基于UG的教学型五轴联动数控铣床的机械结构设计

曹川川　郭鹏远　杨大奎

摘要：旨在降低中小型企业和大专院校五轴联动数控机床成本、促进五轴数控技术应用型人才的培养，设计了一台基于UG的教学型五轴联动数控铣床。基于模块化设计思想，完成了机架结构设计、主轴结构设计、XYZ轴机械设计、摇篮机构（AC轴）设计，UG的运动模拟用于分析其结构的可行性。成功研制了一台样机应用于数控机床实验教学，满足高校师生的需求，通过本机床的学习，可提高学生的动手实践能力，巩固学生学过的知识，对高校的实验教学甚有帮助。

关键词：UG;教学;五轴;铣床

Abstract： This paper aims to reduce the cost of small and medium-sized enterprises and school five-axis linkage CNC machine tools， promote the training of five-axis CNC technology application talents， and design a five-axis linkage CNC milling machine based on UG. Based on the modular design idea， the frame structure design， spindle structure design， XYZ axis mechanical design and cradle mechanism （AC axis） design were completed. The motion simulation of UG was used to analyze the feasibility of its structure. Successfully developed a prototype machine for the experimental teaching of CNC machine tools to meet the needs of teachers and students in colleges and universities. Through the study of this machine tool， it can improve students' hands-on practical ability， consolidate the knowledge that students have learned， and is very helpful to the experimental teaching of colleges and universities.

Keywords： UG; teaching; five-axes; milling machine

为了降低中小型企业和学校五轴联动数控机床成本、推动五轴数控技术应用型人才的培养，开发了一种教学五轴联动数控铣床[1]。采用MACH3运动控制卡+平板电脑为控制主体，模块化搭建双回转台五轴联动数控铣床的硬件结构;利用三维软件（UG）建立机床模型和工件模型，并导入VERICUT软件，完成机床在VERICUT中的虚拟建模[2];将CAE/CAM软件后置处理生成的五轴加工程序导入VERICUT建立的机床模型中进行加工仿真实验[3]，实现刀具轨迹及G代码优化，验证正确后的程序导入五轴联动数控铣床中进行实际加工。 通过我们的努力，将大型五轴联动数控铣床微型化后搬进实验室或车间，让更多的学员更好地掌握五轴联动数控铣床的加工原理与机床结构，方便于教员教学和科研。

1機械结构的三维设计

1.1技术需求

（1）主轴在较低速的情况下要求能够对工件进行铣削处理并能够保证较高的加工精度，在高速铣削的加工中保证工件表面的质量，于是将主轴电机的转速范围定在1000～24 000 r/min。

（2）铣床的五轴应能实现快速的移动的要求，设定快速进给速度为5300 r/min，在加工工件时的进给速度为1700 r/min。

（3）保证工件的各项精度，其主要的技术参数如下：

①主轴锥孔径向跳动：0.003 mm;

②轴颈径向跳动：0.003 mm;

③轴向窜动：0.012 mm;

④定位精度：0.023 mm。

（4）由于是教学用的五轴联动数控铣床，在设计开始就是加工一些强度和刚度较小并且尺寸较小的零件，于是选用四角卡盘来做工件的夹持装置以及工作台，夹持工件的公称直径60 mm，三向进给的有效导程是X×Y×Z：420 mm×420 mm×240 mm。

1.2机械结构的设计流程

五轴联动数控铣床的机械结构设计流程如图1所示：①总体方案设计;②实体建模;③装配、单轴运动分析和设计修改[4];④多轴联动运动模拟，检查干扰，观察运动轨迹，有干扰时修改设计方案[4];⑤装配和运动准确无误时，再对其薄弱机构环节进行分析并修改薄弱机构，直至完成最终设计。

通常我们设计一款机床首先要保证的就是其在加工过程当中必须保证床体有足够的刚性，因此，铣床结构要根据以下原则进行设计。①最好是对称设计，这样可以使整体结构有较小的弯曲力矩;②悬臂式的机械结构伸出不可以太长，要尽可能的短;③尽可能缩短刀具到达工件的行程，以减少在机械加工中不必要的空行程的运动时间;④考虑加工工艺和加工设备，成本及装配工艺等。整体结构如图2所示。我们设计的铣床的整体结构是接近正方体的，最初需要的铣床机架的尺寸为1000 mm×1000 mm×1000 mm，采用铝合金型材搭建铣床的机架，设计成一个正方体的结构。

在五轴联动数控铣床的转轴设计中，有两个转轴是分开设计的，其中一个转轴设计在主轴上，另外一个设计在滑台上。也有的两个转轴都是设计在主轴上面，其优点是所占空间少，但是难度大，考虑因素较多。在这里我们所设计的转轴机构是摇篮式的机械结构，考虑到由于此铣床的整体结构是正方体的，为了实现结构紧凑和加工中的稳定性，将转轴机构设计成摇篮式的结构，结构形状如图3所示。

机械加工是机械生产中最重要的部分。在现有机械设备的条件下，运用学校实验室的数控加工中心以及数控车床等机械设备，对五轴联动数控铣床的三向进给系统的底板以及固定步进电机的固定板进行加工，加工完成后，按照机械装配图进行装配。加工零件及装配图如图4、图5、图6、图7所示。

本文旨在降低中小型企业和大专院校五轴联动数控机床成本，促进五轴数控技术应用型人才的培养，成功开发了基于UG的教学型五轴联动数控铣床原型样机。将大型五轴联动数控铣床微型化后搬进实验室，让更多学生更好地掌握五轴联动数控铣床的加工原理与机床结构[5]，

教学经济型五轴联动数控铣床拥有自主知识产权，两项实用新型专利、一项发明专利;学生创办重庆志飞智能科技有限责任公司，取得重庆市璧山区第二届创新创业大赛三等奖1项。

[1]宋严科.微型数控铣床及嵌入式数控系统研究[D].淄博：山东理工大学，2017.

[2]姜雨. 工作台回转式五轴数控机床虚拟样机建模与数控仿真[J].机床与液压2007（8）：132-135.

[3]徐汝锋.非正交摆头转台类五轴数控机床后置处理方法[J].组合机床与自动化加工技术，2015（12）：23-26.

[4]吴云忠.五轴联动数控铣床双转台进给系统设计与仿真[J].制造业自动化，2015（12）：153-156.

[5]严浩 .教学用五轴联动数控铣床原理样机设计与研究[D].上海：东华大学，2015.（05）