桌面式五轴六联动加工中心设计策略分析

罗强 吴小霞 张益维 吴光洁 何晶昌

作者简介：罗强（1988—），男，副教授，现主要智能制造、机电控制系统设计

摘 要：对五轴加工中心的机构及反馈系统进行分析研究，结合主要适用于高校及职业院校的数控理实一体化实验演示设备及玉石、实木、工程塑料等小型复杂零件加工设备需求，优选了结构刚度高、观摩安全性高、适用桌面式构造的结构形式，并重点针对其动态监控反馈系统进行了分析研究。

关键词： 桌面式;五轴六联动加工中心;结构设计;系统控制

微型机床（Micro Machine Tools—MMT）和微加工（Micro Machining—MM）并不是将传统加工工艺及装备微型化，并用于微型零件批量生产的技术;其设备原理及构造、加工工艺与传统方式有很大的不同[1-2]。因此，在微型机床的系统研究，还有相当长的路要走，其中主要包括：原理及结构、控制系统、与之配套的刀具夹具、产品生产制造工艺等研究。桌面式五轴加工中心就是微型机床的一大體现，因其体积小、惯性质量小、发热量小，具有能耗低、柔性大、效率高的优点，可以减小微型装置生产线的全系统尺度规模，既可以节省能源又可以节省制造空间和资源，符合节能、环保的要求，是绿色制造的发展方向之一。

五轴加工中心即在一个机床上有五个坐标轴，而且可在计算机数控（CNC）系统的控制下同时协调运动进行加工，五个坐标轴具体为X轴移动组件，Y轴移动组件，Z轴移动组件，A轴旋转组件，C轴旋转组件。目前对于五轴加工中心的研究主要集中在中大型机床上，而对于小型的五轴加工中心的研制较少，由于桌面式微型五轴加工中心对玉石、实木、工程塑料等小型复杂零件加工的巨大优势，且对于高校及职业院校的数控理实一体化人才培养具有重要意义，并随着创客的快速发展，桌面式微型五轴加工中心的需求进一步扩大，一批科研院校及科技公司开始了对桌面式五轴加工中心开始了研究探索。

一、关键技术

1. 机械结构

市场所需的五轴六联动加工中心的核心需求即为桌面化、低成本化，因此项目组在分析中大型加工中心的基础上，结合桌面式五轴六联动加工中心的核心需求，分析常见的立式、卧式、摇篮式、龙门架式加工中心的结构性能，对比不同结构的优缺点[3]，提出目标导向的桌面式加工中心结构形式。

2. 电控系统和运动控制驱动软件

项目组深入研究现有加工中心的电控系统，大多数加工中心直接采用工控机+运动控制卡+步进电机的电控架构[4]，本文在以上电控架构基础上，采用两电控架构如图1所示：“工控机+私服电机驱动器+伺服电机”和“工控机+运动控制卡+步进电机+光栅尺”，构建全闭环控制系统，保障桌面式加工中心的加工精度。

运动控制驱动软件是加工中心的关键技术，不同运动控制卡配置了不同的驱动软件，但经深入研究发现，驱动软件不同但架构是相同的。利用国外DIY平台公布的开源驱动软件，进行简单的修改，如图2所示，以满足自主研制加工中心设备的需求。

二、整体设计规划

1. 功能要求

要求实现的功能有：（1）结构紧凑，整体体积较小;（2）设备外型便于观察，且观察时安全系数高;（3）加工精度有保障，可以满足一般的文创等小型件的加工。

2. 设计目的

针对文创及教学示范使用的桌面式五轴加工中心仍然不多，市场需求量较大。该市场所需的五轴加工中心的核心需求即为桌面化、低成本化，因此项目组在整体结构设计中，重点针对小型化、桌面化，保证安全性的前提下优化加工中心整体的可视程度，便于教学示范;在保障加工质量的情况下，合理压缩成本，推广桌面式五轴六联动加工中心，助力创客市场发展。

3. 结构模型设计及样机试制

利用Solidworks三维软件对多种结构的桌面式五轴加工中心进行了建模设计，对结构模型的运行特性和强度进行了仿真分析。完成的数控加工中心模型如图3所示。

三、结论

桌面式五轴加工中心主要为适应高校等培训观摩学习和创客使用需求，设计制造过程需要严格遵循目的导向，尽量降低制造成本、保障使用安全。在完成机械部件设计后，应当设计与之匹配的控制软件，保障其加工精度。

参考文献：

[1].斗山机床 DVF5000紧凑型五轴加工中心[J].现代制造，2021（06）：55.

[2]兰志俊.高性能五轴联动机床机械结构设计实践与探索[J].科学技术创新，2022（04）：134-137.

[3]罗海军.五轴一体式转台立式加工中心设计要点分析[J].机械研究与应用，2021，34（03）：76-78.DOI：10.16576/j.cnki.1007-4414.2021.03.020.

[4]王胜曼.一种采用动态补偿的五轴机床铣削力预测方法[J].机床与液压，2022，50（06）：43-47.