高性能五軸聯動機床結構設計與系統應用分析
2021-5-14 來源： 重慶理工大學 作者：張雄
摘要：本文就我國自主研究的高性能五軸聯動機床的結構設計和系統應用進行簡要分析，主要有五軸聯動機床的總體結構、機床數控系統的硬件部分以及機床數控系統的應用軟件，以為今后此方面的開發和研究積累一些經驗。
關鍵詞：高性能；五軸聯動；機床結構設計；系統應用
0 引言
最近幾年，我國數控機床生產制造技術呈現良好的發展趨勢，其中五軸聯動加工中是重點產品。為打破數控機床高端市場被歐美日等國占據的局面，加強高性能的五軸聯機床加工中心是主要的出路。為此，我國很多開發研究人員致力于高性能數控機床的研究，尤其在高可靠性、高精度、高速度的機床設備的研究上，更是付出非常大的努力。而想要開發制造高精尖的五軸聯動機床設備，不但需要吸收國外先進的技術，更應該潛心研究基本結構以及工藝設計，這樣才能打造出屬于我國自己的五軸聯動機床設備。
1、五軸聯動機床的總體結構
1.1 五軸聯動機床簡述
此次研究的主要對象是高性能的五軸聯動機床，型號為 HU900，此機床的核心功能部件的結構實現自主設計和開發，以數控系統的后臺程序進行了研究，進而開發出不同種類的功能應用包。此設備最為突出的特點則是高剛性、高精度、高可靠性，具備防錯誤操作的優點。
1.2 主要的參數
此次研究的五軸聯動機床以 B+C 結構為主，也就是旋轉臺融合旋轉銑頭。此設備可加工的范圍是小于 1 米尺寸的工件，并且保證加工通用性，加工對象的材質可以是硬質鑄鐵件，可以是硬質鋼件，還可以加工輕質鋁合金，甚至是高分子合成材料。這就對于主軸以及機床各個軸體的移動速度以及動態精度，提出非常高的標準，機床主要的參數可見表 1。
表 1 五軸聯動機床的技術參數
1.3 結構的總體設計
此五軸聯動機床設備主要用來加工非常復雜的零件，像汽車零部件、精密模具、航空結構件等等，為此本機床一定要能適應大力低速的重切削，還必須適應高速的輕切削，機床的綜合性能良好，有著高精度、高速、高可靠性和高剛性。如果是不移動的部件，一般以整體結構的方式存在；而移動的部件則應當確保剛性，同時盡量的輕量化，整體結構見圖 1。
圖 1 HU900 型機床的結構
1、X、Y 軸床身；2、立柱；3、Z 軸滑枕；4、電主軸；5、轉臺座；6、旋
轉臺；7、伺服電機；8、滾珠絲杠；9 電機座；10、絲桿軸承.
詳細結構：圖 1 中的 1 號部分是 X、Y 軸床身，以 T 字形式存在，采用整體鑄造的方式，這樣能保證機床基礎剛性，并且 X、Y 軸傳動的 10 號位置的絲桿軸承座和 9 號位置的電機座，與床身鑄為一體；2 號部分的立柱，與絲桿軸承和電機座也是整體鑄造；3 號部分的 Z 軸滑枕與銑頭為一體鑄造，這樣就能避免滑枕同銑頭連接裝配過程中剛性不夠問題發生，銑頭的 B 軸保持 45°，B 軸回轉軸線以及X/Z 移動軸構成平面之間呈現為 45°的夾角，這樣就能為機床的臥式轉換提供方便，強化了加工刀的受力支撐；4號部分是電主軸，被裝到銑頭的主軸箱中；5 號位置是轉臺座，以 Y 軸導軌為基礎進行移動；6 號位置則是旋轉臺，將其作為 C 軸；7 號位置是伺服電機；8 號位置是滾珠絲杠；9 號位置是電機座；10 號位置是絲桿軸承。
為讓機床設備適用范圍更廣，滿足高速度、大切削力、大承重的要求，其 X/Y/Z 直線的移動以高精度的中載線軌進行；并且 BC 旋轉軸以推力向心圓柱滾子軸承為主，這樣能確保 BC 旋轉軸可以接受到最大承載力，并且有著很高的旋轉精度。此機床在運動的過程中，涉及到的主要受力部分盡量不使用螺釘進行連接裝配，這樣才能保證機床剛性很好，而后以有限元模擬進行受力分析，確定出各個部件結構以及尺寸。
1.4 傳動的結構
從圖 1 中可以看出，X/Y/Z 的直線軸中，7 號位置和 8號位置的伺服電機和滾珠絲杠，以聯軸器進行連接傳動，安裝絲杠的時候，應當做預拉緊的處理，使用雙螺母絲杠，才能有更大的預緊力，這樣能很好地減小軸移動時出現的反向間隙，進而延長此部分的使用壽命。
另外，核心功能的部件就是 BC 旋轉軸，最終確定使用雙齒輪的消隙傳動結構，優點為耐磨和精度高，從而能實現大扭矩轉動，大大提升了 BC 軸在運行時的可靠性。如果使用渦輪桿傳動，可能會存在一些問題，其一為傳遞速度有限制，其二則會加速磨損，如果進行插補，其精度以及壽命都不能得到良好保障。另外，如果使用直驅電機，也存在一些缺點，發熱量過大、扭矩受到限制。
還有就是主軸部分，運用異步電主軸，作為核心的部件，整個設計的要求：可實現較大扭矩的轉動、高精度、高轉速，這樣才會同機床加工使用對象的加工范圍相匹配。電機采用了功率非常高的銅轉子電機，在前端有 2 片陶瓷球角的接觸軸承，并且固定存在；而在后端也有 2 片陶瓷求球角的接觸軸承，但是卻能進行有限的軸向移動，如果主軸出現熱伸長的問題，就能通過后端軸承朝著后方向的移動進行抵消。
運用了有限元建模的方式，對主軸結構進行優化，可大大提升主軸剛性。機床實際運行中，主軸會有大量熱產生，為此配備專門的恒溫冷卻系統，可幫助主軸散熱；將溫度傳感器埋設在主軸的附近，可實時地監控著軸承溫度。機床主軸運行的時候，會有很多切削液流出，可能進到主軸旋轉縫隙里面，污染到軸承，還可能燒毀電機，為解決此問題，設計出迷宮形式的氣密封在主軸前端縫隙部分，可避免任何異物進到主軸的內部，讓主軸可靠性大大提升。
2、機床數控系統的硬件部分
此機床設備運用西門子的 840D SL 系統，為 PC 集成的數控結構，可實現通訊模塊與不同控制器的集成，進而讓這些部分同一在一個數控單元 NCU 之中，為此功能非常強大和完善，采用分布式的連接，有著模塊化的架構，靈活的配置，為此可實現多軸系統的配置。此數控單元是 NCU 的 720.3 的版本，本身帶有工業以太網，能夠連接手輪、機床操作面板 MCP 以及計算機單元 TCU。因為 TCU 沒有系統軟件，也就是一種無盤的終端，可借助網絡連接到 NCU，然后裝載對應的操作系統。本五軸聯動機床需要的軟件包，應當獲取出口的授權，然后存儲到 CF 卡里面。在 NCU 單元中 X132.11 以及 X122.11的口， 僅用在探頭測量信號的接入部分 ，X132.10、X132.7、X132.4 和 X132.1，用來快速地進行 I/O 類信 號的接入，并且有相應的變量，而這些變量能夠從 NC 程序中直接調用。并在 NCU 的內部，設置 PCL，其能以Profi BUS 的通訊總線以及各個外部的 IO 站點模塊進行連接，還能連接模擬軸驅動模塊。此機床設備的 XY 軸和BC 兩軸均采用了雙電機的驅動模塊，而 Z 軸和主軸則運用了獨立電機驅動模塊，以 Drive-CLIQ 接口分布式的方式與 NCU 單元進行連接。
3 、機床數控系統的應用軟件設計
3.1 HMI 界面
本機床選用的數控系統是可自行設計參數的系統，這就能讓研究人員對應用程序軟件進行深度開發。為此HMI 界面設計具有一定開放性，可以將不同應用放在同個界面中，這樣后期操作人員操作起來比較方便。HMI 界面可以激活五軸聯動以及設置參數，還可以預先檢查 NC 程序中刀具路徑以及加工方式，進而防止機床加工的撞機問題。因為五軸聯動加工的復雜性，出現撞機問題的可能性非常大，為此一定能具備防撞機的程序；可在 HMI 界面設計功能按鈕，用戶就能輕松調用程序。
3.2 功能軟件
第一，保證銑頭的安全，需要在后臺中，設置銑頭旋轉安全范圍，判斷條件包含刀長變量，只要機床工作，安全范圍就存在，這樣能避免銑頭與機床鈑金、工件的撞擊。
第二，設計一鍵回退的功能程序，可處理空間角度的加工時，機床斷電或者程序中斷時刀具在工件之中難以抽出的問題，程序激活鍵設置為“HOME BACK”，放到 HMI界面上，可隨時按下此鍵，就能讓系統進到對話的模式，獲取相應參數信息，機床可沿著刀具軸進行回退，進入到安全區域。
第三，機床自動校準的功能程序，用戶啟動該功能，機床可自行恢復機床的精度，這樣就能提高加工效率和準確度，不必找到設備廠家，就能解決加工準度的問題。
4、結束語
綜上所述，五軸聯動機床的結構非常復雜，為保證機床的剛性，有一部分結構需要以整體鑄造的方式存在；而機床的應用系統需要以高質量的母系統為基礎，其中無盤終端最合適，這就能供研究人員自行設計操作系統，以方便操作者的操作。
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