高性能五軸聯(lián)動機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐與探索

蘭志俊

（黃鵠（上海）機(jī)床有限公司,上海 201613）

五軸聯(lián)動加工中心具有高效率、高柔性、高精度等特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間曲面的加工,在眾多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,尤其隨著國內(nèi)產(chǎn)業(yè)升級,五軸加工中心的需求持續(xù)增長,具有很好的市場前景。目前我國的高端五軸數(shù)控機(jī)床市場主要由歐美日等國的產(chǎn)品占據(jù),一些國內(nèi)廠家雖然開發(fā)了多型同類型高檔數(shù)控機(jī)床,但是在加工效率、精度、可靠性等方面仍有明顯差距。

本文圍繞一款高性能五軸聯(lián)動機(jī)床進(jìn)行研究,對機(jī)床的核心功能部件進(jìn)行自主設(shè)計(jì)開發(fā),并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、精細(xì)裝配等手段,實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的高精度、高剛性和高可靠性。

1 設(shè)計(jì)目的

五軸聯(lián)動加工中心的效率高、適應(yīng)性強(qiáng),可以用于復(fù)雜曲面和多面體零件的加工,在模具加工、飛機(jī)制造、汽車制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,隨著產(chǎn)業(yè)升級,其需求也在持續(xù)增長。國外的五軸加工中心雖然品質(zhì)可靠,但存在交貨期長和價(jià)格高的不足,國內(nèi)產(chǎn)品則往往性能欠佳,無法滿足生產(chǎn)需求。因而,一款更具性價(jià)比的五軸聯(lián)動加工中心將會有不錯(cuò)的市場表現(xiàn),針對此,公司組織了專業(yè)團(tuán)隊(duì),進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)、制造和銷售,計(jì)劃設(shè)計(jì)制造一款高性能的五軸聯(lián)動機(jī)床。該款高性能的五軸聯(lián)動機(jī)床將與國外同類型機(jī)床競爭,在加工精度、加速度和可靠性等方面達(dá)到進(jìn)口機(jī)床水準(zhǔn),并在交貨期和價(jià)格方面具備足夠的競爭力。

2 參數(shù)要求

本款機(jī)床主要用于加工1 米以下尺寸的工件,可以加工硬質(zhì)材料,如模具鋼或鑄鐵件,也能用于加工輕質(zhì)的鋁合金或高分子合成材料,因此主軸和機(jī)床各軸的剛性、運(yùn)動速度和動態(tài)精度都要很高,同時(shí)為了增大加工區(qū)域的空間,機(jī)床采用了B 軸+C 軸的結(jié)構(gòu),即旋轉(zhuǎn)銑頭和轉(zhuǎn)臺,以此來實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動。機(jī)床的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 五軸加工中心主要技術(shù)參數(shù)

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)

該型機(jī)床的設(shè)計(jì)目標(biāo)是適應(yīng)多種行業(yè)需求,既可以加工精密模具、汽車零部件等硬質(zhì)材料,又可以加工鋁合金、高分子合成材料等軟質(zhì)材料,因而要求機(jī)床具備高剛性、高速、高精度和高可靠性的綜合性能,以便在低速重切削和高速輕切削時(shí)獲得同樣高質(zhì)量的零件。圖1 是五軸加工中心的裸機(jī)結(jié)構(gòu)圖。圖中的1 是床身,本款機(jī)床設(shè)計(jì)采用X、Y 軸布置的“T”字型整體鑄件來確保整臺機(jī)床的基礎(chǔ)剛性,并且X、Y 軸傳動的電機(jī)座和絲桿軸承座也與床身鑄造在一起的,這樣整體式的結(jié)構(gòu)可以降低安裝和調(diào)試的難度,利于批量生產(chǎn)時(shí)的質(zhì)量控制；2 是X 軸立柱,同樣將電機(jī)座和絲桿軸承座整體鑄造,考慮到運(yùn)動速度要求,該零件經(jīng)過了重量優(yōu)化；3 是Z軸滑枕與銑頭合為一體直接鑄造,屏蔽了滑枕與銑頭采用裝配工藝產(chǎn)生的剛性不足問題,銑頭B 軸采用斜45 度結(jié)構(gòu),主軸箱與滑枕依靠轉(zhuǎn)臺軸承連接,B 軸回轉(zhuǎn)軸線與X/Z 移動軸形成的平面呈45 度夾角,方便機(jī)床進(jìn)行立臥式轉(zhuǎn)換；4 是電主軸,直接安裝在銑頭主軸箱；5 是旋轉(zhuǎn)工作臺作,用于承載夾具和工件,它作為本款機(jī)床的C 軸；6 是旋轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)臺基座,在Y 軸導(dǎo)軌上移動。

圖1 五軸加工中心總體結(jié)構(gòu)

本款機(jī)床的X/Y/Z 直線移動軸都采用了高精度中載線軌,使機(jī)床在大載荷和高速度之間達(dá)到性能均衡；B 軸和C軸兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸采用的是推力向心圓柱滾子軸承,用以確保兩個(gè)關(guān)節(jié)的剛性,使B/C 旋轉(zhuǎn)軸能夠有更大的承載,同時(shí)也保證了旋轉(zhuǎn)精度。

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

4.1 銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本款五軸加工中心的銑頭B 軸采用斜45 度結(jié)構(gòu),即B軸回轉(zhuǎn)軸線與X/Z 移動軸形成的平面呈45 度夾角,此結(jié)構(gòu)形式便于采用更大尺寸的推力軸承,可以有效強(qiáng)化B 軸關(guān)節(jié)的剛性。銑頭的驅(qū)動方式一般有直驅(qū)和減速機(jī)驅(qū)動,直驅(qū)的結(jié)構(gòu)簡單,便于加工制造和標(biāo)準(zhǔn)化,缺點(diǎn)則是成本高,占用空間大,發(fā)熱大,容易造成系統(tǒng)精度的溫度漂移。綜合考慮后,該款機(jī)床傳動設(shè)計(jì)上采用了減速機(jī)的結(jié)構(gòu),通過大減速比的行星減速機(jī)將伺服電機(jī)的驅(qū)動力矩放大后傳導(dǎo)給B 軸齒輪,從而驅(qū)動B 軸旋轉(zhuǎn),并保證其具有高的加速度,達(dá)到機(jī)床整機(jī)響應(yīng)速度的要求。減速機(jī)同樣采用45 度布置,軸線與B 軸軸線平行,該方式可以使用直齒輪傳動,避免了使用傘齒輪帶來的齒輪加工和安裝調(diào)試?yán)щy等問題。但采用齒輪傳動又會產(chǎn)生反向間隙,使刀尖位置失控,體現(xiàn)在加工工件表面的形狀上就是過切或者欠切,為此設(shè)計(jì)時(shí)采用了雙減速機(jī)的結(jié)構(gòu),也就是在原有傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)相同的減速機(jī),兩個(gè)減速機(jī)的主動軸同步帶輪和驅(qū)動電機(jī)的同步帶輪由同一條同步帶連接,即由同一個(gè)伺服電機(jī)提供動力,利用同步帶的張力使兩組減速機(jī)承受反向力,在工作時(shí)一個(gè)減速機(jī)負(fù)責(zé)提供動力,另一個(gè)減速機(jī)負(fù)責(zé)提供反向力來消除間隙,從而實(shí)現(xiàn)了單驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動五軸頭平穩(wěn)運(yùn)行。

圖2 是機(jī)床的銑頭結(jié)構(gòu),1 是銑頭本體,采用整體鑄造件,推力軸承直接安裝于銑頭前部加工出的安裝面上；2 是伺服電機(jī),用于提供B 軸的驅(qū)動力,該電機(jī)工作負(fù)荷較大,在設(shè)計(jì)時(shí)特意增加了安裝過渡法蘭,減少伺服電機(jī)發(fā)熱對銑頭精度的影響；3 是同步帶,用于傳遞伺服電機(jī)的驅(qū)動力,并提供消除反向間隙的預(yù)加力；4 是減速器,此處配備了兩個(gè)同型號的減速器,它們的從動軸齒輪同時(shí)作用于B 軸齒輪。

圖2 銑頭傳動結(jié)構(gòu)

4.2 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電主軸是機(jī)床的核心部件,為滿足本款五軸加工中心的需求,電主軸的最高轉(zhuǎn)速必須要達(dá)到18000rpm,功率達(dá)到25kw,連續(xù)功率模式下扭矩要達(dá)到100NM以上,且功率密度要高,以便實(shí)現(xiàn)更小的體積和重量。

圖3 是本款主軸的結(jié)構(gòu)圖,其中1 是主軸殼體,由鑄件一體加工,外部設(shè)計(jì)了螺旋狀的導(dǎo)流筋,在裝入銑頭的主軸箱后,與主軸箱一起形成密閉的冷卻水道,并將冷卻液導(dǎo)入前端軸承座3,用于冷卻軸承和主軸定子；2 是芯軸,錐孔結(jié)構(gòu)選擇了HSK63A,該刀柄形式可以適應(yīng)更寬的轉(zhuǎn)速范圍,芯軸的外尺寸主要由軸承和轉(zhuǎn)子選型來確定,并要兼顧剛性,本款主軸前后端軸徑分別為80mm 和55mm；3 是前端軸承座,內(nèi)部設(shè)計(jì)了冷卻水道來冷卻前后兩片軸承；4 是前端軸承,此處選擇了占用空間更小的719 系列軸承,為了同時(shí)滿足軸向載荷和徑向載荷,將接觸角定在了25 度,該角度軸承的兩個(gè)方向承載比較均衡,且可以滿足18000rpm 高轉(zhuǎn)速的要求,預(yù)緊方式為彈簧預(yù)緊,即使用彈簧來提供軸承的預(yù)緊力,該預(yù)緊方式可以使軸承的預(yù)緊力恒定和可控,而且可以很好的補(bǔ)償芯軸的熱伸長,可以確保主軸在高低轉(zhuǎn)速時(shí)的剛性穩(wěn)定；5 是電機(jī)轉(zhuǎn)子,通過過盈配合裝配在芯軸上,材質(zhì)選擇了銅,用于增加電機(jī)的功率密度；6 是定子繞組,此處采用了塑封處理,可以防止油液等傾入導(dǎo)線,有效延長主軸的壽命；7 是拉刀系統(tǒng)的拉刀桿,選用的是德國羅姆公司的產(chǎn)品,可以提供25KN 的拉刀力,使用壽命10 萬次以上；8 是后端軸承,為補(bǔ)償主軸工作時(shí)的熱伸長,后端采用了浮動結(jié)構(gòu),可以延軸線方向自由滑動,軸承為兩片DB 結(jié)構(gòu)的719 系列軸承；9 是主軸測量系統(tǒng),本款主軸選擇了磁感應(yīng)編碼器,他可以適應(yīng)高轉(zhuǎn)速要求,并且有很好的耐污性；10 是旋轉(zhuǎn)接頭,用于刀具加工時(shí)的中央噴水,旋轉(zhuǎn)接頭可以承受達(dá)80bar的出水壓力,用于快速深孔鉆的排削非常有效；11 是液壓缸,主軸松刀時(shí)用來推動拉刀桿向前運(yùn)動,此處的液壓缸進(jìn)行了全新設(shè)計(jì),軸向的尺寸有所減小,用來控制整個(gè)主軸的長度。

圖3 電主軸結(jié)構(gòu)

4.3 床身一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本款機(jī)床最初的方案是床身分體設(shè)計(jì),即X 軸和Y 軸的床身分別鑄造加工后再組合起來作為整體床身,這種模塊化的方案利于標(biāo)準(zhǔn)化和柔性設(shè)計(jì),零部件的通用性好,但在評審時(shí),考慮到X/Y/Z 三個(gè)直線軸的進(jìn)給速度達(dá)到60m/min,五軸聯(lián)動加工時(shí)頻繁的加減速沖擊,以及環(huán)境溫度變化時(shí)的整體變形,最終將床身結(jié)構(gòu)確定為整體式的T 型布局,雖然整體床身的成本高、制造周期長,但是他的剛性強(qiáng)、精度易于控制、穩(wěn)定性好,對于整機(jī)的調(diào)試安裝非常有利。

圖4 是床身結(jié)構(gòu)圖,其中1 是床身整體,在確定床身尺寸時(shí)要確保X 軸和Y 軸的有效行程,同時(shí)結(jié)合工藝排布時(shí)選定的設(shè)備加工范圍,滿足一次裝夾可以加工所有基準(zhǔn)面,從而獲得較高的幾何精度,且量產(chǎn)的穩(wěn)定性好,床身整體偏置布置,增大了加工空間的實(shí)際可加工范圍,刀庫布置在偏置的反向,并與床身剛性連接,這樣可以使換刀位置穩(wěn)定,且可以糾正床身的重心位置；2 是Y 軸安裝的基準(zhǔn)面,設(shè)計(jì)尺寸依據(jù)選定的中載導(dǎo)軌來確定；3 是Y 軸伺服電機(jī)和絲桿座,與床身本體一體加工,可以獲得較好的形位精度；4 是X軸導(dǎo)軌安裝面,由于本款機(jī)床使用了45 鍍B 軸加C 軸的方式來實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動,導(dǎo)致主軸處于臥姿時(shí)會位于整個(gè)五軸頭的下端,這里將X 軸安裝面做了抬高設(shè)計(jì),不但保證了Z 軸的有效行程,而且利于控制X 軸立柱的整體重量,使得機(jī)床可以擁有更好的滿足動態(tài)性能；5 是X 軸電機(jī)和絲桿座,6 是X 軸尾端絲桿座,X 軸絲桿用于驅(qū)動X 軸立柱和整個(gè)五軸頭及其附件,要使如此重量的部件具有很好的動態(tài)性能,減小軸移動產(chǎn)生的反向間隙,必須在絲杠安裝時(shí)進(jìn)行預(yù)拉緊處理,而將電機(jī)和絲桿座與床身一體設(shè)計(jì),可以使這兩個(gè)部位承受載荷能力更強(qiáng),穩(wěn)定性和精度也得以保證。

圖4 床身結(jié)構(gòu)

5 樣機(jī)調(diào)試與優(yōu)化

本款加工中心共有三個(gè)直線軸和兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸,在機(jī)床裝配完成后使用激光干涉儀、方尺和芯棒,對他們的直線度、垂直度、母線、回轉(zhuǎn)中心進(jìn)行了精確測量,依據(jù)測量結(jié)果對調(diào)整墊片進(jìn)行了配磨,將機(jī)床形位誤差進(jìn)行修正；然后將機(jī)床X軸正負(fù)軟極限之間,距離Y 軸正軟極限500mm 內(nèi)和距離Z軸正軟極限300mm 內(nèi)的區(qū)域界限處設(shè)置為銑頭安全旋轉(zhuǎn)的外邊界,在不設(shè)置工件區(qū)域條件下,在上述規(guī)定區(qū)域中,激活五軸聯(lián)動,確認(rèn)五軸插補(bǔ)功能正常后,使用探頭測量五軸聯(lián)動誤差,再綜合五個(gè)軸的幾何誤差后輸入到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償參數(shù)中進(jìn)行補(bǔ)正；使用誤差補(bǔ)正后的加工中心來進(jìn)行溫度漂移測量,即在空運(yùn)行、三軸試切、五軸聯(lián)動試切等不同情況下進(jìn)行了長時(shí)間的跑合測試,記錄大量的溫度變化和精度變化數(shù)據(jù),通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,再結(jié)合床身關(guān)鍵部位布置的溫度傳感器,歸納出了溫度漂移曲線,用于控制系統(tǒng)對溫度變化引起的誤差補(bǔ)償,提高機(jī)床的實(shí)時(shí)動態(tài)精度。

經(jīng)過了一系列的調(diào)試和優(yōu)化后,本款五軸加工中心的各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖5 是運(yùn)用本款加工中心完成的S 型試件,在整個(gè)試切過程中,機(jī)床運(yùn)行非常穩(wěn)定,插補(bǔ)過程中無過切欠切與撞刀現(xiàn)象,加工完成后的零件表面光滑,三坐標(biāo)測量顯示,試件完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),整臺機(jī)床的加工能力符合預(yù)期。

圖5 S 型試件

6 結(jié)論

綜上所述,本文針對一款高性能的五軸聯(lián)動機(jī)床進(jìn)行了機(jī)床的整體開發(fā),設(shè)計(jì)了配備雙減速機(jī)的45 度銑頭、整體式的T 型床身以及高速電主軸,使機(jī)床具備了高剛性、高精度、高速度和可靠性,并在裝配完成后進(jìn)行了調(diào)試和優(yōu)化,最終運(yùn)用該加工中心進(jìn)行了S 型試件的五軸聯(lián)動加工,加工完成后的零件表面光滑、精度合格,顯示該機(jī)床的加工能力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。