高性能五軸聯(lián)動機床結(jié)構(gòu)設(shè)計與系統(tǒng)應(yīng)用分析
2021-5-14 來源： 重慶理工大學(xué) 作者：張雄
摘要：本文就我國自主研究的高性能五軸聯(lián)動機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)應(yīng)用進行簡要分析，主要有五軸聯(lián)動機床的總體結(jié)構(gòu)、機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分以及機床數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，以為今后此方面的開發(fā)和研究積累一些經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞：高性能；五軸聯(lián)動；機床結(jié)構(gòu)設(shè)計；系統(tǒng)應(yīng)用
0 引言
最近幾年，我國數(shù)控機床生產(chǎn)制造技術(shù)呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢，其中五軸聯(lián)動加工中是重點產(chǎn)品。為打破數(shù)控機床高端市場被歐美日等國占據(jù)的局面，加強高性能的五軸聯(lián)機床加工中心是主要的出路。為此，我國很多開發(fā)研究人員致力于高性能數(shù)控機床的研究，尤其在高可靠性、高精度、高速度的機床設(shè)備的研究上，更是付出非常大的努力。而想要開發(fā)制造高精尖的五軸聯(lián)動機床設(shè)備，不但需要吸收國外先進的技術(shù)，更應(yīng)該潛心研究基本結(jié)構(gòu)以及工藝設(shè)計，這樣才能打造出屬于我國自己的五軸聯(lián)動機床設(shè)備。
1、五軸聯(lián)動機床的總體結(jié)構(gòu)
1.1 五軸聯(lián)動機床簡述
此次研究的主要對象是高性能的五軸聯(lián)動機床，型號為 HU900，此機床的核心功能部件的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自主設(shè)計和開發(fā)，以數(shù)控系統(tǒng)的后臺程序進行了研究，進而開發(fā)出不同種類的功能應(yīng)用包。此設(shè)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(yōu)點。
1.2 主要的參數(shù)
此次研究的五軸聯(lián)動機床以 B+C 結(jié)構(gòu)為主，也就是旋轉(zhuǎn)臺融合旋轉(zhuǎn)銑頭。此設(shè)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(zhì)可以是硬質(zhì)鑄鐵件，可以是硬質(zhì)鋼件，還可以加工輕質(zhì)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(tài)精度，提出非常高的標準，機床主要的參數(shù)可見表 1。
表 1 五軸聯(lián)動機床的技術(shù)參數(shù)
1.3 結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計
此五軸聯(lián)動機床設(shè)備主要用來加工非常復(fù)雜的零件，像汽車零部件、精密模具、航空結(jié)構(gòu)件等等，為此本機床一定要能適應(yīng)大力低速的重切削，還必須適應(yīng)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(jié)構(gòu)的方式存在；而移動的部件則應(yīng)當(dāng)確保剛性，同時盡量的輕量化，整體結(jié)構(gòu)見圖 1。
圖 1 HU900 型機床的結(jié)構(gòu)
1、X、Y 軸床身；2、立柱；3、Z 軸滑枕；4、電主軸；5、轉(zhuǎn)臺座；6、旋
轉(zhuǎn)臺；7、伺服電機；8、滾珠絲杠；9 電機座；10、絲桿軸承.
詳細結(jié)構(gòu)：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(chǔ)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(fā)生，銑頭的 B 軸保持 45°，B 軸回轉(zhuǎn)軸線以及X/Z 移動軸構(gòu)成平面之間呈現(xiàn)為 45°的夾角，這樣就能為機床的臥式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺座，以 Y 軸導(dǎo)軌為基礎(chǔ)進行移動；6 號位置則是旋轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)軸以推力向心圓柱滾子軸承為主，這樣能確保 BC 旋轉(zhuǎn)軸可以接受到最大承載力，并且有著很高的旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)以及尺寸。
1.4 傳動的結(jié)構(gòu)
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(lián)軸器進行連接傳動，安裝絲杠的時候，應(yīng)當(dāng)做預(yù)拉緊的處理，使用雙螺母絲杠，才能有更大的預(yù)緊力，這樣能很好地減小軸移動時出現(xiàn)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(zhuǎn)軸，最終確定使用雙齒輪的消隙傳動結(jié)構(gòu)，優(yōu)點為耐磨和精度高，從而能實現(xiàn)大扭矩轉(zhuǎn)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(qū)電機，也存在一些缺點，發(fā)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(shè)計的要求：可實現(xiàn)較大扭矩的轉(zhuǎn)動、高精度、高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)進行優(yōu)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(chǎn)生，為此配備專門的恒溫冷卻系統(tǒng)，可幫助主軸散熱；將溫度傳感器埋設(shè)在主軸的附近，可實時地監(jiān)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(zhuǎn)縫隙里面，污染到軸承，還可能燒毀電機，為解決此問題，設(shè)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(nèi)部，讓主軸可靠性大大提升。
2、機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分
此機床設(shè)備運用西門子的 840D SL 系統(tǒng)，為 PC 集成的數(shù)控結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)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(shù)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(gòu)，靈活的配置，為此可實現(xiàn)多軸系統(tǒng)的配置。此數(shù)控單元是 NCU 的 720.3 的版本，本身帶有工業(yè)以太網(wǎng)，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(tǒng)軟件，也就是一種無盤的終端，可借助網(wǎng)絡(luò)連接到 NCU，然后裝載對應(yīng)的操作系統(tǒng)。本五軸聯(lián)動機床需要的軟件包，應(yīng)當(dāng)獲取出口的授權(quán)，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(yīng)的變量，而這些變量能夠從 NC 程序中直接調(diào)用。并在 NCU 的內(nèi)部，設(shè)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(qū)動模塊。此機床設(shè)備的 XY 軸和BC 兩軸均采用了雙電機的驅(qū)動模塊，而 Z 軸和主軸則運用了獨立電機驅(qū)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(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計
3.1 HMI 界面
本機床選用的數(shù)控系統(tǒng)是可自行設(shè)計參數(shù)的系統(tǒng)，這就能讓研究人員對應(yīng)用程序軟件進行深度開發(fā)。為此HMI 界面設(shè)計具有一定開放性，可以將不同應(yīng)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(lián)動以及設(shè)置參數(shù)，還可以預(yù)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(lián)動加工的復(fù)雜性，出現(xiàn)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(shè)計功能按鈕，用戶就能輕松調(diào)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(shè)置銑頭旋轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)置為“HOME BACK”，放到 HMI界面上，可隨時按下此鍵，就能讓系統(tǒng)進到對話的模式，獲取相應(yīng)參數(shù)信息，機床可沿著刀具軸進行回退，進入到安全區(qū)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(fù)機床的精度，這樣就能提高加工效率和準確度，不必找到設(shè)備廠家，就能解決加工準度的問題。
4、結(jié)束語
綜上所述，五軸聯(lián)動機床的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為保證機床的剛性，有一部分結(jié)構(gòu)需要以整體鑄造的方式存在；而機床的應(yīng)用系統(tǒng)需要以高質(zhì)量的母系統(tǒng)為基礎(chǔ)，其中無盤終端最合適，這就能供研究人員自行設(shè)計操作系統(tǒng)，以方便操作者的操作。
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