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五軸聯動數控工（gōng）具磨床工（gōng）作台運動方案與（yǔ）結構設計探究

2018-8-9 來源：北平機床有限公司作（zuò）者：陳寶華

摘要：刀具特別是硬質合金刀具，是複雜的三維空間多角度（dù）的加工工具。高精度刀具的（de）加工成（chéng）型的關（guān）鍵（jiàn）設備之一就是數控工具磨床。為了優化刀具加工質量及過程的各種合理性因素，主要是對五軸聯動數控工具磨床進行研究分析。在研究過程中，在充（chōng）分考慮刀具磨（mó）削加工技術的要點和要求的基礎上，對常見的五軸聯動數控工具磨床的係（xì）統布局進行（háng）分析，並且通過對（duì）不同的（de）工作台的布置形式進行比（bǐ）較，對（duì）原本的數控工具磨床的工作台結構進行改進設計，能夠完成對各工作台零件的部件結構優化設計。

關（guān）鍵詞：數控機床（chuáng）；工具磨床；機床工作台；五軸聯動數控

1 、五軸聯動數控（kòng）工具磨床的工作台運（yùn）動（dòng）方案分析

由於刀具的（de）複雜性，在（zài）刀（dāo）具生產過程中，數控工具磨床的砂輪和工件之間的相對位置是隨時變化的。常見的數控工具磨床（chuáng）的砂輪與工作台的布局有以下兩種：

①砂輪平動、工件轉（zhuǎn）動；②砂（shā）輪轉動、工件平動。根據數控工具（jù）磨床的發展曆史，依據磨床的結構和加工特性（xìng），常見的工作台（tái）結構方案有以下幾種：

1.1 搖臂式萬能工具（jù）磨床工作台結構

這種結（jié）構是傳統的工作台機構，結構型式比較（jiào）複雜，磨頭能（néng）進行水平和垂直擺動，這（zhè）種結構型式（shì）的磨頭轉動主要是（shì）利用兩個齒輪傳動（dòng）鏈進行加（jiā）工的。將工（gōng）件直接安裝（zhuāng）在回轉工作台上就能夠完成大角度擺動，從而滿足工具磨床的多種加工要求。這種結構型式不僅結（jié）構龐大（dà）複雜，傳動係（xì）統（tǒng）存在間（jiān）隙，精準度較低，不能滿足高精度刀（dāo）具的加工要求。

1.2 立式工（gōng）作台結構方案

這種工作台結構型（xíng）式采用（yòng）的同樣是工（gōng）作台回轉，但（dàn）不同的是立式工作台結構中的工件回（huí）轉的支撐台是外置的，這樣可以方便後期對工件回轉台進行維護和檢修，也為安裝過程提供了很大便利。立式工作台結構方案如圖 1 所示。立式工作台結構型式中 X 軸的主要作用是對砂輪（lún）進行定位，工件軸不僅能夠（gòu）繞（rào）著自己的軸（zhóu）線進行回（huí）轉運動，還可以做直線運動。更重要（yào）的是可以幫助工（gōng）件支（zhī）撐台作回轉（zhuǎn）運動，防止磨頭擺動，能夠有效（xiào）保證（zhèng）主軸的剛性。而這種結構型式的磨頭一般安裝在 Z 軸導軌（guǐ）上。這種結構方案的最（zuì）大優點就是結（jié）構相對簡單，缺點（diǎn）是在進（jìn）行大進給深磨削（xuē）的過程中，因（yīn）為磨削力過大會在一定程度上影響磨削精度。

1.3 砂輪平動、工件轉動的工作台（tái）結構（gòu）方案

砂輪平動、工件轉動的工（gōng）具磨床工作台的結構型式，也是采（cǎi）用的是工作台回轉的型式，不同的（de）是工件回轉（zhuǎn）的支撐台是（shì）內置式，即增加工作支撐跨（kuà）度，工作台隻負責回轉，工作台移動由下部單獨數控軸完成，極大地增加了工（gōng）作台（tái）的剛性。砂輪平動（dòng）、工件轉動的（de）結構（gòu）方案的操作過程比較簡單，但這種工作台的回轉結構，由於工作台較短，隻適（shì）用於磨削不能太長的工件，並（bìng）且（qiě）這種結構增大了機床（chuáng）外罩（zhào）的空間，使工件與操作員的距離增大，不利於操作者操（cāo）作及觀察，為了消除這種缺點，該類機床外罩通常是回轉式，典型（xíng）應用的五（wǔ）軸數控工具磨床是德國 WALTEI。

1.4 砂輪轉動、工件平動的工作台結構方案

砂輪平動（dòng）、工件轉動的工具磨床工作台的結構型式，工（gōng）作台（tái）隻作直線移動，工作台具有極高的剛性，工作台（tái）長度可以較長，這對於加工長工件極為有利，特別是針對長度（dù）長達 1m 以（yǐ）上的深孔（kǒng）鑽時，隻能用該類型磨床加工。這種型式的機床，操（cāo）作者的操（cāo）作視野距與磨削（xuē）點的距離較近，便於隨時觀察與調整。但該類機床砂輪的回轉機（jī）構，降（jiàng）低了砂輪的磨削剛性，需增加（jiā）刹車機（jī）構來提高（gāo）磨削（xuē）剛性。典型應用的五軸數控工具（jù）磨床是澳大利亞 ANCA，德國SCHUTTE、SAACKE 等。

2、數控工具磨（mó）床工作（zuò）台的設計方案

2.1 工（gōng）作台進給係統設計

工作台進給係統運行的精度和靈敏度會對工件的尺寸精度和輪廓（kuò）精度產生（shēng）一（yī）些影響，因（yīn）此，在刀具磨削加工過程中要（yào）特別注意對工作台進給係統的設計。一般來說，數控機床的進給係統要滿足（zú）以（yǐ）下要求：穩定的係（xì）統、較高（gāo）的動精度、較小的摩擦阻力以及較小的運動部件慣量等。而（ér）對傳動元件則有（yǒu）以下要求：必須保證傳動（dòng）間隙在一定範圍內，確保傳動元件的高靈敏度和（hé）低摩擦阻力，同（tóng）時還要保證（zhèng）傳動元件較大的剛度。在（zài）對工作台的進給係統進行設（shè）計時，可以使用獨立的伺服電機作為直接（jiē）驅動絲杠螺母的傳動方式，這樣可以將進給係統的旋轉運動變成直線運動。同時，借助數控係統能夠對各個軸之（zhī）間的工作進行（háng）協調（diào）聯動，節省皮帶以及齒輪傳（chuán）動的成本，並且能夠最大程度地減少傳（chuán）動過程中的誤差，大大提高了傳（chuán）動的精準（zhǔn）度。除此（cǐ）之外，在設計過程中還要保證數控機床導軌的摩擦阻力在（zài）一定範圍內，要盡量控製在較（jiào）小範圍內，還（hái）有具有較強的耐磨性（xìng），延長機（jī）床導（dǎo）軌的使用壽命（mìng）。通常情況下，可以采用滾動式導軌進行設計。

近年，直線電機作為一種新型的進給係統，高精度，高響應，無傳動係統磨損，將使磨床的使用壽命及精度得到了極大的提升，對於加（jiā）工高（gāo）精度高附加值刀具尤為明顯（xiǎn），有極為（wéi）廣闊的前景。

2.2 工作台元件的結構（gòu）設（shè）計

五軸聯動數控工具磨（mó）床的主要功能是集粗加工和精加（jiā）工於一體的加（jiā）工係統，在數控工具磨床運行過程中對三坐標工作台的要求較（jiào）高，不僅（jǐn）要能夠（gòu）承受粗加工時的大吃（chī）刀與大走刀的巨大（dà）削切力，還要能夠滿足精加工中的高精準度需求。所以，在對工作台的元件進行設計時，一定要保證元（yuán）件的強度、剛度（dù）和抗振性，與此同時，還要控製熱變形和內應力符合相關的要求標準。在製作數控工具磨床的（de）工作台（tái）機體元件時，最關鍵（jiàn）的一步是選擇元（yuán）件材料，一般（bān）來說，最常用的（de）是強度較高的優質灰鑄鐵，鑄（zhù）件的表（biǎo）麵是半封閉式的，還要對內部的隔（gé）板和（hé）肋條進行合理布置，同時要加寬（kuān）機床的導軌麵，保證整體的穩定性和剛度。

近年來，大理石作為（wéi）新型（xíng）材質得到了極大普及。大理石形態極為穩定，極耐磨損、耐（nài）酸、耐堿，有很（hěn）高的耐（nài）熱及耐腐蝕性，精度保持性佳，永遠不會生鏽，將作為工作台作為今後（hòu）發展的方向（xiàng）。

3 、結語

綜上（shàng）所述，在充（chōng）分考慮五軸聯動數控（kòng）工具磨床的特點的基礎上，對（duì）磨床工作台（tái）的運動方案進行改進（jìn）設計，並且（qiě）在對磨床的相關零件進行具體全麵的了解（jiě）後，對設計結（jié）構的合理性有重要保證，同時也為數控工具磨床（chuáng）的結構設計提供了一定的參考（kǎo），對數控機床的發展有一定的促進意義.

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