1、2010年4月第38卷 第8期机床与液压MACHI NE TOOL&HYDRAULICSApr12010Vol138 No18DO I:10.3969/j1issn11001-3881120101081003收稿日期:2009-04-28作者简介:张惠敏(1954),女,教授,研究方向为机械工程及自动化。电话:0532-88890622,E-mail:zhanghui min2qust1631com。五轴联动数控机床的设计张惠敏(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061)摘要:介绍已研制成功的具有自主知识产权与多项专利技术的XTK138/5五轴联动数控机床的总体设计,A、C联动回转轴设计
2、,传动系统设计及数控系统设计。该机床已投入生产,其运行状况良好,加工精度和加工效率达到同类进口机床的水平。关键词:五轴联动数控机床;A、C联动回转轴;电主轴;滚珠丝杠;控制系统中图分类号:TG547 文献标识码:B 文章编号:1001-3881(2010)8-008-3Design of Five2axis NC Machine ToolZHANG Huimin(College of Electromechanical Engineering,Qingdao University ofScience and Technology,Qingdao Shandong 266061,China)Ab
3、stract:XTK138/5 five2axisNC machine tool has self2owned intellectual property rights and many patents.The overall designof thismachine tool,the design ofAC axis,the design of the driven and control system were introduced.The machine toolwas usedin manufacture and the operating condition was good,the
4、 machining precision and efficiency reached the machining level of the impor2ted machine tool.Keywords:Five2axisNC machine tool;A、Caxis;Electric spindle;Ball screw;Control system 随着科学技术的快速发展,普通的三轴数控机床已满足不了人们对加工零件的更高要求。在20世纪60年代,一些发达国家开始研制五轴数控机床。五轴数控机床集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工于一体,可高效、准确完成复杂曲面的加工,特别是在加工叶轮、叶
5、片、船用螺旋桨及大型柴油机曲轴等方面具有独特的优势。由于五轴技术难度较大,国际上通常把五轴联动数控技术作为衡量一个国家生产设备自动化水平的重要标志。长期以来,西方发达国家一直把五轴联动数控技术作为重要的战略物资控制出口,发展中国家在研发和引进两方面都碰到了很大的阻力,因而研究五轴联动数控技术对提高国家的综合国力意义深远。为打破国外的技术封锁,实现“十一五”规划的发展目标,某公司研制了具有自主知识产权与多项专利技术的XTK138/5五轴联动数控机床。作者着重介绍该机床的结构特点、加工性能以及使用情况,为促进我国五轴联动数控机床技术进步和快速发展抛砖引玉。1 机床总体设计111 整体结构XTK13
6、8/5五轴数控机床主要用于小型高精度复杂零件的加工。该机床为单立柱悬臂式,整体结构紧凑,占地面积小,主要由床身5、十字滑台4、滑枕2、立柱1、AC联动铣头3、自动供油系统6、冷却系统7和数控系统8等组成。整体结构如图1所示。安装在床身上面的十字滑台带动工作台沿X、Y轴两个方向运动,安装在立柱上的滑枕带动A、C轴联动铣头沿Z轴方向运动,铣刀绕X、Z轴摆动和旋转,从而形成了3个直线轴和两个回转轴的五轴运动系统。图1XTK138/5五轴数控机床总图沿3个直线轴的运动分别由3个伺服电机通过滚珠丝杠完成。绕两个回转轴的运动分别由两个伺服电机通过可消隙的蜗轮蜗杆装置完成。X、Y向导轨采用直线滚动导轨,刚性
7、好、摩擦系数小、运动灵敏度高;Z向采用矩形贴塑导轨,承载能力强,精度高。采用自动供油方式,定时润滑机床的摩擦面。进给电机均设有过载、过热电器保护功能。三向进给机构设有限位控制装置,机床工作安全可靠。112 主要技术参数工作台尺寸(长 宽)为725 mm485 mm;强力电永磁吸盘尺寸(长 宽 高)为680 mm300 mm100 mm;工作台纵向行程(X轴)600 mm;工作台横向行程(Y轴)400 mm;滑枕垂直行程(Z轴)300 mm;回转轴回转角度(A轴)360;摆动轴摆动角度(C轴)90;最小摆动半径150 mm;电主轴功率212 kW;电主轴转数1 0002 4000 r/mim。伺
8、服电机转矩:X轴6 Nm;Y轴6 Nm;Z轴11 Nm;A轴6 Nm;C轴6 Nm。工作台最大承重600 kg;机床总重415 t;机床外形尺寸为2 008 mm1 600mm2 480 mm。2A、C联动回转轴设计图2AC轴联动铣头五轴数控机床的3个直线运动轴和两个回转运动轴联动使铣刀始终垂直于工件曲面,从而实现复杂曲面的高精度加工。五轴数控机床有立式与卧式两种类型。立式数控机床的5个运动轴为X、Y、Z3个直线轴和A、C两个回转轴。卧式数控机床的5个运动轴为X、Y、Z3个直线轴和A、B两个回转轴。由于卧式机床的主轴在径向有自重力,轴承高速运转时径向受力不均,因而主轴转速不宜过高,一般限制在2
9、 000 r/min以下。而立式机床主轴不存在自身重力影响,最高转速可达到40 000 r/min1。对于模具复杂曲面的加工常用小直径铣刀,而小直径铣刀必须有很高的转速才能达到高精度要求。因而该机床采用立式结构。立式结构的两个回转轴是A、C轴。该机床将A、C回转轴设置在主轴上。铣头绕Z轴旋转360,形成C轴,绕X轴旋转 90 形成A轴。这样的结构形式工作台上无旋转轴,因此工作台承受力大,工作台的尺寸也可设计得大些,更重要的是主轴加工非常灵活,尤其是用球面铣刀加工曲面时,可使球面铣刀避开顶点切削,保证有一定的线速度,从而提高表面加工质量。具体结构如图2所示,C轴传动系统安装在基座上面,通过一穿过
10、基座的传动轴与A轴摆动头相连,A轴传动系统安装在基座下面。整个装置各传动副和支承零部件安装空间大,A轴与C轴传动轴的直径不受其限制,因此铣头的整体刚度大,工作平稳,抗冲击性强2。另外,A、C轴联动铣头的传动环节少,并且设计了蜗轮蜗杆消隙装置,有效地消除了回转轴的轴向和径向间隙,从而保证了回转精度和承载能力,并可在传动零件出现磨损时调整间隙,延长传动副使用寿命3。A、C轴联动铣头的定位精度为01003,重复定位精度为01005。蜗轮蜗杆消隙装置结构如图3所示,蜗杆由多段蜗杆套组成,各段蜗杆套之间安装有弹性元件,弹性元件迫使蜗杆套与蜗轮相互压紧,使相互啮合的齿侧均无间隙,从而保证了传动精度。图3
11、蜗轮蜗杆消隙装置3 传动系统设计311 主传动系统的设计主传动系统是五轴联动数控机床关键件之一。对于五轴联动数控机床常常需要用小直径铣刀加工复杂曲面,因此主传动系统必须具有很高的转速,才能完成高精度加工。主电机 皮带转动 齿轮变速的传统传动方式已经远远不能满足五轴高精度、高效率加工的要求。因而XTK138/五轴联动数控机床采用了具有高速切削能力的电主轴传动。电主轴是交流伺服电动机直接驱动的集成化结构,电动机转子与主轴连为一体,直接驱动主轴旋转,取消了齿轮变速机构,简化了主传动结构,消除了机械传动产生的振动噪声,最重要的是电主轴具有高效率、高精度的加工功能,可满足五轴数控机床的要求。电主轴工作转
12、速为1 00024 000 r/min。如此高的转速在工作中势必产生大量的热量。这些热量将通过主轴传到轴承上去,最终影响轴承的寿命,并且会使主轴产生热伸长,影响加工精度4-5。为了改善电主轴的散热状况,设计了冷却水循环系统,冷却水从进水口进入定子水槽,进行循环冷却后,从出水口排除。为加强冷却效果,保持电主轴的温度恒定,冷却系统设有调温制冷功能。9第8期张惠敏:五轴联动数控机床的设计根据经验,转速在1 500 r/min以下的电主轴轴承,dn值一般小于110106mmr/min采用脂润滑。dn值在110106mmr/min以上的主轴轴承采用油润滑方式。该机床转速较高,因此采用油润滑方式,油气润滑
13、是油润滑方式中的一种,这种润滑方式是用压缩空气把小油滴送进轴承空隙中,油量大小可达最佳值,润滑油可回收,对环境无污染。另外增大空气流量和提高油气压力还可以提高冷却效果6。因此作者采用了油气润滑方式。312 进给系统的设计数控机床的进给系统用于接受数控系统发出的脉冲指令,经放大和转换后驱动机床运动执行件,以实现预期的运动。因此进给系统的性能在一定程度上决定了数控机床的性能,直接影响了加工工件的精度。为了保证数控机床的加工精度,进给系统必须具有响应速度快、稳定性好、传动精度高、构件刚度大、低摩擦并能消除传动间隙的特点。考虑到以上因素,该机床的X、Y、Z3个直线轴方向的进给运动均采用高精度的滚珠丝杠
14、副,并采取了消隙、螺距误差补偿等措施;3个方向的伺服驱动装置均采用制造成本低、转子惯量小、动态响应好,质量小、转速高、输出功率大的交流伺服电动机,从而满足了五轴联动数控机床的定位精度要求。4 数控系统设计XTK138/5五轴联动数控机床配置了国产超小型、超薄型的HNC222MD数控系统,具有高功能、高可靠性的开放式CNC,CNC控制部分和液晶显示器(1014寸彩色显示器)集成一体。采用了FSSB、I/OLink超高速串行通信,简化了硬件接线,具有丰富的网络功能(以太网为标准配置),与因特网连接可实现远程诊断;系统配有RISC处理器,具有AL纳米级高精度轮廓控制、刀具中心点控制、三维刀具半径补偿
15、、三维圆弧插补等功能。该系统还适用于高功率、高速度的I系列数字交流伺服驱动,使机床具有高精度、高效率的加工功能。5 结束语该机床投入使用后,已加工多种叶轮和轮胎模具,机床运行状况稳定,加工精度和加工效率达到同类进口机床的水平,价格却仅为同类进口机床的20%25%。该机床的研制成功,满足了叶轮类零件和轮胎模具生产的需求7。在机床研发过程中,与市场接轨,倾听用户意见与用户密切配合,掌握用户的机床应用经验,不断改进和完善机床结构和软件功能,走出了一条高档数控机床研发的正确技术路线,为我国机床行业提供了有益的经验。参考文献:【1】蕊阳.机床工业亟须发展五轴数控技术J.机电新产品导报,2003(4):4
16、4-46.【2】宁新华.一种AC轴联动铣头:中国,ZL200720181686.4 P.2008-08-20.【3】宁新华.精密蜗轮蜗杆传动消隙装置:中国,Z L200610102244.6 P.2008-10-15.【4】林余,田建军.现代数控机床M.北京:化学工业出版社,2003.9.【5】黄维曼.电主轴单元在数控车削中心的应用J.机械制造与自动化,2007,3(5):54-55.【6】刘怀兴,夏田.数控机床系统设计M.北京:化学工业出版社,2005.6.【7】宁新华.XTK138/5五轴联动加工中心科学技术成果鉴定材料R.青岛:青岛元通机械有限公司,2008.5.(上接第30页)图8 后
17、置处理程序清单5 结束语作者以圆柱直齿轮为实例介绍了MasterCAM数控自动编程的关键技术,应用MasterCAM软件自动生成数控加工程序可大大节省编程时间,提高数控机床的使用效率,减少数控加工程序的错误率,在某公司与某机床厂生产的多功能复合机床上得到了应用。参考文献:【1】何晓东.MasterCAM设计与应用M.北京:电子工业出版社,2004.6:151-169.【2】王卫兵.MasterCAM数控编程实用教程M.北京:清华大学出版社,2000.12:49-200.【3】廖卫献.数控车床加工自动编程M.北京:国防工业出版社,2002.6:166-168.【4】苏旭武.MasterCAM后置处理文件的高级编程方法及其应用J.制造技术与机床,2006(1):18-20.01机床与液压第38卷
