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新型高（gāo）速五軸聯動（dòng）葉輪加工機床大件結構設計

2019-10-24 來源：海拓璞數控科技有（yǒu）限公司（sī）作（zuò）者：郭聰聰

摘要（yào）: 針對葉輪加（jiā）工，重（chóng）點討論了五軸加工中心的設計機理和結（jié）構及提高機床（chuáng）剛度（dù）、加工速度和精度，特別是對機床的整體布局、刀庫、回轉台和機床（chuáng）床（chuáng）身結構進行了分析，在滿足機床床身剛度的（de）同時，盡（jìn）量減輕質量，增大加工空間（jiān）。通過配備（bèi）光柵尺、高精（jīng）度編碼器實（shí）時反饋調（diào）節，使用（yòng）雙螺母絲杆、P2 級的專用轉台軸承等措施保證葉輪加工的順利進（jìn）行。

關鍵詞: 葉輪; 五軸（zhóu）聯動; 加工中心

0 引言

五軸機床是裝備製造業（yè）的（de）重要工作（zuò）母機，高檔數控機床與基礎製造（zào）裝備被我國列為《國家中長期科學和技術發（fā）展（zhǎn）規劃綱（gāng）要( 2006—2020) 》16 個（gè）重（chóng）大（dà）專項（xiàng）之一。高速、高精度、高剛度的五軸（zhóu）聯動機（jī）床在航空航天、汽（qì）車、新能（néng）源、科研和高精醫療設備等領域有（yǒu）著極其重要的應用（yòng）。

但是，由（yóu）於五軸機床的運動環節多，其精度、剛度等指標一直製（zhì）約著五軸機（jī）床（chuáng）的（de）推廣（guǎng）應用。

本項目是針對葉輪的加工而研（yán）發設計的五軸聯（lián）動加工中（zhōng）心，並為提高其精度剛度以及運行速（sù）度等指（zhǐ）標開（kāi）展了一係列的研（yán）究工作。

1 、機床結構的總體設計

1．1 整（zhěng）體布局

五軸機床有雙擺頭（tóu）、單擺頭、單回轉台和雙回轉台等構型，本文研究的五軸加工（gōng）中心為龍門式雙回轉台結構，且主要針對葉輪的加工，將刀庫置於龍門兩立柱（zhù）之間，如圖 1 所示。該結構占用空間較小，結（jié）構緊湊，主要（yào）由電主軸、雙回轉台、機床（chuáng）箱體、刀庫等結構組成。電主軸功（gōng）率15 k W，最（zuì）高轉速 40 000 r / min，適合鋁合金的高速加工。

雙回轉台實現旋（xuán）轉軸 A、C 軸的聯動，均采用力矩電機（jī）直接驅動，減少傳動間隙。安裝在龍門立柱上方的（de）十字滑台帶動刀具箱體及刀具實現 x、y 方向的運動，同時，刀具可以（yǐ）直線上下（xià）移動，即為 z 軸，形成 3 個直線軸.

1—龍門立柱; 2—刀庫; 3—十字滑板; 4—主軸箱滑板;5—電主軸箱體; 6—雙回轉台; 7—

機床底座

圖 1 機床整體結構圖

設計時將機床的刀庫、雙回轉台等結（jié）構組件全部置於機床箱體上，機床箱體采用多筋板中空結構，在滿足機床剛度的前提下，盡量減輕質量。3 個直線軸的運動分別由3 個伺（sì）服電機通過滾珠絲杆完成，2 個回轉運動由力矩電機完成。采用自動供油方式，定時潤（rùn）滑機床（chuáng）的摩擦麵。進給機構均（jun1）有限位控製（zhì）裝置，機床工作安全可靠。

1．2 機床（chuáng）刀庫的設計

機床采用內藏式刀庫( 圖 2) ，根據加工（gōng）情況任意選擇刀（dāo）具。刀庫置（zhì）於龍門立柱之間（jiān），以減小機床的整體尺寸，節（jiē）省空間距離。在電機驅動下，刀庫本身具（jù）有旋（xuán）轉運動，將待使（shǐ）用的刀具轉（zhuǎn）送至前端，同時，因氣缸的作用，刀庫整體在置於機（jī）床底座的（de）線軌上沿 y 軸來（lái）回移動，將待換刀具移動（dòng）至主軸下方合適的位置，實現送刀的動作，且換刀速度較快，無需（xū）機械手。刀（dāo）庫為推出式，配置自動門。

圖 2 機床刀庫示意圖

機床刀庫最（zuì）多可配置 8 把刀具，鋼製刀爪，使用精密分割（gē）器做刀具分隔，換刀精度高，結構簡單，容（róng）易實現換刀動作，換刀時間 8 s，最大刀重 3 kg，滿刀時最大刀徑90 mm，臨空時最大刀徑 160 mm，最大刀長 150 mm。

1．3 旋轉運動結構的設計

機床的雙回轉台結構如圖 3 所示.

1—搖籃固定座; 2—中心軸; 3—轉台底座;4—回轉工作（zuò）台; 5—圓光柵; 6—力矩電機

圖 3 雙回轉台結構示意圖

機床的 2 個回轉運動均在工件上（shàng）實現，使刀具始終垂直於工件加工表麵，實（shí）現複雜曲麵的高精度加工，兩搖籃座之間的跨距較（jiào）大，以增大加工空間。回轉工作台使用（yòng）全力矩電機驅動，實現兩部分動作，即由繞 z 軸的回（huí）轉運動，形成 C 軸，以及繞 x 軸的擺（bǎi）動，形（xíng）成 A 軸，且沒有中（zhōng）間傳動環節，轉動精度較（jiào）高。在轉（zhuǎn）台內部，使用高（gāo）精度編碼（mǎ）器，同（tóng）時，配置 P2 級的專用轉台軸承，保證回轉（zhuǎn）精度和重複定位精度。

工作（zuò）台尺寸 210 mm，最大承重 30 kg，主軸端麵至工作台中心的最小距離 85 mm。A 軸采（cǎi）用雙驅動方式，最大速度（dù） 50m / min，最大轉（zhuǎn）矩 710 N·m，定位精度 6″，重複定位精度4″。C 軸最大速度 100 m / min，最大轉矩 251 N·m，定位精度 6″，重複定位（wèi）精度 4″。A、C 軸（zhóu）的角加速度均為 210rad / s2，軸徑向跳動均達到 0．005 mm。

1．4 機床床身結構（gòu）的設（shè）計

在龍門立柱上( 圖 4) ，十字滑台的移動為 x 軸移動，主軸箱（xiāng）滑板的前後運動為 y 軸運動，在 x 軸的線（xiàn）軌（guǐ）上，使用 3 個滑塊以承（chéng）受主軸箱( 圖（tú） 5) 和十字滑板等較大（dà）質量的部件。同時，使用雙螺母絲杆，脫片式聯軸器，保證（zhèng）結構件可以高（gāo）速運動，同時（shí）還（hái）能夠保證移動精度和速度。在設計主軸箱滑板方麵，設計多筋板以減小（xiǎo）機床在運動過程中的變（biàn）形，在滿足（zú）強度的情況下，盡量減小工件的質量，從而減小慣量，提高機（jī）床的響應速度（dù）。

圖 4 龍門立柱示（shì）意圖

圖 5 主（zhǔ）軸箱滑板示意圖

圖 6 十字滑板示（shì）意圖

本文設（shè）計的五軸加工中心（xīn），是自主研發的高速五軸加工中心，x、y、z 軸快速移動速度為（wéi） 60 m/min，為了達到較小的間（jiān）隙，設計雙螺母結構，同時為了（le）提高其剛性，使用脫片式聯軸（zhóu）器。直線軸的運動均采用交流（liú）伺服電動機，配置光柵尺（chǐ）進行實時反饋調節，保（bǎo）證較高的精度。在機床整體設計過程中，主軸箱體（tǐ）、龍（lóng）門立柱和十（shí）字滑板結構中通過使用（yòng）加強筋，有效地增加了各結構件的（de）剛度，並應用 ANSYS 有限元軟件對其進（jìn）行了受力分析，了解其受力變形狀況。

十字滑（huá）板通過線軌（guǐ）與橫梁接觸，前後分別（bié）有 3 個滑塊，立柱承受的（de）總質量約為 600 kg。當機（jī）床的主軸箱滑板運（yùn）動至 y 軸正向極限位置時，機床的主軸箱（xiāng）滑（huá）板、主軸箱和電主（zhǔ）軸等構件總質心位於龍門立柱前端，以十字滑板的支反力計算（suàn），並將主軸箱等部件的慣性力考慮在內。以龍門（mén）立柱的計（jì）算為例，受力如（rú）圖 7 所示。

圖 7 機床立柱受力圖

前麵 3 個滑塊受力: 12 519 N; 均布載荷計算:1 053 787Pa( 有限元分析輸入條件) ;前麵 3 個滑塊受力: 4 269 N; 均布載荷計算:359 343 Pa( 有限（xiàn）元分析輸入條件) 。使用（yòng） ANSYS 有限元軟件對立軸箱、龍門立柱和十字滑板進（jìn）行受力分析，受力圖及變形（xíng）圖如圖 8－圖 10 所（suǒ）示。

通過變形圖可以看出（chū），主軸箱的後端幾乎沒有（yǒu）變形，而前端和電機連接部分呈弧（hú）形向機床 y 軸正方向傾（qīng）斜（xié），最大變形（xíng）位於主軸箱上端與電機座連接部分，變形量（liàng）0．001 3mm，可以滿足使（shǐ）用要求。

機床（chuáng）的十字滑板受到主軸（zhóu）箱滑（huá）板給予的壓力以及橫梁給予的支力，使十字滑板的前端位置受剪，此處的變形也最（zuì）大（dà），變形值為 0．003 2 mm，也在允許變形範圍內，可（kě）以使用（yòng）。機床的龍門立柱變形較大位置位於橫梁中間前部位置（zhì），向下彎曲，變形量（liàng） 0．010 5mm，變（biàn）形（xíng）量較大，容易造成加工零件的直線度不符合要求，需對龍（lóng）門立柱進（jìn）行改進。

圖 8 主軸箱變形圖

圖 9 龍門立（lì）柱變形圖

圖 10 十（shí）字滑板變形（xíng）圖

改（gǎi）進方案為: 在變形較大位置沿 x 向以及底麵各增加一（yī）塊鋼板，如圖 11、圖 12 所示。

圖 11 立柱截麵圖( 改進前)

圖 12 立柱截麵圖( 改進後)

對改進後的（de）立柱進行受力分析，變形圖如圖 13 所示，應力圖如圖（tú） 14 所示。從圖 13 中可（kě）以看出最（zuì）大變形處在（zài）立柱前端中間的位置，變形量為（wéi） 0．002 41 mm，變形較小（xiǎo）在允許（xǔ）值範圍內，可以使用。

圖 13 立柱（zhù）變形圖

圖（tú） 14 立柱（zhù）應力圖

機床整機如圖 15 所示，所加工的零件如圖（tú） 16。

圖 15 機床實物（wù）圖

圖 16 已加工（gōng）葉輪圖

通過對加工過程的觀察，發現剛度（dù）較（jiào）好，直徑為50 mm的鋁合（hé）金（jīn）葉輪葉片加工時間約為 3 min，對已加工好的葉片進（jìn）行精度及（jí）表麵粗糙度檢測，葉緣加精度0．05 mm，五軸葉片和倒角表麵粗糙度Ｒa 0．8，葉片加工精度0．1 mm，中心孔與輪背垂直度 0．005 mm，形位精度很高，機床的動平衡為 0．039 g，工具係統跳動量 0．002 mm，均達到預期目（mù）標，證明本文設（shè）計的五軸（zhóu）機床能夠（gòu）滿足高精高速的質量要求。

2 、結語

為（wéi）了達到高（gāo）速高精度加工葉（yè）輪的目的，設計了（le）新型五軸（zhóu）聯動加工中心，經裝配調試達（dá）到（dào）預期的加工效果，且（qiě）加工可靠，運行平穩。

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