五轴联动数控机床的结构选型研究

□ 夏向阳

江苏新瑞重工科技有限公司 江苏常州 213166

1 研究背景

五轴联动数控机床是航空航天、模具加工、汽车制造、精密机械加工、军工等行业的关键加工设备，为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供了重要的手段，是不可或缺的战略性产业装备。研究五轴联动数控机床的设计与应用技术，是当前国内金属加工行业发展的迫切需要。其中，五轴联动数控机床整体结构选型是五轴机床整机方案设计的首要工作，是机床能否开发试制成功的关键所在，设计人员必需引起足够的重视。

2 五轴联动数控机床结构形式

五轴联动数控机床指机床具有三个直线进给轴和两个旋转进给轴，并且这五个进给轴能够同时联动进给[1-2]。如图1所示，三个直线进给轴是笛卡尔坐标系中的X、Y、Z三轴，两个旋转进给轴是A、B、C轴中的任意两个组合[3]，即AC组合、AB组合或BC组合。两个旋转进给运动是五轴联动机床的关键核心技术，可以是AC联动、AB联动或BC联动。

图1 五轴机床坐标轴

按照直线进给轴与旋转进给轴组合方式的不同，五轴联动数控机床的结构形式有很多种，其中最常见的结构形式有三种。

2.1 两个旋转进给运动集成于一个双摆铣头

机床的两个旋转进给运动集成于一个双摆铣头，这种结构的机床通常有两种细分的结构形式。

2.1.1 AC双摆铣头

两个旋转进给运动集成安装在机床直线轴Z轴滑枕的下端面上，是龙门机床上最常采用的AC双摆铣头结构，如图2所示。旋转轴C轴由对称结构的U形音叉头绕直线轴Z轴实现回转，旋转轴A轴由A轴摆头绕U形音叉头上的公共轴线实现旋转，主轴采用直驱的电主轴结构。如图3所示，笔者公司生产的一款高架桥式五轴联动龙门机床是这一结构形式机床的典型代表[4-5]。

图2 AC双摆铣头

图3 高架桥式五轴联动龙门机床

2.1.2 AB双摆铣头

两个旋转进给运动集成于AB双摆铣头，铣头安装在机床的直线轴Z轴滑枕前表面上。旋转轴A轴运动由对称结构的U形音叉头绕直线轴A轴实现回转,回转的导向通过圆弧形滚动导轨实现，主轴采用直驱的电主轴结构。如图4所示，摆五轴机床是这一结构形式机床的典型代表。

图4 摆五轴机床

2.2 两个旋转进给运动采用摇篮式双摆转台

摇篮式双摆转台有AC摇篮式双摆转台和BC摇篮式双摆转台两种类型，实际上这两种摇篮式双摆转台的机械结构是一样的，只是因为转台安装方向不同而名称不同。如果转台摇摆轴轴线平行于机床X轴安装，那么就是AC摇篮式双摆转台。如果转台摇摆轴轴线平行于机床Y轴安装，那么就是BC摇篮式双摆转台。笔者公司开发了一款拥有自主知识产权的力矩电机直驱型AC摇篮式双摆转台，目前已经成功应用于GM80-5X型桥式机床上。该AC双摆转台如图5所示，GM80-5X型桥式机床如图6所示。

2.3两个旋转进给运动分开布置

这类结构的机床，两个旋转运动分开布置，通常有两种细分的结构形式。

2.3.1 单摆铣头+第四轴立式回转工作台

图5 AC摇篮式双摆转台

图6 GM80-5X型桥式机床

旋转轴A轴通过单摆铣头形式安装在机床的直线轴Z轴端面，旋转轴C轴通过第四轴立式转台的形式安装在机床的直线进给轴Y轴部件上。如图7所示，HSC70型高速五轴联动数控机床是这一结构形式机床的典型代表[6]。

图7 HSC70型高速五轴联动数控机床

2.3.2 单摆铣头+桥板式第四轴转台

旋转轴B轴通过悬伸式单摆铣头形式安装在机床的直线轴Z轴拖板上，旋转轴A轴通过桥板式转台形式安装在机床的直线进给轴X轴拖板上。

3 五轴联动数控机床结构选型

机床的整体布局是设计工作的核心，对于五轴联动数控机床的设计研发而言，更是如此。因此，五轴联动数控机床的结构选型在整个设计过程中非常重要，是机床能否开发试制成功的关键所在。设计时必须从机床的运动组合和结构配置入手，选择最合适的旋转进给运动和直线进给运动组合方式，使机床获得最优的加工性能，为客户带来最好的实际应用体验。以下介绍五轴联动数控机床结构选型的技巧及方法。

3.1 选用双摆铣头

大型、重型五轴联动龙门数控机床，以及工件比较重的五轴联动龙门数控机床通常采用AC双摆铣头的结构形式[7]。该类机床通常采用高架桥式龙门结构，设计时优先考虑各移动部件的轻量化、各移动部件质量的均衡化，以及功能部件的模块化。由于该类机床所加工的工件质量较大，为了谋求更高的加工速度、进给轴的高加速度及高加加速度，机床一般采用工作台固定不动的高架桥式龙门结构，机床X、Y、Z、A、C五个进给轴中除X轴驱动布置在床身上外，其余四个进给轴都集中在机床的横梁以上部分。这种设计可以尽量使各进给轴驱动的负载轻量化和均衡化，从而减小各移动部件所需的驱动功率和扭矩，使机床更低碳环保，同时提高机床各个进给轴的动态响应性能和加速性能，使机床各轴的加速度和加加速度匹配性更好，提升机床的客户体验效果。

大型、重型五轴联动龙门数控机床也有采用AB双摆铣头的结构形式。这类机床加工的零件一般为狭长型带小角度凹腔的钛合金航空结构件或狭长的滑轨类零件。AB双摆铣头和AC双摆铣头相比有两大优势：①对于狭长型带小角度凹腔零件，通过A轴进给相比采用C轴进给，刀具经过的路径更短，刀具接近性能更好，切削加工效率更高；②AB双摆铣头的切削点距离回转中心更近，更易于实现高材料去除率。当然，AB双摆铣头也有自身的缺点：①A轴的圆弧形导轨制造装配难度大；②AB摆的结构复杂，价格昂贵。

该类机床设计时主要考虑特定零件的加工效率，其次是各移动部件的轻量化、各移动部件质量的均衡化。由于该类机床加工的特定类型零件一般都不是重型零件，因此该类机床设计成工作台移动式定梁龙门结构也是遵循了各移动部件轻量化、各移动部件质量均衡化的原则。

3.2 选用摇篮式双摆转台

中小型五轴机床及工件比较轻的机床一般采用摇篮式双摆转台的结构形式，该类机床设计选型时重点考虑各移动部件质量的合理分配、功能部件的模块化，以及回转中心接近切削区域。对于工作台面不大于φ600 mm的小型机床，摇篮式双摆转台一般设计成安装在参与X轴或Y轴直线运动的工作台面上。对于工作台面为φ600 mm～φ800 mm的中型机床，摇篮式双摆转台一般设计成安装在固定的机床床身上，转台不参与直线进给运动。当转台台面直径大于φ1 000 mm时，五轴机床就不再适合选用摇篮式双摆转台的结构了，因为重型摇篮式双摆转台的动态性能差，对于五轴切削效率提高是不利的。

采用摇篮式双摆转台的机床，主要加工区域集中在A轴、C轴的转轴中心附近，使刀尖点距离回转中心较近，A轴回转轴的驱动电机在同等切削力下只需要输出较小的功率和扭矩，使机床更低碳环保。采用AC摇篮式双摆转台，由于加工时A轴的回转使排屑更方便快捷，因此可以快速带走加工热量，有利于提高加工精度。采用AC摇篮式双摆转台，可使机床的模块化程度较高，机床紧凑，占地面积小。

力矩电机直驱型摇篮式双摆转台是摇篮式双摆转台的发展方向[8-9]，这种转台通常有三种类型：①A轴单力矩电机驱动带辅助支撑的结构形式，如图5所示，这类转台一般用于中型机床；②A轴单力矩电机驱动不带辅助支撑的结构形式，即悬臂式AC摇篮式双摆转台，如图8所示，这类转台A、C轴都采用力矩电机直接驱动，一般用于小型机床；③A轴双力矩电机驱动AC摇篮式双摆头结构形式，如图9所示，这类转台C轴采用力矩电机直接驱动，为了提高A轴的驱动力，A轴采用左右各一个力矩电机双驱结构，一般用于中型机床或动态响应性能要求较高的机床上。

图8 悬臂式AC摇篮式双摆转台

图9 A轴双力矩电机驱动AC摇篮式双摆转台

3.3 两个旋转进给运动分开布置

3.3.1 单摆铣头+第四轴立式回转工作台

工作台面为φ600 mm～φ800 mm的中型五轴机床，也有采用两个旋转进给运动分开布置的结构形式。该类机床一般采用单摆铣头和第四轴转台相结合的结构形式，一般情况下单摆铣头和第四轴转台都参与X轴或Y轴的直线进给运动。这类机床设计选型时重点考虑各移动部件的轻量化和各移动部件质量的合理分配，以提高机床各个进给轴的动态响应性能和加速性能，并使机床各轴的加速度和加加速度匹配性更好，提升机床的客户体验效果。这种结构形式一般应用于高速或超高速五轴机床上。

3.3.2 单摆铣头+桥板式第四轴转台

如图10所示，XKH800C型五轴联动叶片铣床是单摆铣头+桥板式第四轴转台结构形式五轴联动数控机床的典型代表，单摆铣头B轴集成在随立柱移动的Z轴拖板上，桥板式转台A轴集成在随X轴移动的滑板上，B轴、A轴分开布置，避免使某一个进给运动的部件质量太大，从而提高机床的动态响应性能和切削性能。B轴采用经典的弯脖结构，使机床的主轴向机床的Z轴正向提升，机床刀具的刀尖点更加靠近回转轴B轴的中心，使B轴回转轴的驱动电机在同等切削力下只需要输出较小的功率和扭矩，既节能环保，又可提高加工效率。

图10 XKH800C型五轴联动叶片铣床

4 结束语

根据被加工零件形状、质量、精度的不同和机床整机大小的不同，五轴联动数控机床有三至五种不同类型的结构形式。对于不同类型的结构形式，设计人员在做机床整体方案设计时，可以遵循以下设计原则开展设计工作。

（1）轻量化原则。各移动部件要轻量化，目的是提高各移动部件的加速度和加加速度，提高机床的整机动态响应性能[10-11]。

（2）均衡化原则。各移动部件质量合理分配，避免出现某一部件质量过大，影响机床整机的动态性能。

（3）模块化原则。可以对机床整机结构进行模块化处理，经过模块化处理后，机床的整机设计工作将得到简化。

（4）尽量遵循刀尖点靠近回转轴回转中心的原则，使设计的五轴机床既节能环保，又可提高加工效率。

（5）整体方案设计时要将提高加工效率和表面加工质量作为重要因素加以考虑。