五轴数控机床构型专利技术分析

邹伟彪

摘要：机床构型是五轴数控机床的机械主体，其决定着机床的规格和性能，通过机床构型的合理设置，可以使数控机床的适用范围更加广泛，加工对象更加多样化。本文通过统计近年来机床构型全球专利申请的情况，分析了该技术基本的发展趋势，并对工作台、摆头、框架等关键技术的发展路径进行了分析和梳理，同时，基于我国目前技术发展现状提出了发展建议。

关键词：无轴数控机床；机床构型；工作台；摆头；框架

机床构型是五轴数控机床的机械主体，其决定着机床的规格和性能，通过机床构型的合理设置，可以使数控机床的适用范围更加广泛，加工对象更加多样，能够有效提高加工精度、加工效率和使用寿命，使数控机床可广泛应用于金属塑性加工、激光焊接、激光切割、专机制造以及实用教学等领域。以下笔者将从关键技术等角度进行分析。

通过对机床构型的三个组成部分工作台、摆头和框架的专利信息进行技术发展路线分析，从而获取机床构型的技术发展状况，从专利申请的角度了解技术发展脉络。

关于工作台结构，按其形式可以分为以下几种类型：普通工作台、并联式工作台和枢转桥式工作台。较早出现的五轴数控机床的工作台为普通式工作台，如马赫工具研究所1972年在专利申请SU491252A1中提出的带有旋转刀具的五轴数控机床，主轴箱可围绕平行于工作台安装方式的轴线旋转，工作台仅在X轴方向带动工件实现进给运动。德国DMG于1990年在专利申请DE4012690A1中提出一种五轴机床，其工作台采用了枢转桥的形式。1999年，FRAUNHOFER GES FOERDERUNG在专利申请EP1224055B1中提出一种并联式工作台，通过三个线性组件分别与工作台铰接控制工作台的运动，只需简单的旋转轴承，减小了工作空间的摩擦。2000年株式会社三共制作所在专利文献JP2002126958A中提出了一种通过弧面凸轮形式驱动的回转工作台，通过滚子齿轮凸轮齿轮啮合实现回转工作台的高精度旋转，消除传统的蜗轮蜗杆传动的间隙实现旋转运动。哈尔滨工业大学于2005年提出了一种采用三自由度RPS机构实现工作台运动的五自由度数控铣床，其为对称结构，加工、制造、安装都极为方便，并且加工精度高，并且易编程、易控制。随后在2006年，德国DMG在DE102006034123B4中提出一种钻铣床，在滑座中提供充当桥接器的旋转驱动器的电动同步力矩电机以及用于两个滑座的移位运动的电动同步线性电机，力矩电机即使在相对较低速度的情况下也可产生高力矩和高定位精度，保证了桥式工作台的运动精度。2008年，沈阳机床提出了CN201316907Y，一种基于内转子力矩电机的直驱式双轴转台，提供一种直驱式双轴转台，结构紧凑，散热效果好，磨损小，精度高，扭矩大，受力更均匀，运行平稳。东台精机股份有限公司2014年在TW201607672中提出一种包含4组转台的工作台，每两组转台放置于一个枢转桥上与两组主轴对应，增加了加工机的加工范围，并可提高加工效率以及精确度。

关于摆头机构，1972年，马赫工具研究所在专利文献SU491252A1中提出的带有旋转刀具的数控机床，主轴箱可围绕平行于工作台安装方式的轴线旋转，工具头固定在旋转器的下端，与轴成一定角度。1985年，德国希斯公司于专利文献DE3511790A1中提出了一种可在横梁上沿水平X轴、垂直Z轴方向运动的工作头，工作头可以沿A轴进行左右摆动。1992年，沃尔特公司于专利文献DE4242906A1中提出了一种数控磨床，磨削主轴设置在刚性、无扭曲的龙门上，磨头相对床身可绕至少一根轴线是摆动。1996年，德国申请人GRINGEL M和HEISEL U在专利DE19640769 A1中提出了一种数控机床耦合结构，该结构具有较高的刚性和线性传动比。2002年，德克尔·马霍普夫龙滕有限责任公司于专利文献DE20204365U中公开了一种用于万能铣床的主轴头，它包括箱体、工作主轴和第二主轴单元，箱体旋转安装在机床部件上，工作主轴在箱体内轴向平行地安装且被直接驱动，箱体的背面上，安装有可绕两轴调整的第二主轴单元，第二主轴单元包括可旋转的叉头。2010年，沈阳机床（集团）设计研究院有限公司于专利文献CN102009219 A中公开了一种A轴自动交换式A/C轴双摆角数控万能铣头，本铣头A轴单元的U型叉体后端的外圆周上设与C轴单元的上齿盘啮合的下齿盘，U型叉体后端面圆周方向设置与C轴单元对应的液压快换接头和拉钉缸，U型叉体上端内圆周的A轴电气支架上设置与C轴单元对应的电气快换接头。2012年，弗迪亚有限公司于专利文献EP2707175 A1中公开了一种用于机床的刀具承载端头，刀具承载端头，在具有高结构刚性的同时具有最佳动态稳定性，适用于在需要高切割力、由铁类材料或非铁类材料制成的零件上进行切削加工，具有高的刀具定位精度，用于对在形状和表面光洁度两个方面都具有高尺寸精度的零件进行机加工。2013年，株式会社牧野铣床制作所在专利文献WO2015037155A1 中提出了一种机床，通过引导件的设置，相对于立柱沿着上下方向移动的方式安装并支撑主轴头，能够防止移动体或滑块变形，尤其是扭转变形。

关于框架结构，五轴数控机床的框架结构中龙门结构是应用最为广泛、形式最为多样且调节最为灵活的设置方式，主要有传统的固定式、动梁式、动柱式以及天车式，并且机床框架是与摆头结构相结合并承载摆头结构的机床构件，随着摆头结构的演进其会相应出现结构上的变形和适应性的调整。1996年，美國专利文献US5854460A公开了一种直线电动机驱动的激光切割设备，其框架采用天车形式，承载激光加工头的横梁通过滑轨在直线电动机驱动下能够前后移动进而改变加工头的位置。2006年，日本山崎马扎克公司于专利文献JP2006035360A中公开了一种五轴加工设备，该加工设备的框架设置为动梁式，通过横梁的纵向移动调整加工头在Z轴方向的位置。2001年，中国台湾申请人财团法人工业技术研究院于专利文献CN2500427Y中公开了一种龙门型并联式五轴工具机，该工具机框架设置为天车形式并搭载并联结构的主轴头。2007年，东宝工程公司于专利文献JP2007210096 A中公开了一种五轴加工设备，该设备的框架结构设置成动柱式，通过立柱与底座的相对滑动实现加工头位置的调节。

总体来说，我国关于五轴数控机床构型的专利申请要晚于欧美工业发达国家，在摆头结构方面，中国申请总体集中于传动间隙消除的结构改进，而发达国家申请人目前的研究方向倾向于振动抑制，我国申请人在该方面应注重关注德玛吉森精机以及山崎马扎克的相关专利申请和相关研究人员的研究成果；在框架结构方面技术已经较为成熟；在工作台结构方面，中国申请总体集中在机械传动中的蜗轮蜗杆/齿轮传动和电机直驱方面的改进，而发达国家申请在精度更高的机械传动弧面凸轮上研究也比较多，而我国在这方面研究起步较晚，我国申请人也主要集中在高校，我国应加大这方面的研究和突破，优先进行专利申请和布局，并进一步加强产学结合，将其投入产业应用。