小型五軸數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)

周守勝

（沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽 110142）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械自動化程度的提高，機(jī)床向著高效自動化的方向發(fā)展。在這種情況下，具有高性能、高精度、高速化的數(shù)控機(jī)床[1]得到了廣泛發(fā)展。在數(shù)控機(jī)床當(dāng)中表現(xiàn)最為突出的是五軸數(shù)控加工機(jī)床，其加工范圍廣、高可靠性而其中小型五軸數(shù)控機(jī)床是一種面向于加工3C行業(yè)、鐘表、珠寶裝飾品、無人機(jī)、醫(yī)療器械等行業(yè)[2]的小型零件為主的微細(xì)金屬切削機(jī)床，對比現(xiàn)有加工中心產(chǎn)品不但可以加工形狀尺寸更為復(fù)雜的零件[3]，同時可以降低制造成本。隨著新技術(shù)、新工藝和新材料的不斷應(yīng)用，小型五軸數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為最理想的加工設(shè)備，如在針對復(fù)雜曲面如無人機(jī)的螺旋槳和飾品等零件時，具有工序集成、減少裝夾的加工優(yōu)勢，是其他產(chǎn)品不具有的優(yōu)勢。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)床參數(shù)

本文主要研究的小型五軸數(shù)控機(jī)床型號為M3.2，轉(zhuǎn)臺采用BC軸形式，加工材料可以是鋁件、鋁合金、珠寶首飾常用金屬等，加工主要對象為手表、無人機(jī)、珠寶、工藝品、葉輪等，因此對機(jī)床性能提出很高的要求，M3.2是一種具有高精度的五軸數(shù)控機(jī)床，其主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到30 000 r/min，定位精度控制可達(dá)μ級，同時通過自主研發(fā)的系統(tǒng)控制方法，實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的運(yùn)動性能。表1是小型五軸數(shù)控機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 M3.2五軸數(shù)控機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 主要部件

M3.2五軸機(jī)床主要結(jié)構(gòu)件包括床身、立柱、橫梁、滑板、主軸箱；關(guān)鍵零部件包括五軸轉(zhuǎn)臺、電主軸和刀庫等一些基礎(chǔ)件。主要特征有：整機(jī)采用天車式結(jié)構(gòu)，整體布局緊湊合理，保證良好的強(qiáng)度、剛性和穩(wěn)定性，其中立柱區(qū)別于原有龍門式結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，通過合理的結(jié)構(gòu)布局及加工保證精度和可靠性，立柱側(cè)面通過布置特殊的網(wǎng)格化筋格有效保證了部件的剛度和強(qiáng)度，同時降低了制造成本，主軸箱將懸伸進(jìn)一步縮短，減少由于自重產(chǎn)生的懸臂變形，同時通過合理的設(shè)計(jì)保證熱變形穩(wěn)定性，五軸轉(zhuǎn)臺卡盤直徑為170 mm。

2 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

機(jī)床設(shè)計(jì)的目標(biāo)是滿足加工性能需求，高速五軸機(jī)床要實(shí)現(xiàn)高速的高精度的性能就必須使機(jī)床的整機(jī)特性滿足其加工的要求，機(jī)床的整機(jī)特性越高，其加工性能也就越好。機(jī)床的整機(jī)特性包括靜態(tài)特性、動態(tài)特性和熱特性。機(jī)床的整機(jī)特性與機(jī)床的每個部件的結(jié)構(gòu)性能和接合面的連接剛性有關(guān)。本文基于有限元方法對主要部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中模態(tài)分析是基于對部件自身固有頻率進(jìn)行分析，得到在每種頻率下的振型，判斷在此種振型下部件存在的問題并進(jìn)行合理優(yōu)化，提升固有頻率以提高機(jī)床的動態(tài)特性、加工時的穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。通過模態(tài)分析后主要考慮部件的尺寸結(jié)構(gòu)以及板筋的布置，地腳的位置等等，這些都是決定自身固有特性好壞的關(guān)鍵要素。因此，機(jī)床部件結(jié)構(gòu)的確定都是需要多次設(shè)計(jì)與修改，利用先進(jìn)的CAE軟件可以做到精確的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

2.2 床身和立柱

床身屬于各個結(jié)構(gòu)部件的基石，支撐其他部件及加工零件，其結(jié)構(gòu)性能對整機(jī)特性影響很大；床身的結(jié)構(gòu)特性好壞關(guān)系到整個機(jī)床的加工精度和加工質(zhì)量，以及整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和工作壽命；立柱是支撐移動部件主軸箱的關(guān)鍵部件，立柱結(jié)構(gòu)的好壞直接決定了主軸箱的運(yùn)動精度及穩(wěn)定性，本文對床身和立柱進(jìn)行了模態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)頻率提升明顯。

2.3 橫梁和滑板

橫梁及滑板配合結(jié)構(gòu)區(qū)別于原有長方體結(jié)構(gòu)，橫梁與滑板采用等腰直角三角柱型結(jié)構(gòu)，橫梁與滑板結(jié)合面處呈階梯面結(jié)構(gòu)，從側(cè)面看主體支撐結(jié)構(gòu)二者搭接完成后呈矩形結(jié)構(gòu)，滑板一端通過導(dǎo)軌與主軸箱連接，滑板受到主軸箱通過導(dǎo)軌傳遞的重力等外力，因三角形結(jié)構(gòu)在受力過程中不易變形使得滑枕剛度及強(qiáng)度能有效提升，保證了前端主軸箱運(yùn)動過程中的穩(wěn)定性，進(jìn)一步保證機(jī)床加工穩(wěn)定性?；迮c橫梁通過導(dǎo)軌連接整體呈矩形結(jié)構(gòu)，橫梁及滑板中間通過傳動系統(tǒng)帶動使得滑枕可沿橫梁做直線運(yùn)動，滑板受力將水平及豎直方向都反饋到橫梁上，二者受力平衡有效減少鑄件變形，通過二者三角形結(jié)構(gòu)布置，區(qū)別于另一個矩形搭接，有效減少了橫梁及滑板兩個零件的重量，使得滑板沿橫梁直線運(yùn)動，橫梁沿立柱直線運(yùn)動時運(yùn)動部件重量降低，提升了機(jī)床的動態(tài)響應(yīng)，將滑板及橫梁等腰直角面縮短，兩個直角邊長度為415 mm，使得在受力后橫梁及滑板不易變形。

此種結(jié)構(gòu)適合于天車式機(jī)床機(jī)構(gòu)，即機(jī)床3個運(yùn)動軸（X、Y、Z）都不直接安裝于床身上，而是通過與床身連接的立柱安裝在立柱上方，床身上安裝五軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的機(jī)床。該結(jié)構(gòu)區(qū)分于普通兩個長方體正向搭接結(jié)構(gòu)有效降低了二者搭接后的總高度30%，既節(jié)約了材料，又滿足了機(jī)床使用要求。

此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以有效減輕運(yùn)動部件的質(zhì)量，顯著的提升了機(jī)床的動態(tài)響應(yīng)速度，又因橫梁及滑板均為三角柱型結(jié)構(gòu)，在受力后因三角形特殊性受力不易變形，有效的提高了橫梁及滑板的剛度及強(qiáng)度。

在以上設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用模態(tài)分析對橫梁和滑板進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.4 主軸箱

主軸箱是五軸機(jī)床的核心部件之一，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理直接影響靜動態(tài)性能，從而影響機(jī)床加工精度、精度穩(wěn)定性和抗振性。機(jī)床在工作過程中，主軸箱在滑板上做上下移動，主軸中心離主軸箱的安裝面有一段距離，自然會產(chǎn)生彎矩，切削產(chǎn)生反力會直接傳遞到主軸箱上，產(chǎn)生一定的變形。M3.2的主軸箱的設(shè)計(jì)減小了主軸中心距安裝面的距離，并且使用CAE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及熱分析，將主軸箱做成熱對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅保證了主軸箱的結(jié)構(gòu)鋼性，還保證了熱變化對機(jī)床的精度影響，同樣對主軸箱進(jìn)行了模態(tài)分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

整機(jī)優(yōu)化最終結(jié)果見圖1。

圖1 整機(jī)前三階模態(tài)

3 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動系統(tǒng)是機(jī)床非常重要的組成部分，直接關(guān)系到機(jī)床的運(yùn)動精度、穩(wěn)定性、加工特性和整機(jī)性能[4]，本文主要介紹X軸傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，Y軸、Z軸計(jì)算方式與X軸基本相同。

X軸傳動系統(tǒng)計(jì)算如下：

根據(jù)機(jī)床性能及加工能力定位，初步確定X軸基本參數(shù)（表2）。

表2 X軸基本參數(shù)

初選絲杠導(dǎo)程，根據(jù)式（1）計(jì)算：

其中，Ph為絲杠導(dǎo)程，n為電機(jī)到絲杠軸的傳動比，Vmax為快移速度，Nm為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，最終確定絲杠導(dǎo)程為12 mm，根據(jù)廠家產(chǎn)品及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定絲杠直徑為16 mm。

絲杠基本參數(shù)確定后需要進(jìn)行校核，驗(yàn)證所選絲杠是否符合要求，主要校核方式有兩種。

3.1 允許軸向負(fù)荷的驗(yàn)算

3.1.1 絲杠軸允許壓縮載荷

絲杠所受軸向力作用有可能造成失穩(wěn)現(xiàn)象，因此需要對壓縮載荷P1進(jìn)行計(jì)算，且需要滿足最大軸向力小于此載荷。

式中 P1——允許壓縮載荷，N

η——與絲杠安裝相關(guān)的系數(shù)

d——絲杠螺紋小徑，mm

l——絲杠安裝兩端跨距，mm

3.1.2 絲杠軸允許交變載荷

絲杠在正常使用過程中會受到交變載荷P2的作用造成絲杠軸屈服，因此必須校核。

式中 P2——允許交變載荷，N

σ——允許交變應(yīng)力，MPa

軸向最大載荷需要根據(jù)幾種狀態(tài)確定，包括最大切削狀態(tài)、加速狀態(tài)、粗加工、精加工等，根據(jù)機(jī)床實(shí)際情況確定最大軸向載荷為1003 N，通過公式計(jì)算得出的P1和P2，滿足使用要求。

3.2 允許轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算

絲杠在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容易發(fā)生顫振現(xiàn)象，因此需要計(jì)算絲杠軸容許的極限轉(zhuǎn)速，N：

式中 N——允許極限轉(zhuǎn)速，r/min

λ——與絲杠安裝相關(guān)系數(shù)

lb——絲杠安裝兩端跨距，mm

計(jì)算得到結(jié)果大于絲杠最高轉(zhuǎn)速，滿足使用要求。

絲杠參數(shù)選擇完畢后需要計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量（輸出軸）和電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量比來確定所選電機(jī)是否能夠達(dá)到比較理想的控制效果，一般負(fù)載慣量JL與電機(jī)慣量JL的轉(zhuǎn)動慣量比控制在3以內(nèi)。

負(fù)載端的轉(zhuǎn)動慣量主要由兩部分組成，第一部分是負(fù)載重物的轉(zhuǎn)動慣量JL1，計(jì)算如式（5），另一部分是絲杠自身的轉(zhuǎn)動慣量JL2，計(jì)算如式（6）：

式中 m——負(fù)載重物質(zhì)量，kg

Ph——絲杠導(dǎo)程，mm

式中 ρ——絲杠密度，kg/mm2

L——絲杠有效長度，mm

r——絲杠半徑，mm

根據(jù)上述公式計(jì)算得出負(fù)載的總慣量JL為4.58 kg·mm2。查找電機(jī)樣本，確定電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量為25 kg·mm2，則轉(zhuǎn)動慣量比為0.18，所以符合實(shí)際需求。

（1）電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：T額=3000 r/min，而Nmax＜T額，所以可以使用。

（2）扭矩的有效值Trms==2.3 N·m。

電機(jī)所需扭矩Tmax=T1+T2+G+T3=13.7 N·m。結(jié)論：Trms＜Tmax，所以可以使用。

（3）慣性矩J=0.001 5 kg·m2。

電機(jī)上的慣性矩要具有作用在電機(jī)上的慣性矩的1/3以上，所以伺服電機(jī)的慣性矩必須為0.000 52 kg·mm2以上。而電機(jī)的慣性矩為0.006 8 kg·m2＞0.000 52 kg·mm2，所以可以使用。

4 結(jié)語

本文介紹研發(fā)的一臺小型五軸數(shù)控加工機(jī)床，詳細(xì)設(shè)計(jì)了主要部件，并根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到滿足要求的結(jié)構(gòu)形式，同時將傳動系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，滿足了機(jī)床實(shí)際加工需求。