小型五轴数控机床的设计

周守胜

（沈阳机床（集团）有限责任公司设计研究院，辽宁沈阳 110142）

0 引言

随着科学技术的发展和机械自动化程度的提高，机床向着高效自动化的方向发展。在这种情况下，具有高性能、高精度、高速化的数控机床[1]得到了广泛发展。在数控机床当中表现最为突出的是五轴数控加工机床，其加工范围广、高可靠性而其中小型五轴数控机床是一种面向于加工3C行业、钟表、珠宝装饰品、无人机、医疗器械等行业[2]的小型零件为主的微细金属切削机床，对比现有加工中心产品不但可以加工形状尺寸更为复杂的零件[3]，同时可以降低制造成本。随着新技术、新工艺和新材料的不断应用，小型五轴数控机床已经成为最理想的加工设备，如在针对复杂曲面如无人机的螺旋桨和饰品等零件时，具有工序集成、减少装夹的加工优势，是其他产品不具有的优势。

1 总体方案设计

1.1 机床参数

本文主要研究的小型五轴数控机床型号为M3.2，转台采用BC轴形式，加工材料可以是铝件、铝合金、珠宝首饰常用金属等，加工主要对象为手表、无人机、珠宝、工艺品、叶轮等，因此对机床性能提出很高的要求，M3.2是一种具有高精度的五轴数控机床，其主轴最高转速达到30 000 r/min，定位精度控制可达μ级，同时通过自主研发的系统控制方法，实现优越的运动性能。表1是小型五轴数控机床的主要技术参数。

表1 M3.2五轴数控机床的主要技术参数

1.2 主要部件

M3.2五轴机床主要结构件包括床身、立柱、横梁、滑板、主轴箱；关键零部件包括五轴转台、电主轴和刀库等一些基础件。主要特征有：整机采用天车式结构，整体布局紧凑合理，保证良好的强度、刚性和稳定性，其中立柱区别于原有龙门式结构，进行了一体化设计，通过合理的结构布局及加工保证精度和可靠性，立柱侧面通过布置特殊的网格化筋格有效保证了部件的刚度和强度，同时降低了制造成本，主轴箱将悬伸进一步缩短，减少由于自重产生的悬臂变形，同时通过合理的设计保证热变形稳定性，五轴转台卡盘直径为170 mm。

2 主要机械结构设计

2.1 设计思路

机床设计的目标是满足加工性能需求，高速五轴机床要实现高速的高精度的性能就必须使机床的整机特性满足其加工的要求，机床的整机特性越高，其加工性能也就越好。机床的整机特性包括静态特性、动态特性和热特性。机床的整机特性与机床的每个部件的结构性能和接合面的连接刚性有关。本文基于有限元方法对主要部件进行优化设计，其中模态分析是基于对部件自身固有频率进行分析，得到在每种频率下的振型，判断在此种振型下部件存在的问题并进行合理优化，提升固有频率以提高机床的动态特性、加工时的稳定性和加工质量。通过模态分析后主要考虑部件的尺寸结构以及板筋的布置，地脚的位置等等，这些都是决定自身固有特性好坏的关键要素。因此，机床部件结构的确定都是需要多次设计与修改，利用先进的CAE软件可以做到精确的设计与验证。

2.2 床身和立柱

床身属于各个结构部件的基石，支撑其他部件及加工零件，其结构性能对整机特性影响很大；床身的结构特性好坏关系到整个机床的加工精度和加工质量，以及整机运行稳定性和工作寿命；立柱是支撑移动部件主轴箱的关键部件，立柱结构的好坏直接决定了主轴箱的运动精度及稳定性，本文对床身和立柱进行了模态分析，并在此基础上进行反复的优化设计，优化后结构频率提升明显。

2.3 横梁和滑板

横梁及滑板配合结构区别于原有长方体结构，横梁与滑板采用等腰直角三角柱型结构，横梁与滑板结合面处呈阶梯面结构，从侧面看主体支撑结构二者搭接完成后呈矩形结构，滑板一端通过导轨与主轴箱连接，滑板受到主轴箱通过导轨传递的重力等外力，因三角形结构在受力过程中不易变形使得滑枕刚度及强度能有效提升，保证了前端主轴箱运动过程中的稳定性，进一步保证机床加工稳定性。滑板与横梁通过导轨连接整体呈矩形结构，横梁及滑板中间通过传动系统带动使得滑枕可沿横梁做直线运动，滑板受力将水平及竖直方向都反馈到横梁上，二者受力平衡有效减少铸件变形，通过二者三角形结构布置，区别于另一个矩形搭接，有效减少了横梁及滑板两个零件的重量，使得滑板沿横梁直线运动，横梁沿立柱直线运动时运动部件重量降低，提升了机床的动态响应，将滑板及横梁等腰直角面缩短，两个直角边长度为415 mm，使得在受力后横梁及滑板不易变形。

此种结构适合于天车式机床机构，即机床3个运动轴（X、Y、Z）都不直接安装于床身上，而是通过与床身连接的立柱安装在立柱上方，床身上安装五轴转台结构的机床。该结构区分于普通两个长方体正向搭接结构有效降低了二者搭接后的总高度30%，既节约了材料，又满足了机床使用要求。

此结构的设计可以有效减轻运动部件的质量，显著的提升了机床的动态响应速度，又因横梁及滑板均为三角柱型结构，在受力后因三角形特殊性受力不易变形，有效的提高了横梁及滑板的刚度及强度。

在以上设计的基础上，采用模态分析对横梁和滑板进行进一步的优化设计。

2.4 主轴箱

主轴箱是五轴机床的核心部件之一，结构设计是否合理直接影响静动态性能，从而影响机床加工精度、精度稳定性和抗振性。机床在工作过程中，主轴箱在滑板上做上下移动，主轴中心离主轴箱的安装面有一段距离，自然会产生弯矩，切削产生反力会直接传递到主轴箱上，产生一定的变形。M3.2的主轴箱的设计减小了主轴中心距安装面的距离，并且使用CAE软件进行结构优化及热分析，将主轴箱做成热对称式结构设计不仅保证了主轴箱的结构钢性，还保证了热变化对机床的精度影响，同样对主轴箱进行了模态分析优化结构设计。

整机优化最终结果见图1。

图1 整机前三阶模态

3 传动系统设计

传动系统是机床非常重要的组成部分，直接关系到机床的运动精度、稳定性、加工特性和整机性能[4]，本文主要介绍X轴传动系统设计过程，Y轴、Z轴计算方式与X轴基本相同。

X轴传动系统计算如下：

根据机床性能及加工能力定位，初步确定X轴基本参数（表2）。

表2 X轴基本参数

初选丝杠导程，根据式（1）计算：

其中，Ph为丝杠导程，n为电机到丝杠轴的传动比，Vmax为快移速度，Nm为电机最高转速，最终确定丝杠导程为12 mm，根据厂家产品及设计经验确定丝杠直径为16 mm。

丝杠基本参数确定后需要进行校核，验证所选丝杠是否符合要求，主要校核方式有两种。

3.1 允许轴向负荷的验算

3.1.1 丝杠轴允许压缩载荷

丝杠所受轴向力作用有可能造成失稳现象，因此需要对压缩载荷P1进行计算，且需要满足最大轴向力小于此载荷。

式中 P1——允许压缩载荷，N

η——与丝杠安装相关的系数

d——丝杠螺纹小径，mm

l——丝杠安装两端跨距，mm

3.1.2 丝杠轴允许交变载荷

丝杠在正常使用过程中会受到交变载荷P2的作用造成丝杠轴屈服，因此必须校核。

式中 P2——允许交变载荷，N

σ——允许交变应力，MPa

轴向最大载荷需要根据几种状态确定，包括最大切削状态、加速状态、粗加工、精加工等，根据机床实际情况确定最大轴向载荷为1003 N，通过公式计算得出的P1和P2，满足使用要求。

3.2 允许转速的验算

丝杠在高速运转过程中容易发生颤振现象，因此需要计算丝杠轴容许的极限转速，N：

式中 N——允许极限转速，r/min

λ——与丝杠安装相关系数

lb——丝杠安装两端跨距，mm

计算得到结果大于丝杠最高转速，满足使用要求。

丝杠参数选择完毕后需要计算负载转动惯量（输出轴）和电机的转动惯量比来确定所选电机是否能够达到比较理想的控制效果，一般负载惯量JL与电机惯量JL的转动惯量比控制在3以内。

负载端的转动惯量主要由两部分组成，第一部分是负载重物的转动惯量JL1，计算如式（5），另一部分是丝杠自身的转动惯量JL2，计算如式（6）：

式中 m——负载重物质量，kg

Ph——丝杠导程，mm

式中 ρ——丝杠密度，kg/mm2

L——丝杠有效长度，mm

r——丝杠半径，mm

根据上述公式计算得出负载的总惯量JL为4.58 kg·mm2。查找电机样本，确定电机转动惯量为25 kg·mm2，则转动惯量比为0.18，所以符合实际需求。

（1）电机额定转速：T额=3000 r/min，而Nmax＜T额，所以可以使用。

（2）扭矩的有效值Trms==2.3 N·m。

电机所需扭矩Tmax=T1+T2+G+T3=13.7 N·m。结论：Trms＜Tmax，所以可以使用。

（3）惯性矩J=0.001 5 kg·m2。

电机上的惯性矩要具有作用在电机上的惯性矩的1/3以上，所以伺服电机的惯性矩必须为0.000 52 kg·mm2以上。而电机的惯性矩为0.006 8 kg·m2＞0.000 52 kg·mm2，所以可以使用。

4 结语

本文介绍研发的一台小型五轴数控加工机床，详细设计了主要部件，并根据模态分析结果进行优化，得到满足要求的结构形式，同时将传动系统进行详细设计，满足了机床实际加工需求。