五轴机床，你知道这些吗？

五轴加工全局干涉检查及其避免
比如高速卧 式加工中心、大型五坐标高速双龙门铣床、五坐标高速立加等飞机制造厂急需设备，在国内 尚处于空白状况。现有机床的横梁一般采用高强度铸铁材料制造。由于受铸铁材料的弹性模量和抗 拉强度等因素的制约和铸造工艺性的限制，横梁内部加强筋厚度至少为 20-30mm，内部筋腔 必须均匀布置，这使得为了在某些应力集中部位增加筋腔密度而不得不将横梁整体筋腔数 量增加，使横梁重量不必要的增大，由自重所引起的挠度变形显著 ；虽经数控系统进行精度 补偿可满足加工需要，但仍然对其精度有所影响。

五轴龙门加工中心设计

包括 ：床体 100、拖板 200、横梁 300、滑鞍 400、滑枕 500、联动头 600 和工作台 700。拖板 200 设置在床体 100 上，并且拖板 200 在床体 100 上可沿 X 向移动。横梁 300 设置在拖板 200 上，滑鞍 400 设置在床体 100 上，并 且可以沿横梁 300 实现 Y 向进给。滑枕 500 与滑鞍 400 滑动连接，可以沿滑鞍 400 实现 Z 向进给。在滑枕 500 的下端面固定安装 A 轴和 C 轴双摆联动头 600， 实现龙门铣床 A 轴方向连续摆动和五轴头的沿 C 轴方向连续旋转。

工作台 700 设 置在龙门铣床的底部，并且与床体 100 连接。工作台 700 为 HT300 铸造件，并 且在其底部设置有地脚。床体 100、拖板 200 和滑鞍 400 均为铸铁件。工作台 700 为 HT300 铸造件， 耐磨性强、抗压性能好，并且在其底部设置有地脚，分布均匀的地脚使固定安装的所述工作 台 700 受力均匀，承重达到 5000kg/m 2 以上。

横梁的形状示意图。如图 3 所示，横梁 300 的主要承靠面呈下开口的抛物线形，并且所述抛物线的凸起部分刚好补偿所述横梁由于自 重引起的挠度变形。抛物线的方程式如下 ： y ＝ ax 2 +b ；其中，a 和 b 均为常数，x 的数值范围为 -1600mm ≤ x ≤ 1600mm，即横梁 300 的长度为 3.2m，相应的 a 的数值为 -1.95×10-7 ，b 的数值为 0.05。当横梁的长 度改变时，应该适当调整 a 和 b 的数值，以保证抛物线的凸起部分刚好补偿横梁由于自重引起的挠度变形。图 4 是横梁的结构示意图。

如图 4 所示，横梁 300 由钢材焊接而成，整体呈箱型结构，中心部分由两组槽钢相对焊接而成，并且沿槽钢的 长度方向焊接有通长直筋301。在箱型结构内部，垂直槽钢长度方向设置有多个筋 板 302，并且在横梁与拖板的连接部分设置的筋板 302 数量多于其他部分。经 过有限元分析发现横梁 300 在连接部分的应力较为集中，因此，在这部分设置较 多的筋板 302，能够增加横梁 300 的抗弯能力，同时不会导致中间部分挠度变形。 图5是龙门铣床的横梁部分的局部示意图。

如图5所示，龙门铣床还包括用于驱动横梁 300 的驱动电机 800 ；驱动电机 800 与拖 板 200 连接，并且驱动电机 800 包括 ：主电机 801 和副电机 802。主电机 801 带动 一个齿轮作为主齿轮 901 ；副电机 802 带动一个齿轮作为副齿轮 902 ；主齿轮 901 和副齿轮 902 通过齿条 1000 连接，进而实现主齿轮 901 和副齿轮 902 之间的传动。 目前在大型机床驱动系统中大都采用齿轮齿条传动结构，这种结 构不受行程限制，传递扭矩大、刚性好。但是由于齿轮齿条之间存在啮合间隙并且行星减速 机内也存在背隙，这些因素势必要影响到机床运动的精度和同步性。为了消除这种间隙，对 齿轮齿条的精度要求很高，而且机械式消隙结构也非常复杂，并且可靠性不高。而采用双驱动电机结构，通过机床电气系统对驱动电机 800 进行设置，根据机 床运行的不同情况，施加相反方向的全程预载，可以有效去除间隙，提高机床的精度和可靠 性。具体工作原理如下 ：(1) 停止状态时，主电机 801、副电机 802 停转，电气系统分别为主电机 801 和副电 机 802 施加相反方向的预载，在预载力的作用下，使主齿轮 901 与副齿轮 902 分别抵住齿条 1000 前后面，达到消除齿隙的目的。

(2) 加速状态时，主电机 801、副电机 802 加速运转，电气系统为主电机 801 和副电 机 802 施加同向的驱动力矩，负载连续加速运动。

(3) 匀速状态时，电气系统为主电机 801、副电机 802 施加同向的驱动力矩。当预 加转矩大于摩擦转矩时，主齿轮 901 作为驱动齿轮，副齿轮 902 制动。当摩擦转矩大于预加 转矩时，主齿轮 901 和副齿轮 902 同时作为驱动齿轮，负载匀速运动。

(4) 减速状态时，电气系统为主电机 801、副电机 802 施加同向，但与负载运动方向 相反的驱动力矩，当负载停止运动时驱动力矩消失，主电机 801、副电机 802 在预载力的作 用下消除间隙。龙门铣床布局规整，设有全封闭防护间，配有安全电子门锁和宽敞的安全观 察窗，除有效防止加工切屑和冷却液飞溅外，确保高速加工的安全性。 龙门铣床的冷却、液压、气动和润滑系统集中控制，并布置在防护间外 侧，便于监测和调整 ；电气控制系统位于防护间外侧，便于操作和调试。 龙门铣床共有三个直线传动轴 (X 轴、Y 轴和 Z 轴 )，在这三个直线传动轴中， 每一对相互运动部件间均采用滚柱导轨导向，其轻快地无间隙高速运动，可使机床获得较 高的几何精度和定位精度，并具有较强的刚性和长久的精度保持性，而且维护保养非常简 便。 机床各坐标轴的驱动中心均靠近移动部件质心，传动刚度高 ；机床的驱动连接配以高刚性联轴器，使得该机床既有卓越的动力输出又有稳定的机械性能。龙门铣床在 X、Y、Z 三个坐标轴方向上均设有直线光栅尺，实现全闭环反馈，可使机床获得稳定的位置精 度。并且通过优化各伺服轴传动参数，从而达到机床动态特性最优化。龙门铣床主要气动元件为 SMC( 一个气动元件制造商 ) 产品，性能可靠，安装、 调整操作简单。坐标轴油脂润滑系统采用递进式两级分配器，数控系统自动控制、定时定 量地向各传动元件输送专用润滑剂，给油量可调，并有油路堵塞报警。龙门铣床还配 有 2000L 大容量水箱，并且在工作台 700 两侧各配置一套链式排屑器，后部设有提升装 置，可实现整机集中排屑。龙门铣床通过将横梁的主要承靠面设计为抛物线形，并 且采用钢焊接结构的横梁取代传统的铸铁结构的横梁，有效克服了横梁由于自重引起的挠 度变形问题，提供了龙门铣床的加工精度。同时，由于采用新型的横梁结构，还减小 了横梁自重，从而提高了龙门铣床的进给速度，减少了加工时间，提高了加工效率。