高速龙门铣床五轴联动的结构设计

第1 5 卷第3 期 2 0 1 0 年6 月 新余高专学报 J O U R N A LO FX I N Y UC O L I 正G E V 0 1 1 5 N O 3 J u n 2 0 1 0 高速龙门铣床五轴联动的结构设计 周晓平 朱双霞 新余学院机电工程系 江西新余3 3 8 0 0 4 摘要 对现在机床的五轴联动结构进行了结构分析 对比 设计出了高速龙门铣床五轴联动的结构 五轴联动结构设 计中又主要对五轴联动铣头 行业中称 五轴头 进行了设计 结构中采用了精密齿轮啮合与双导程蜗轮蜗杆驱动 既 保证了结构紧凑 精度也较高 关键词 五轴联动 结构设计 五轴联动铣头 双导程蜗轮蜗杆 中图分类号 T G 6 5 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 6 7 6 5 2 0 1 0 0 3 一0 0 9 0 0 3 1 前言 数控机床是当代制造业的主流装备 是市场的热门商品 我国数控机床经历3 0 多年来的发展 现已颇具规模 机床已 涉及超重型机床 高精度机床 特种加工机床 锻压设备 前沿 高技术机床等领域 但与机床高度发达的国家相比 我国机 床的总体制作水平还是存在着一定的差距 相当明显的是 在 我国 对于四轴联动以上的机床 大部分来自国外 再加上西 方国家对我国在这方面的技术封锁 在一定程度上影响了我 国数控机床的发展 笔者在借鉴大量国内外机床资料的基础上 根据一特定 方案设计出虚拟样机 五轴联动高速数控龙门铣床 本文 是就其中五轴联动的结构设计进行阐述 2 五轴联动现状及其分析 大多数高级的数控铣床的数控装置都可控六根基本轴 即x Y z 三根运动轴和绕X Y z 三根运动轴旋转的A B c 三根回转轴 五轴联动指的是在六根基本轴中 机床数 控装置能控制其中五根轴同时达到空间某一点 通俗的讲就 是指其中五根轴能同时对某一点进行运动加工 根据机床实 际情况 五轴联动通常是在X Y Z 三根运动轴基础上增加由 A B c 三个回转轴中任意两个回转轴所组合的运动 2 个回 转轴可以都配置在刀具切削头部位 通常称摆动轴 或工件 安装部位 通常称旋转工作台 也可在这两个部位上分别配 置1 个回转轴 根据这些配置方式可以组合出的有效布局方 案共有 2 鹾 只 1 2 种 1 双旋转工作台的高速五轴机床 它应用比较多的是 铣镗类机床 这种机床也有多个类型和品种 较简单的是在 数控镗铣床的工作台上附加A B 轴转台 配上相应的数控系 统 实现x Y z 三个直线运动和A B 轴两个旋转运动并可 联动 这种配置由于接合层次多 刚性差些 因此有专门将 A B 转轴的支座与工作台或床身做成一体的 由于受安装工 件的转台的尺寸和重量的制约 这种机床仅适用于加工中小 型工件 2 在刀具切削头部位和工件安装部位 都配置1 个回 转轴 这种五轴联动机床由于转台可以是A 轴 B 轴或c 轴 摆头也是一样 可以分别是A 轴 B 轴或c 轴 所以转台加上 摆头式结构的五轴联动机床可以有各种不同的组合 以适应 不同的加工对象 如加工汽轮发电机的叶片 需要A 轴加上B 轴 其中A 轴需要用尾座顶尖配合顶住工件 如果工件较长 同时直径又细 则需要两头夹住并且拉伸工件来进行加工 当 然这里一个必要条件是两个转台必须严格同步旋转嵋J 这种型式配置的机床把旋转轴分别放置于切削头部位和 工作台安装部位 与使用双旋转工作台的机床相比较 优点 是剐性高 工作台的承载能力强 双旋转工作台为 个串联 机构 而且空间上受到限制 无法设计得足够健壮 导致整 体刚性不足 若将旋转轴分开在主轴头和工作台两个部位 那么结构刚性的问题便得到很好的解决 工作台的工作台面 积与承载能力也远大于传统的双旋转工作台 J 3 双摆头式结构的五轴联动机床 由于结构本身的原 因 摆头中间一般有一个带有松拉刀结构的电主轴 所以双摆 头自身的尺寸不容易做小 一般在4 0 0 一5 0 0t r i m 左右 加上双 摆头活动范围的需要 所以双摆头结构的五轴联动机床的加 工范围不宜太小 而是越大越好 一般为龙门式或动梁龙门 式 龙门的宽度在2 0 0 0 3 0 0 0m i l l 以上为好 本机床是高速 龙门铣床 所以采用此种双摆头式的五轴联动结构 3 高速龙门铣床五轴联动结构 3 1 方案的确定 根据对机床五轴联动现有结构的分析 本机床总体结构 采用定梁式龙门铣床结构 工作台在线性滚珠导轨上作x 向 运动 z 轴滑枕上配置五轴联动铣头 Y 轴采用双线性滚珠 导轨安装呈垂直分布状态 z 轴采用大规格线性滚珠导轨与 双平衡液压缸装置 三轴均采用伺服电机与滚珠丝杠螺母副 通过联轴器直接的形式 该结构的核心是采用了五轴联动铣头 目前 在五轴联动 铣头领域中 西方国家中有意大利意萨 I S A 公司和德国西 收稿日期 2 0 1 0 0 3 1 5 课题及第一作者简介 本文为校级课题 五轴联动高速龙门铣床结构设计的研究 项目编号 x j 0 8 2 1 系列研究成果之一 周 晓平 1 9 7 9 一 男 江西新余人 讲师 一9 0 万方数据 2 0 1 0 第1 5 卷 周晓平 朱双霞 高速龙门铣床五轴联动的结构设计 第3 期 泰克 C y T e c 公司比较突出 国内就属桂林机床股份有限公 司做的比较专业且系统化 综合现有产品资料 拟定了3 种 五轴联动铣头的结构方案 方案1 五轴联动铣头的A C 轴全采用 零传动 结构 直接由力矩电机 T o r q e rM o t o r 驱动 德国西泰克 C y T e c 公 司产品属此类结构 见图1 方案2 五轴联动铣头采用纯机械结构 A 轴由双导程蜗 杆驱动 C 轴也由双导程蜗杆驱动 方案3 同方案2 一样 采用纯机械结构 A 轴由双导程蜗 杆驱动 C 轴由精密齿轮啮合驱动 图1五轴联动铣头 对比分析上述方案设计 方案l 的优点 结构紧凑 体积 小 加工精度高 美中不足的是造价太过于昂贵 方案2 与方 案I 相比 加工精度偏低 且体积较大 外观造型比较笨重 方 案3 结构特点介于方案1 与方案2 之间 l 2 3 4 通过以上方案的对比分析 机床的五轴联动铣头采用方 案3 的结构设计 3 2 结构的设计 通过对国内外机床市场的关注 收集r 大量国内外相关 的资料 并着重借鉴桂林机床股份有限公司的摆动式A C 轴 联动铣头资料 最终结合现我国机床发展状况 确定了五轴联 动铣头产品设计的运动参数 1 A 轴摆动角度为 1 0 0 0 与C 轴回转角度为 3 7 0 0 连 续分度 2 A 轴摆动速度为0 1 0 r m i n C 轴回转速度为0 2 0 r r a i n 根据五轴联动铣头结构设计方案及运动参数 机床设计 出的五轴联动铣头结构 具体结构见图2 此结构特点 A 轴 与c 轴的运动结构都嵌在z 轴滑枕内 且A 轴运动结构嵌在 铣头套 并相对于c 轴运动结构独立 五轴联动铣头主要是 实现二轴联动动作 结合图2 来说明五轴联动铣头的工作原 理 五轴联动铣头C 轴回转传动过程 C 轴伺服电机一小齿 轮l 一大齿轮1 一铣头套 五轴联动铣头A 轴摆动传动过程 A 轴伺服电机一小齿轮2 一齿轮同步带一大齿轮2 一 双导程 蜗杆一双导程蜗轮一电主轴套一内藏式电主轴 C 轴回转运 动是由一对标准精密直齿圆柱齿轮传动来实现 其齿轮参数 小齿轮1 齿数Z 4 0 大齿轮1 齿数Z 1 3 4 模数m 2 r a m 压力角O t 2 0 h f 1 顶隙系数c 0 2 传动中心 距口 1 7 4 m m A 轴摆动运动是由一对双导程蜗杆传动实现 其具体参数计算略 6 7 9 1 0 l I 1 2 1 3 1 4 1 5 图2 五轴联动铣头结构图 1 一Z 轴滑枕 2 一大齿轮l 3 一A 轴伺服电机 4 一大齿轮2 5 一电主轴套 6 一C 轴伺服电机 7 一小齿轮l 8 一小齿轮2 9 一铣头套 l O 一齿轮同步带 l l 一蜗杆套 1 2 一蜗杆座 1 3 一双导程蜗杆 1 4 一双导程蜗轮 1 5 一内藏式电主轴 4 结构的合理性及优点 4 1 可行性与合理性 哈默C 3 0 U 和C A O U 五轴立式加工中心机床采用数控龙 门移动铣床结构 龙门移动 工作台固定在龙门底座上 且配 置为二轴联动的旋转工作台 X 轴采用双丝杠驱动加线性滚 珠导轨 Y 轴采用双线性滚珠导轨安装呈垂直分布状态 z 轴 采用大规格线性滚珠导轨 由此可见 x Y 轴的设置是可行且 合理的 大连机床厂的B K S 0 龙门式加工中心采用定梁式龙 门铣床结构 工作台在线性滚珠导轨上作X 向运动 z 轴滑枕 上配置五轴联动铣头 导轨配置方面与哈默C 3 0 U 和C A O U 五 轴立式加工中心机床一样 由此可见 采用z 轴滑枕上配置五 轴联动铣头是有实践证明过的 通过这两种机床的取长补 短 设计出本机床的五轴联动机构是完全合理与可行的 4 2 优点 五轴联动铣头一直是五轴联动龙门式数控机床的瓶颈 本文设计出高效实用的五轴联动铣头结构 它具有A C 轴功 能 其中c 轴采用精密齿轮传动结构 而A 轴采用双导程蜗 杆传动形式 此传动结构具有轴向问隙补偿的功能 弥补了其 一9 l 一 万方数据 第3 期新余高专学报 2 0 1 0 第1 5 卷 它蜗杆传动形式因蜗杆啮合磨损造成的轴向间隙问题 5 结论 数控机床设计过程中 轴的联动设计是其核心的部分 不 仅对控制部分有较高的要求 机械部分也是非常重要的 它不 仅决定了其功能 更决定了其精度和加工范围 此论文对五 轴联动机械部分进行了详细的比较与设计 既符合经济效益 也同时满足精度要求 是一种比较适合于我国现阶段数控机 床发展的水平的设计思路 为数控机床轴的设计提供有普遍 意义的设计方案 为同样进行五轴联动设计的同行提供参考 随着机械加工技术的不断推进 以这种机械传动链结构 的五轴联动铣头会逐渐被以 零传动 方面的五轴联动铣头 取代 但个人相信 在今后几十年中 机械传动链结构的五轴 联动数控机床 在数控加工领域仍扮演着重要的角色 推动我 国制造加工业的发展 参考文献 1 范宏才 盛伯浩 多轴联动机床A C 转轴镗铣头结构 J 制造技术与机床 2 0 0 7 2 1 0 0 1 0 3 2 杜玉湘 五轴联动数控机床的结构和应用 J 机械制造 与研究 2 0 0 8 6 3 黄炳誉 王成勇 秦哲 模具高速五轴加工机床的结构特 点及关键技术 J 机械工程师2 0 0 8 5 责任编校 任华 D e s i g no ff i v ea x i sc o o p e r a t i o ns t r u c t u r eo fh i g h s p e e dp l a n em i l l e r Z H O UX i a o p i n g Z H US h u a n g x i a X i n y uC o l l e g e X i n y u 3 3 8 0 0 4 0C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e ra n a l y s e sa n dc o m p a r e st h es t r u c t u r eo ft h ep r e s e n tf i v ea x i sc o o p e r a t i o no fm a c h i n et o o la n dd e s i g n sf i v ea x i sc o o p e r a t i o ns t r u c t u r eo fh i g h s 弘捌p l a n em i l l e r m a i n l yf i v ea x i sc o o p e r a t i o nm i l l e rh e a d P r e c i s i o ng e a rm e s h i n ga n dd u a ll e a dw o r m w h e e l a n dw o l I nd r i v i n ga r eu s e di nt h es t r u c t u r e w h i c hg u a r a n t e e sc o m p a c ts t r u c t u r ea n dh i i g hp r e c i s i o n K e yw o r d s f i v ea x i sc o o p e r a t i o n s t r u c t u r ed e s i g n f i v ea x i sc o o p e r a t i o nm i l l e rh e a d d u a ll e a dw o n n w h e e la n dw o r m 上接第7 9 页 j B P Mp r o c e s sp u s hp r i n c i p l e U UX i n h u a L IG a n g A d m i s s i o nO l 矗c eo fH i g hE d u c a t i o no fJ i a n g x iP r o v i n c e N a n c h a n g 3 3 0 0 0 6 C h i n a 2 F i n a n c i a lD e p a r t m e n to fJ i 姐g iP r o v i n c e N a n c h a n g3 3 0 0 0 3C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep a t ho fp r o c e s sp u s