五轴激光切割机床结构设计研究

陈旻鹏 陆荣鑑 张建红 缑斌丽 张攀

摘 要：在“智能制造”兴起的大浪潮下，如何实现制造业创新发展，五轴机床等高精度机床的研制成为一大难题。本文结合现有的五轴激光切割机床，拟定该机床结构设计的方案，设计了适应实验环境的机床床身和机床摆头，为机床系统的开发提供有力的机械基础。

关键词：五轴;激光切割;结构设计

“智能制造”的提出，使中国制造行业发生了新一轮的变革与创新，制造业发展方向正在从产业范式向创新发展转变，五轴激光加工技术的发展则是目前中国制造行业创新的重要组成部分。[1，2，3]而智能制造一体化系统的形成需要机械结构的支撑，因此五轴激光切割机床结构设计研究就显得尤为重要。

1 整体结构的选型

五轴激光切割机床主要适用于航空航天、汽车制造、工程机械、模具、健身器材等领域的碳钢、不锈钢、钛合金、铝合金等材料的三维精密柔性加工。[4]目前采用五轴激光切割机床进行木雕加工也是比较常见的。[5，6]

从整体结构设计上来讲，我们应当首先考虑的问题是如何搭建一个适合实验室环境的五轴激光切割机床。第一种方案是采用双回转型的五轴激光切割机床，因为双回转型的刚性较好，而且这样的结构在市面上较为常见，国内学者对其研究也比较多，因此这样的结构对日后的控制软件的编写有一定的帮助;但是双回转型的五轴激光切割机床所需要的加工精度要求较高，并且激光所需的加工周期时间比较长，又因为它所能加工工件的种类相对少，所以我们又采取了第二种方案。

第二种方案是采用A、C轴型的五轴激光切割机床，这种结构由A、C旋转轴和X、Y、Z三个移动轴组成，初步设计的机床三维加工幅面3500×1500×1000mm3。与传统的五轴机床结构的不同点在于它的两个旋转轴并不是正交的，而是在一个倾斜的平面上，两者之间存在角度。这种设计可以提供很高的机械刚性，结构紧凑。此外，由于五轴数控激光切割机床在工作时的切削力并不是很大，因此也符合力学要求。该设计还能够增强机床的灵活性，使机床在工作的时候更加方便，机床的柔韧性也就更高。我们最终选择了第二种方案。

五轴激光切割机床由机床床身部分和机床摆头部分组成。机床床身部分保持静止，五轴分别为X轴、Y轴、Z轴、A轴和C轴。其中X轴、Y轴和Z轴是沿X、Y、Z三个方向在导轨上进行直线运动的移动轴，而A轴是绕着X轴转动的旋转轴，C轴是绕着Z轴转动的旋转轴。A轴可以绕着X轴旋转-125°～125°，C轴可以绕着Z轴旋转-270°～270°。移动轴和旋转轴的定位精度可以分别达到±0.05mm和±0.015mm。X轴行程、Y轴行程和Z轴行程分别为4000mm、2000mm和1000mm。

2 机床床身的结构设计

机床床身的结构设计比较简单，框架采用悬臂梁的结构，X轴方向上曲柄滑块机构并且沿着悬臂梁上的导轨方向移动。Y轴方向也是采用曲柄滑块机构，我们在X轴方向上的两个悬臂梁之间设计一个横梁，该横梁可以带着下方的机床摆头部分沿着X轴方向上的导轨进行直线移动，并且该横梁上设置有导轨，下方的机床摆头部分可以沿着Y轴的导轨移动。而在Z轴方向上，我们采用的依然是曲柄滑块机构，在之前所设计的横梁上设计一个Z轴上方向上的导轨，与Y轴横梁相垂直，下方的机床摆头部分可以沿着这个Z轴导轨移动。三个方向上的电机都是选用德国毕孚（BECKHOFF）公司提供的专用型伺服电机进行驱动，因为后期的控制系统是基于德国毕孚公司的CNC平台编写，所以采用他们提供的伺服电机控制起来兼容性更好，采用伺服电机驱动可实现X、Y、Z轴沿导轨移动的精确调节。[7，8]

在工艺方面，X、Y、Z三个方向上的外围横梁采用铝合金材料，并且选择铸造的方式，经过退火消除内应力后进行再粗加工，接着经过二次振动时效处理后进行精加工，保证床身框架的刚度要求。而五轴激光切割机床床身采用整体焊接的结构，从而使其相互间的连接性更好。同时，焊接还可以将不同的形状、尺寸甚至是不同的材料连接起来，从而可以达到降低产品重量、节约产品材料、产品资源优化等目的。所焊接出的结构刚度大，产品的整体性好，同时又能够保证焊点的气密性和水密性，所以比较适合制造拥有高强度、大刚度的结构。

3 机床摆头的结构设计

机床摆头由两个转矩马达、两个反射镜和反射镜座、防撞装置、调高机构和切割头组成。其中，两个转矩马达控制的是A、C两个轴的旋转，它们中间是空心的，提供激光束的导路，这便于激光器的冷却水管、气管和接线管的走线;两个反射镜保证了激光传输到切割头上。

反射镜座可以调节反射镜的镜面反射角度，保证了激光导路的正常输出;防撞装置可以有效保证整个激光切割头的寿命，当检测到撞刀问题时，激光切割头就可以自动脱落;而调高机构是为了实现激光切割头与工件之间的距离保持一致。

旋转轴的两个控制电机都是选用台湾上银公司的TMY旋转平台系列，TMY旋转平台整合高解析度绝对式解角器，具备高动态反应、高扭力输出以及高精度定位的能力，可应用于需精准定位的工业需求。其还具备外转式平台，并且整合高解析度解角器，解析度可达920000 p/rev，并使用绝对式解角器，不需进行原点复归的步骤，高动态、高扭力以及高精度扭力瞬间最高可达12～300Nm，满足各种应用需求，适应特殊环境。

4 结语

本文在现有的五轴激光切割机床的设计研究基础上，进行了设计方案的拟定和机床结构的改进，包括机床的床身结构设计和机床摆头结构的设计，并且简单分析了机床五根轴驱动电机的选择，为以后五轴激光切割机床数控系统的编写提供了机械基础，并且已经申请了相关专利。

参考文献：

[1] 宋殷志，张源鑫，关长岳.论机械自动化技术应用与发展前景[J].艺术科技，2016，29（06）：72.

[2] 覃才友，黄娟，李小汝.新型五轴龙门式混联机床的运动學分析[J].制造技术与机床，2019（03）：54-59.

[3] 杨叶，郁舒兰.家具制造企业实施PLM的必要性及策略分析[J].家具，2017，38（01）：1-4.

[4] 赖啸.五轴机床的运动学与奇异位置研究[J].机械强度，2018，40（05）：1253-1257.

[5] 韩帅.面向木工雕刻的五轴联动数控机床研发[D].华东理工大学，2015.

[6] 蔚建元.浅析古典家具雕刻技术[J].艺术科技，2016，29（10）：158.

[7] 周海燕，陈旻鹏，徐兆军，郑梅生.三螺杆泵寿命试验台测控系统设计[J].测控技术，2018，37（12）：12-16.

[8] 翟菲菲，刘英，杨雨图，房友盼，於亚斌.基于PLC与组态王的实木板材双面检测装置的总体设计[J].林产工业，2016，43（09）：41-45.

作者简介：陈旻鹏（1994—），男，硕士研究生，主要从事机电一体化研究。

通讯作者：陆荣鑑（1964—），男，硕士，讲师，主要从事机电一体化研究。