高性能五轴联动机床机械结构设计实践与探索

兰志俊

（黄鹄（上海）机床有限公司,上海 201613）

五轴联动加工中心具有高效率、高柔性、高精度等特点,可以实现复杂空间曲面的加工,在众多行业得到了广泛的应用,尤其随着国内产业升级,五轴加工中心的需求持续增长,具有很好的市场前景。目前我国的高端五轴数控机床市场主要由欧美日等国的产品占据,一些国内厂家虽然开发了多型同类型高档数控机床,但是在加工效率、精度、可靠性等方面仍有明显差距。

本文围绕一款高性能五轴联动机床进行研究,对机床的核心功能部件进行自主设计开发,并通过优化设计、精细装配等手段,实现了机床的高精度、高刚性和高可靠性。

1 设计目的

五轴联动加工中心的效率高、适应性强,可以用于复杂曲面和多面体零件的加工,在模具加工、飞机制造、汽车制造等领域得到了广泛应用,随着产业升级,其需求也在持续增长。国外的五轴加工中心虽然品质可靠,但存在交货期长和价格高的不足,国内产品则往往性能欠佳,无法满足生产需求。因而,一款更具性价比的五轴联动加工中心将会有不错的市场表现,针对此,公司组织了专业团队,进行机床设计、制造和销售,计划设计制造一款高性能的五轴联动机床。该款高性能的五轴联动机床将与国外同类型机床竞争,在加工精度、加速度和可靠性等方面达到进口机床水准,并在交货期和价格方面具备足够的竞争力。

2 参数要求

本款机床主要用于加工1 米以下尺寸的工件,可以加工硬质材料,如模具钢或铸铁件,也能用于加工轻质的铝合金或高分子合成材料,因此主轴和机床各轴的刚性、运动速度和动态精度都要很高,同时为了增大加工区域的空间,机床采用了B 轴+C 轴的结构,即旋转铣头和转台,以此来实现五轴联动。机床的主要参数如表1 所示。

表1 五轴加工中心主要技术参数

3 设备结构

该型机床的设计目标是适应多种行业需求,既可以加工精密模具、汽车零部件等硬质材料,又可以加工铝合金、高分子合成材料等软质材料,因而要求机床具备高刚性、高速、高精度和高可靠性的综合性能,以便在低速重切削和高速轻切削时获得同样高质量的零件。图1 是五轴加工中心的裸机结构图。图中的1 是床身,本款机床设计采用X、Y 轴布置的“T”字型整体铸件来确保整台机床的基础刚性,并且X、Y 轴传动的电机座和丝杆轴承座也与床身铸造在一起的,这样整体式的结构可以降低安装和调试的难度,利于批量生产时的质量控制；2 是X 轴立柱,同样将电机座和丝杆轴承座整体铸造,考虑到运动速度要求,该零件经过了重量优化；3 是Z轴滑枕与铣头合为一体直接铸造,屏蔽了滑枕与铣头采用装配工艺产生的刚性不足问题,铣头B 轴采用斜45 度结构,主轴箱与滑枕依靠转台轴承连接,B 轴回转轴线与X/Z 移动轴形成的平面呈45 度夹角,方便机床进行立卧式转换；4 是电主轴,直接安装在铣头主轴箱；5 是旋转工作台作,用于承载夹具和工件,它作为本款机床的C 轴；6 是旋转工作转台基座,在Y 轴导轨上移动。

图1 五轴加工中心总体结构

本款机床的X/Y/Z 直线移动轴都采用了高精度中载线轨,使机床在大载荷和高速度之间达到性能均衡；B 轴和C轴两个旋转轴采用的是推力向心圆柱滚子轴承,用以确保两个关节的刚性,使B/C 旋转轴能够有更大的承载,同时也保证了旋转精度。

4 机械结构设计分析

4.1 铣头结构设计

本款五轴加工中心的铣头B 轴采用斜45 度结构,即B轴回转轴线与X/Z 移动轴形成的平面呈45 度夹角,此结构形式便于采用更大尺寸的推力轴承,可以有效强化B 轴关节的刚性。铣头的驱动方式一般有直驱和减速机驱动,直驱的结构简单,便于加工制造和标准化,缺点则是成本高,占用空间大,发热大,容易造成系统精度的温度漂移。综合考虑后,该款机床传动设计上采用了减速机的结构,通过大减速比的行星减速机将伺服电机的驱动力矩放大后传导给B 轴齿轮,从而驱动B 轴旋转,并保证其具有高的加速度,达到机床整机响应速度的要求。减速机同样采用45 度布置,轴线与B 轴轴线平行,该方式可以使用直齿轮传动,避免了使用伞齿轮带来的齿轮加工和安装调试困难等问题。但采用齿轮传动又会产生反向间隙,使刀尖位置失控,体现在加工工件表面的形状上就是过切或者欠切,为此设计时采用了双减速机的结构,也就是在原有传动系统的基础上再增加一个相同的减速机,两个减速机的主动轴同步带轮和驱动电机的同步带轮由同一条同步带连接,即由同一个伺服电机提供动力,利用同步带的张力使两组减速机承受反向力,在工作时一个减速机负责提供动力,另一个减速机负责提供反向力来消除间隙,从而实现了单驱动电机驱动五轴头平稳运行。

图2 是机床的铣头结构,1 是铣头本体,采用整体铸造件,推力轴承直接安装于铣头前部加工出的安装面上；2 是伺服电机,用于提供B 轴的驱动力,该电机工作负荷较大,在设计时特意增加了安装过渡法兰,减少伺服电机发热对铣头精度的影响；3 是同步带,用于传递伺服电机的驱动力,并提供消除反向间隙的预加力；4 是减速器,此处配备了两个同型号的减速器,它们的从动轴齿轮同时作用于B 轴齿轮。

图2 铣头传动结构

4.2 电主轴结构设计

电主轴是机床的核心部件,为满足本款五轴加工中心的需求,电主轴的最高转速必须要达到18000rpm,功率达到25kw,连续功率模式下扭矩要达到100NM以上,且功率密度要高,以便实现更小的体积和重量。

图3 是本款主轴的结构图,其中1 是主轴壳体,由铸件一体加工,外部设计了螺旋状的导流筋,在装入铣头的主轴箱后,与主轴箱一起形成密闭的冷却水道,并将冷却液导入前端轴承座3,用于冷却轴承和主轴定子；2 是芯轴,锥孔结构选择了HSK63A,该刀柄形式可以适应更宽的转速范围,芯轴的外尺寸主要由轴承和转子选型来确定,并要兼顾刚性,本款主轴前后端轴径分别为80mm 和55mm；3 是前端轴承座,内部设计了冷却水道来冷却前后两片轴承；4 是前端轴承,此处选择了占用空间更小的719 系列轴承,为了同时满足轴向载荷和径向载荷,将接触角定在了25 度,该角度轴承的两个方向承载比较均衡,且可以满足18000rpm 高转速的要求,预紧方式为弹簧预紧,即使用弹簧来提供轴承的预紧力,该预紧方式可以使轴承的预紧力恒定和可控,而且可以很好的补偿芯轴的热伸长,可以确保主轴在高低转速时的刚性稳定；5 是电机转子,通过过盈配合装配在芯轴上,材质选择了铜,用于增加电机的功率密度；6 是定子绕组,此处采用了塑封处理,可以防止油液等倾入导线,有效延长主轴的寿命；7 是拉刀系统的拉刀杆,选用的是德国罗姆公司的产品,可以提供25KN 的拉刀力,使用寿命10 万次以上；8 是后端轴承,为补偿主轴工作时的热伸长,后端采用了浮动结构,可以延轴线方向自由滑动,轴承为两片DB 结构的719 系列轴承；9 是主轴测量系统,本款主轴选择了磁感应编码器,他可以适应高转速要求,并且有很好的耐污性；10 是旋转接头,用于刀具加工时的中央喷水,旋转接头可以承受达80bar的出水压力,用于快速深孔钻的排削非常有效；11 是液压缸,主轴松刀时用来推动拉刀杆向前运动,此处的液压缸进行了全新设计,轴向的尺寸有所减小,用来控制整个主轴的长度。

图3 电主轴结构

4.3 床身一体式结构设计

本款机床最初的方案是床身分体设计,即X 轴和Y 轴的床身分别铸造加工后再组合起来作为整体床身,这种模块化的方案利于标准化和柔性设计,零部件的通用性好,但在评审时,考虑到X/Y/Z 三个直线轴的进给速度达到60m/min,五轴联动加工时频繁的加减速冲击,以及环境温度变化时的整体变形,最终将床身结构确定为整体式的T 型布局,虽然整体床身的成本高、制造周期长,但是他的刚性强、精度易于控制、稳定性好,对于整机的调试安装非常有利。

图4 是床身结构图,其中1 是床身整体,在确定床身尺寸时要确保X 轴和Y 轴的有效行程,同时结合工艺排布时选定的设备加工范围,满足一次装夹可以加工所有基准面,从而获得较高的几何精度,且量产的稳定性好,床身整体偏置布置,增大了加工空间的实际可加工范围,刀库布置在偏置的反向,并与床身刚性连接,这样可以使换刀位置稳定,且可以纠正床身的重心位置；2 是Y 轴安装的基准面,设计尺寸依据选定的中载导轨来确定；3 是Y 轴伺服电机和丝杆座,与床身本体一体加工,可以获得较好的形位精度；4 是X轴导轨安装面,由于本款机床使用了45 镀B 轴加C 轴的方式来实现五轴联动,导致主轴处于卧姿时会位于整个五轴头的下端,这里将X 轴安装面做了抬高设计,不但保证了Z 轴的有效行程,而且利于控制X 轴立柱的整体重量,使得机床可以拥有更好的满足动态性能；5 是X 轴电机和丝杆座,6 是X 轴尾端丝杆座,X 轴丝杆用于驱动X 轴立柱和整个五轴头及其附件,要使如此重量的部件具有很好的动态性能,减小轴移动产生的反向间隙,必须在丝杠安装时进行预拉紧处理,而将电机和丝杆座与床身一体设计,可以使这两个部位承受载荷能力更强,稳定性和精度也得以保证。

图4 床身结构

5 样机调试与优化

本款加工中心共有三个直线轴和两个回转轴,在机床装配完成后使用激光干涉仪、方尺和芯棒,对他们的直线度、垂直度、母线、回转中心进行了精确测量,依据测量结果对调整垫片进行了配磨,将机床形位误差进行修正；然后将机床X轴正负软极限之间,距离Y 轴正软极限500mm 内和距离Z轴正软极限300mm 内的区域界限处设置为铣头安全旋转的外边界,在不设置工件区域条件下,在上述规定区域中,激活五轴联动,确认五轴插补功能正常后,使用探头测量五轴联动误差,再综合五个轴的几何误差后输入到机床数控系统的补偿参数中进行补正；使用误差补正后的加工中心来进行温度漂移测量,即在空运行、三轴试切、五轴联动试切等不同情况下进行了长时间的跑合测试,记录大量的温度变化和精度变化数据,通过对数据的统计分析,再结合床身关键部位布置的温度传感器,归纳出了温度漂移曲线,用于控制系统对温度变化引起的误差补偿,提高机床的实时动态精度。

经过了一系列的调试和优化后,本款五轴加工中心的各项性能指标都达到了设计要求。图5 是运用本款加工中心完成的S 型试件,在整个试切过程中,机床运行非常稳定,插补过程中无过切欠切与撞刀现象,加工完成后的零件表面光滑,三坐标测量显示,试件完全达到标准,整台机床的加工能力符合预期。

图5 S 型试件

6 结论

综上所述,本文针对一款高性能的五轴联动机床进行了机床的整体开发,设计了配备双减速机的45 度铣头、整体式的T 型床身以及高速电主轴,使机床具备了高刚性、高精度、高速度和可靠性,并在装配完成后进行了调试和优化,最终运用该加工中心进行了S 型试件的五轴联动加工,加工完成后的零件表面光滑、精度合格,显示该机床的加工能力达到了设计要求。