàn)：

[1].斗山機(jī)床 DVF5000緊湊型五軸加工中心[J].現(xiàn)代制造，2021（06）：55.

[2]蘭志俊.高性能五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐與探索[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2022（04）：134-137.

[3]羅海軍.五軸一體式轉(zhuǎn)臺(tái)立式加工中心設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2021，34（03）：76-78.DOI：10.16576/j.cnki.1007-4414.2021.03.020.

[4]王勝曼.一種采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)奈遢S機(jī)床銑削力預(yù)測(cè)方法[J].機(jī)床與液壓，2022，50（06）：43-47.