高性能五轴联动机床结构设计及其应用探讨

孙造，王盟，李金凤，唐倩

（通用技术集团大连机床有限责任公司，辽宁 大连 116600）

0 引言

最近几年，随着社会经济水平的不断提高和信息时代的不断发展，高性能五轴联动机床应运而生，该机床具有准确性高、安全性高、刚性高等高性能特征，被广泛地应用于制造产业领域中，为保证作业人员操作的规范性和合理性，提高机床生产的效率和效果发挥出重要作用。因此，如何科学设计和应用高性能五轴联动机床是技术人员必须思考和解决的问题。

1 高性能五轴联动机床结构总体设计

1.1 五轴联动机床简述

本次所设计的高性能五轴联动机床具有非常高的应用价值和应用前景，其型号为HU900，通过对该机床内部重要功能的设计和开发，为实现系统的自动化设计打下坚实的基础。同时，该机床具有功能强大的应用包，应用包所包含的类型多种多样[1]。总之，五轴联动机床具有以下特征，分别是刚性强、精度高、安全性高等特征，通过应用该机床很好地避免了作业人员的错误操作和不规范操作。

1.2 主要参数

五轴联动机床结构在具体的设计中，主要选用了B+C结构，这种结构又被称为“旋转铣头结构”，该机床可以加工的对象通常是不足一米尺寸的各种小型工件，通过利用该机床，可以提高工件加工的可靠性、有效性和通用性。加工期间所选用的材质类型多种多样，如钢件、铁件、铝合金、高分子合成材料等。为了保证工件加工水平，技术人员要确保所设计的五轴联动机床具有移动速度快、动态精度高等特征[2]。高性能五轴联动机床技术参数如表1所示。

表1 高性能五轴联动机床技术参数

1.3 机械结构总体设计

五轴联动机床主要用于对结构复杂零件的加工，如汽车零件、航空飞机零件模具零件等。因此，要确保所设计的五轴联动机床一定要符合低速重切需求和高速轻切需求。同时，该机床具有性能良好、高准确性、强灵活性、高可靠性等高性能特征[3]，HU900型机床的结构如图1所示。图中的序号1代表X、Y轴床身，其存在形式类似于T字状，该床身在具体的设计中，主要采用铸造的方式，以达到提高机床刚度和强度的目的。序号2代表立柱，与丝杆、电机座进行有效地结合，从而形成庞大的铸造结构。序号3代表Z轴滑枕，在设计Z轴滑的过程中，需要将其与铣头进行充分结合，确保Z轴滑与铣头能够进行有效地连接，避免因连接不牢固而影响整体机床的刚性。同时，铣头B轴的度数为45度，为该机床快速转换提供相应的便利，从而进一步提高加工刀的最大承受力[4]。序号4代表电主轴，该主轴被安装和固定在主轴箱体的内部。序号5代表转台座，该台座在具体的移动中，以Y轴为方向，进行水平移动。6代表旋转台，被作为“C轴”。序号7代表伺服电机，序号8代表滚珠丝杠，序号9代表电机座，序号10代表丝杆轴承。为了进一步拓展五轴联动机床的使用范围，满足切削相关标准和要求，在进行机床结构总体设计的过程中，技术人员要以三维坐标的方式，沿着直线进行移动，同时，还要利用旋转轴[5]，将圆柱推移到相应的位置，只有这样，才能提高旋转轴的最大承受力，为进一步提高该机床的旋转精度打下坚实的基础。另外，该机床在实际的移动中，尽量不要将主要的受力部位与螺钉进行装配连接，从而提高五轴联动机床的刚性[5]。

图1 HU900型机床的结构

1.4 传动结构设计

传动结构在具体的设计中，需要技术人员根据五轴联动机床的特征，采用三直线设计方式，利用直联传动设备，将丝杠科学安装和固定于该机床内部，同时，利用双螺母丝杆，不断地提高该机床的预应力，确保五轴联动机床的稳定性、可靠性和安全性，为有效地缩小主轴转动的空隙，延长五轴联动机床的使用寿命打下坚实的基础。B/C旋转轴作为五轴联动机床的主要功能部件，在具体的设计中，要严格按照相关设计标准和要求，提高扭矩的最大承载力，确保该机床具有高精度、高灵活性和高转速的目的[6]。另外，在选用蜗杆传动方式期间，要在综合考虑传递速度的基础上，尽可能提高五轴联动机床的精度和运行性能。主轴作为五轴联动机床的主要部件，在具体的设计中，主要采用了异步主轴的方式，提高五轴联动机床加工的匹配度，为进一步提升零件的加工效率和效果创造良好的条件。在设计电机期间，技术人员要优先选用转子电机，这是因为转子电机具有功率高、性能良好等特征，同时，还要采用前端固定的方式，将球角与轴承进行有效地连接，确保五轴联动机床能够可靠、稳定、安全地运行。为了进一步提高传功结果的设计水平，技术人员还要采用构建有限元模型的方式，对主轴的结构进行不断修改、优化和完善，移动到提高主轴刚性和硬度的目的。通常情况下，主轴在实际的工作中，往往会散发出大量的热量，为此，技术人员要利用冷却设备，帮助主轴快速散热，避免因主轴温度过高而缩短五轴联动机床的使用寿命，同时，主轴在实际的加工过程中，其内部含有大量切削液，这些液体很容易进入到主轴旋转间隙中，导致电机被污染或者烧毁[7]，因此，为了从根本上解决以上问题，技术人员要采用气密封的方式，对主轴旋转间隙进行密封，避免因其他异物进入到主轴旋转间隙内而影响电机的使用寿命，只有这样，才能进一步提高主轴的可靠性和稳定性。

2 高性能五轴联动机床数控系统软件设计

为了进一步提升高性能五轴联动机床运行性能，技术人员要从以下两个方面入手，加强对该机床数控系统软件的科学设计。（1）HMI界面设计。HMI界面为用户更好地登录和访问机床数控系统提供了相应的入口，因此，技术人员要重视对界面的科学设计，首先，将五轴联动参数信息和激活信息设置在HMI界面中，然后，通过执行NC程序，对机床的加工方式进行检查，尽可能降低机床撞刀风险，同时，还要在HMI界面上设置相应的功能按键，便于用户更好地人机交互。（2）机床功能软件开发。在这一环节中，技术人员要根据机床的运行需求，设计和开发自动校验功能模块，满足用户的自动化控制机床需求，同时，还要设计机床自动恢复功能，便于用户利用系统对五轴联动机床性能进行优化，以达到提高高性能五轴联动机床使用效率的目的。

3 高性能五轴联动机床的具体应用

为了更好地验证高性能五轴联动机床的有效性和可靠性，技术人员要将该机床应用于制造产业中，对该机床的功能进行一一验证，避免因部分功能不完善而影响整体机床的运行性能。首先，技术人员要在将铣头设置在该机床内，在保证工件区域设置合理的条件下，对高性能五轴联动进行激活处理，确保铣头能够自由、灵活地移动和旋转。同时，当该机床主轴成功抓取一把刀后，可以根据刀头的尺寸，精确地计算出铣头的旋转半径，当道的长度超过200mm时，该机床会发出报警声，警惕操作人员有撞刀风险。由此可见，该机床的具有较高的安全性和可靠性，能够将安全风险降到最低。五轴联动机床在实际运行中，为了更好地验证该机床的运行性能，技术人员要同时按下两个软键，分别是“HOME”软键和“BACK”软键，此时，系统会弹出文本框，文本框会显示以下提示信息：“是否需要执行回退命令”，此时，该机床仍然执行加工程序，当操作人员按下“YES”键后，该机床停止执行加工程序，由此可见，高性能五轴联动机床在实际的运行中，能够高效地处理大切削问题，同时，还能保证零件加工的精密性和稳定性，将撞刀风险降到最低，确保操作人员的人身安全。此外，零件加工表面比较平整和光滑，符合加工相关标准和要求。此外，通过利用三维坐标测量方式，可以提高该机床动态性，为进一步保证机床的稳定性、可靠性和安全性发挥出重要作用[7]。因此，本文所设计的高性能五轴联动机床功能完善，实用性强，为用户带来良好的使用体验[6]。

4 结语

综上所述，为了进一步提高五轴联动机床的运行性能，技术人员要针对该机床特点，设计具有刚性强的铣头，同时，还要将铣头的度数设置为45度，此外，还要强化对机床系统软件的设计和应用，保证五轴联动机床功能完善性和实用性，从而不断提高该机床的应用价值和应用前景。只有这样，才能设计出符合进口机床水平的五轴联动机床，为后期更好地推广和普及五轴联动机床产生积极的影响。