基于Solidworks小型五轴数控雕铣机研制

侯柏林

小型五轴数控雕铣机经典设计方法的周期长、成本高，因此应用先进设计方案解决以上问题显得尤为重要。本文首先探讨小型五轴数控雕刻机总体快速设计方案，涉及控制系统、硬件结构以及主要关键部件设计等;其次研究应用先进五轴线性插补算法;最后通过Solidworks等软件进行仿真设计，并通过零件的加工实现设备设计的可行性验证。

五轴雕铣;线性插补算法;摆动机构;转台;驱动机构

产品个性化、多样化的定制生产已成为先进装备制造企业的核心竞争力。

文献[1]针对小型零件如珠宝等特殊行业产品多样性、曲面形状复杂性、单一性的要求，提出小型雕铣机的总体设计方案、布局方案、关键部件设计方案，。文献[2]对通过对雕刻机控制系统工作原理及功能需求进行分析，对运动控制器动态链接库的控制系统软件开发具有一定借鉴意义。

研制一种设计周期较短、成本较低、加工精度较高、多用途等功能的小型五轴数控雕铣机床成为机床生产商的热门方向。笔者前期设计三坐标数控钻床并投入实际生产，在快速设计、关键部件运动有限元分析、模拟仿真、线性插补的算法、加工精度及加工误差、装配误差等方面进行研究和改善，本文是基于前期研发三坐标数控钻床的研发基础，应用有限元分析、力学分析、基于Solidworks仿真技术等方法，对主要部件进行创新性设计和论证。

基于Solidworks等软件实现对其整体结构进行快速设计和控制系统的接口电路（IO接口）、伺服驱动电路、外设电路 等结构设计，并进行优化设计。

控制系统利用“独立PC+智能控制卡”结构，通过CNC的一系列的直线或圆弧插补运算，并通过串口输入至CNC控制单元，然后驱动五个方向（轴）伺服电机运动，完成工件加工。研发过程：绘制机床总体结构图，根据零件图设计零件制造工艺，零件加工完成后，进行装配、调试、总装;检验、优化提高与小批量试产。

电主轴是小型数控雕铣机主要驱动部件、关键部件之一。根据铣刀直径、工作台进给速度和主轴线速度来确定主轴的转速、额定功率和转矩。

小型数控雕铣机拟选用硬质合金铣刀，其最大直径为10 mm、最小直径为0.30 mm。

依据以上计算结果及实际需求，选用电主轴型号100XDS24，其主要技术参数如表1所示。

滚珠丝杠是数控机床进给传动系统的重要部件之一。

其中：转速=200 r/min;使用寿命=16 000 ，代入（9）得L=64;将P=136.5 N，=64代入（7）式得=573.3 N，依据最大动载荷值和导程P选择型号SFS1205滚珠丝杠。

伺服电机是数控设备关键部件之一，机械功率是伺服电机重要参数指标之一，同时考虑伺服电机负载力矩的折算和加减速力矩的计算、转速和编码器分辨率、负载惯量计算，惯量的匹配等因素。根据本设备工作要求选定伺服电机ST系列交流伺服电机130ST-M07730，其具体参数如表2、3所示。

本设计见图1，采用刚性好的移动式龙门结构，其优势是工作行程以及经济成本性较好。

关键部件设计包括X/Y/Z/A/C轴五轴驱动机构、导轨、底座、定梁、横梁、及移动机构、工作平台、转盘等，图2为小型数控雕铣机总体结构。

其工作原理：零件加工時，电主轴带动刀具做旋转运动，加上刀具在主轴电机的驱动下做旋转运动，并通过X轴驱动机构、Y轴驱动机构、Z轴驱动机构、A轴驱动机构、C轴等驱动机构，完成刀具相对于工件的复杂曲线运动从而完成对工件轮廓的加工。

定梁、横梁的刚性和稳定性要求较高，采用图2所示的优化结构设计，其特征在于两平行设置的定梁、与定梁相连的横梁结构及形式。横梁、定梁结构设计经过有限元受力分析，表明该结构具有装配简单、实用、稳定性好等优点，此外采用铸造开模小批量生产，成本较低。

本底座设计结构简单、便于装配、稳定性好，采用铸造开模批量生产，吸振性好，成本较低。其具体结构形式：Y轴螺杆与底座固定，Y轴螺杆的一端与Y轴步进电机的输出轴相连接，Y轴螺杆与Y轴螺母相啮合，Y轴螺母与工作平台固定，Y轴步进电机马达座与底座固定，实现动力输出。

驱动机构传动误差和精度符合国际标准部件。各驱动机构设计如图3所示，结构设计原理：由主轴、步进电机、丝杆螺母机构的驱动X轴移动部件及主轴刀具运动，实现刀具相对工件的X轴方向进给;Y、Z轴部件分别实现刀具相对于工件的Y轴、Z轴方向进给，A轴由电机带动一对50：1的蜗轮蜗杆带动工作台绕X轴的摆动，摆动机构通过工作平台安装在底座。

图4所示为转台机构设计图，其功能是利用伺服电机2带动转台1装夹工件并完成A轴摆动和C轴的支撑作用。摆动机构、工作平台、底座相联接，涡轮箱3装配于工作平台4，涡轮箱有蜗轮蜗杆联接，C轴电机带动并实现绕Z轴旋转。

小型数控雕铣机采用PC机的串口与电气控制接口联接方式，实现五轴数控雕铣加工机床的主运动以及X、Y、Z、A、C五个方向的运动。

本机床的接口电路設计是雕铣机的中枢神经系统，基于外部输入信号与步进电机控制以及机床辅助功能动作相一致，经过样机现场测试，工作可靠性好，性能达到预期效果。

五轴联动一般是指X、Y、Z、A、B、C中任意五个独立坐标轴的线性插补运动，本设计雕铣机是以X、Y、Z、A、C轴的五轴为研究对象，图5为五轴联动设计图，其中X，Y，Z为移动轴，A，C分别为绕X和Z的转动轴。

本设备涉及数控线性插补，采用时间分割法插补，基于其先进性、简便性、适应性的特点，其核心是依据进给速度和插补周期推算出在一个插补周期的各轴进给增量，进而插补点计算，各轴进给增量的计算公式为：

设五轴线性插补始点为 （X、Y、Z、A、C）终点为P（X、Y、Z、A、C），进给率为，插补周期为T。鉴于线性插补和角度插补的系数区别，五轴的合成插补位移不是三维空间的轨迹位移，而是虚拟拟合三维位移。因此插补位移数值推算利用长度和角度之间的关联系数与角度关系推导计算。

研制过程中，为验证设备运动可靠性、可行性等指标，基于Solidworks软件完成建模、运动分析环境、系统参数、结构干涉、虚拟设备运动及有限元等进行实验仿真，通过对粗、精加工工序的仿真，解决了机床各运动部件的干涉问题，大大提高了数控编程的效率，提高雕铣机加工仿真精度。

本设备采用的数控控制软件系统为Mach3 CNC控制软件，Mach3 CNC控制软件是由美国ArtSoft公司开发的由Windows为平台的数控软件，，具有开放性、性能稳定、价格低廉等特点。其次，设备总装后进行实际产品的小批量试产、检验、优化提高等一系列过程，其产品经过客户检测质量合格，图6为样机研制原型机，设备整体运行水平达到同类设备的先进行列。

本设计具有结构简单、体积小、装卸和维护方便，成本低廉、实用性强、安全系数高等优点，主要创新点：（1）在主轴设计上采用具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点的电主轴结构，以实现转速高、功率大等功能。（2）采用刚性较好的移动式龙门结构，有利于提高设备动作的稳定性、减振性及加工精度等。主要部件优化、创新设计，通过产品加工检验后，其加工的精度及稳定性好。另外通过采用叠加组合式模式进行机械部件的装配，如装配部分零件进行磨削等调试、检测相关误差和精度，减少装配误差。（3）数控插补原理及计算方法的应用。

实践表明，该设备方案的应用能降低设计时间、提高性价比，为客户提升产品质量、改进生产率、控制产品成本提供了有效手段。通过多方面的创新及实际生产应用，证明其在小型零件加工中具有重要实用价值。

[1]陈秋亮.新型五轴联动数控机床关键部件的结构设计与优化[D].扬州：扬州大学，2013.

[2]罗奇亮.数控雕刻机控制系统研究及实现[D].西安：西安工业大学，2010.

[3]徐铭，徐莉萍，张正义.基于PC的教学型数控雕刻机实验系统开发[J].机床与液压，2009（1）：151-153.

[4]孙智杰，高玉龙，腾一宁.微型三坐标数控铣床的设计[J].山东理工大学学报（自然科学版），2008（11）：72-74.

[5]王党利，宁生科，马保吉.基于MACH数控软件的三维雕刻机结构设计与实现[J].机械与电子，2010（8）：27-30.

The classic design method of small five-axis CNC engraving and milling machine has long cycle and high cost. This paper first discusses the overall rapid design scheme of small five-axis CNC engraving machine， which involves the design of control system， hardware structure and main key components. Secondly， the advanced five-axis interpolation algorithm is studied and applied. Finally， the simulation design is carried out through Solidworks and other software， and the feasibility of equipment design is verified through the processing of parts.

five axis carved milling;  interpolation algorithm; tilting mechanism; turntable; driving mechanism