五軸激光切割機床結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，五軸機床等高精度機床的研制成為一大難題。本文結(jié)合現(xiàn)有的五軸激光切割機床，擬定該機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案，設(shè)計了適應(yīng)實驗環(huán)境的機床床身和機床擺頭，為機床系統(tǒng)的開發(fā)提供有力的機械基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：五軸;激光切割;結(jié)構(gòu)設(shè)計

“智能制造”的提出，使中國制造行業(yè)發(fā)生了新一輪的變革與創(chuàng)新，制造業(yè)發(fā)展方向正在從產(chǎn)業(yè)范式向創(chuàng)新發(fā)展轉(zhuǎn)變，五軸激光加工技術(shù)的發(fā)展則是目前中國制造行業(yè)創(chuàng)新的重要組成部分。[1，2，3]而智能制造一體化系統(tǒng)的形成需要機械結(jié)構(gòu)的支撐，因此五軸激光切割機床結(jié)構(gòu)設(shè)計研究就顯得尤為重要。

1 整體結(jié)構(gòu)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(lǐng)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(jié)構(gòu)設(shè)計上來講，我們應(yīng)當(dāng)首先考慮的問題是如何搭建一個適合實驗室環(huán)境的五軸激光切割機床。第一種方案是采用雙回轉(zhuǎn)型的五軸激光切割機床，因為雙回轉(zhuǎn)型的剛性較好，而且這樣的結(jié)構(gòu)在市面上較為常見，國內(nèi)學(xué)者對其研究也比較多，因此這樣的結(jié)構(gòu)對日后的控制軟件的編寫有一定的幫助;但是雙回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)由A、C旋轉(zhuǎn)軸和X、Y、Z三個移動軸組成，初步設(shè)計的機床三維加工幅面3500×1500×1000mm3。與傳統(tǒng)的五軸機床結(jié)構(gòu)的不同點在于它的兩個旋轉(zhuǎn)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(shè)計可以提供很高的機械剛性，結(jié)構(gòu)緊湊。此外，由于五軸數(shù)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(xué)要求。該設(shè)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(dǎo)軌上進行直線運動的移動軸，而A軸是繞著X軸轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)軸，C軸是繞著Z軸轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)軸。A軸可以繞著X軸旋轉(zhuǎn)-125°～125°，C軸可以繞著Z軸旋轉(zhuǎn)-270°～270°。移動軸和旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計

機床床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較簡單，框架采用懸臂梁的結(jié)構(gòu)，X軸方向上曲柄滑塊機構(gòu)并且沿著懸臂梁上的導(dǎo)軌方向移動。Y軸方向也是采用曲柄滑塊機構(gòu)，我們在X軸方向上的兩個懸臂梁之間設(shè)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(dǎo)軌進行直線移動，并且該橫梁上設(shè)置有導(dǎo)軌，下方的機床擺頭部分可以沿著Y軸的導(dǎo)軌移動。而在Z軸方向上，我們采用的依然是曲柄滑塊機構(gòu)，在之前所設(shè)計的橫梁上設(shè)計一個Z軸上方向上的導(dǎo)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(dǎo)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(qū)動，因為后期的控制系統(tǒng)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(qū)動可實現(xiàn)X、Y、Z軸沿導(dǎo)軌移動的精確調(diào)節(jié)。[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(jīng)過退火消除內(nèi)應(yīng)力后進行再粗加工，接著經(jīng)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(jié)構(gòu)，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(chǎn)品重量、節(jié)約產(chǎn)品材料、產(chǎn)品資源優(yōu)化等目的。所焊接出的結(jié)構(gòu)剛度大，產(chǎn)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(jié)構(gòu)。

3 機床擺頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機床擺頭由兩個轉(zhuǎn)矩馬達、兩個反射鏡和反射鏡座、防撞裝置、調(diào)高機構(gòu)和切割頭組成。其中，兩個轉(zhuǎn)矩馬達控制的是A、C兩個軸的旋轉(zhuǎn)，它們中間是空心的，提供激光束的導(dǎo)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?shù)角懈铑^上。

反射鏡座可以調(diào)節(jié)反射鏡的鏡面反射角度，保證了激光導(dǎo)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(dāng)檢測到撞刀問題時，激光切割頭就可以自動脫落;而調(diào)高機構(gòu)是為了實現(xiàn)激光切割頭與工件之間的距離保持一致。

旋轉(zhuǎn)軸的兩個控制電機都是選用臺灣上銀公司的TMY旋轉(zhuǎn)平臺系列，TMY旋轉(zhuǎn)平臺整合高解析度絕對式解角器，具備高動態(tài)反應(yīng)、高扭力輸出以及高精度定位的能力，可應(yīng)用于需精準(zhǔn)定位的工業(yè)需求。其還具備外轉(zhuǎn)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(fù)歸的步驟，高動態(tài)、高扭力以及高精度扭力瞬間最高可達12～300Nm，滿足各種應(yīng)用需求，適應(yīng)特殊環(huán)境。

4 結(jié)語

本文在現(xiàn)有的五軸激光切割機床的設(shè)計研究基礎(chǔ)上，進行了設(shè)計方案的擬定和機床結(jié)構(gòu)的改進，包括機床的床身結(jié)構(gòu)設(shè)計和機床擺頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并且簡單分析了機床五根軸驅(qū)動電機的選擇，為以后五軸激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)的編寫提供了機械基礎(chǔ)，并且已經(jīng)申請了相關(guān)專利。

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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。