微小型五轴数控机床的研制*

石梓皓，孔桂珍，刘会英，孙有琛，王延深

(1. 哈尔滨工业大学(威海)机械工程系，山东 威海 264209；2. 北京实验工厂有限公司，北京 100038)

0 引言

五轴机床相对于普通的三轴机床可以用于复杂结构件的加工，且可以避免重复装夹。工业中的五轴机床为了保证机床本体的刚度和稳定性以及较大的工作空间，机床的床身以及传动结构一般尺寸较大，不仅能耗大而且制造成本十分高昂。而采用微小型机床加工小而精密的零件，不仅结构紧凑，灵活性好，而且大大减少了生产和制造成本，是目前微细切削加工领域中的一个发展趋势。

2001年，日本Okazaki Y[1-2]等最先开始研制了一台桌面级的小型数控铣床，机床本体尺寸为450 mm×300 mm×380 mm，采用了200 000 r/min的高速主轴和全闭环进给轴，实现了三维零件和薄壁件的加工。美国[3-4]、德国[5]等研究机构也陆续开展了机床微小型化的相关研究，实现了高速加工微小工件。

2005年，孙雅洲等[6]成功研制了国内第一台小型卧式三轴数控微切削机床，总体尺寸为300 mm×300 mm×290 mm，主轴转速可达140 000 rpm，进行了加工实验，证明该微型铣床可用于微细切削加工技术的研究。2010年，张鹏等[7]研制出小型超精密微细铣削机床，采用了永磁直线电机直接驱动气体静压导轨，实际加工获得了良好的铣削表面质量。Shi J等[8]研制出了一台小型三轴微铣削机床，机床进给系统由超精密直线电机驱动，并利用机床完成了对深宽比为10的薄壁件加工。此外，李红涛等[9]、刘鹏等[10]陆续开展了相关领域的研究工作，并取得了一定的研究成果。

综上分析，国内外一些机构开展了微小型机床的研究工作，但前人所研制出的微小型机床基本为三轴机床，加工功能有一定局限性，对于具有加工复杂零件能力的微小型五轴机床以及机床变形控制研究目前还不太成熟。本文自主研制了一台微小型五轴数控机床，一方面对五轴机床小型化和紧凑化技术进行研究，对机床整体结构进行了分析和优化，在保证精度的前提下尽可能地减小机床的体积，实现机床的小型化、紧凑化；另一方面以此为实验平台进行机床误差补偿技术的研究，以获得提高机床精度的补偿方法，对于国内外微小型精密数控机床的发展具有一定推动作用。

1 机床总体结构

1.1 机床结构与布局

常见的五轴机床的运动形式为3个移动轴和2个旋转轴，根据五轴机床各移动轴和旋转轴布局形式，可以将其分为三大类：五轴双摆头机床、五轴单摆头单转台机床、五轴双转台机床。综合考虑3种五轴机床的结构特点，本文选择了卧式双转台结构，机床传动结构简单且主轴刚性好，避免摆头机床的复杂结构，易于保证机床精度，机床整体结构示意图如图1所示。

图1 机床结构示意图

机床的卧式布局也让机床整体结构更为紧凑，有较高的空间利用率，无需像立式机床那样搭建龙门式结构，使得机床体积更加精巧，占地空间小。既能实现目标的零件加工尺寸，又可以减少机床本体所占用的空间体积。机床床身和主要支撑结构为花岗岩材料，其他连接件为铝合金材料。机床电主轴通过支架和转接板安装在Z轴直线电机上。X轴直线电机固定于花岗岩床身上，承接Z轴直线电机滑台，从而实现了主轴在X、Z方向上的两个移动自由度。

Y轴滑台固定于床身的立柱上并装有光栅尺，通过伺服电机驱动丝杠旋转来实现Y轴的上下移动，同时Y轴伺服电机内部配有制动器，可以起到断电制动保护的作用。A、B轴直驱马达与Y轴滑台连接，加工时工件由夹具固定在B轴上，实现了工件在Y方向的移动自由度和两个旋转自由度。

1.2 机床受力分析与优化设计

机床A-B轴转接板不仅承受B轴自身的重力，而且在实际加工时会受到切削力和振动等因素的影响，是机床的主要薄弱环节，接下来针对A-B轴转接板进行受力分析。在机床自重以及施加额外载荷100 N的作用下，A-B轴转接板在竖直方向的变形仿真如图2所示。

图2 A-B轴转接板变形图

该转接板受力时为悬臂梁结构，再加上底板上的安装孔等因素的影响，使得机床B轴轴心处的变形量达到69.323 μm。

为了减小变形量，提高机床的刚度和稳定性，对A-B轴转接板进行了改进和优化。针对悬臂梁的受力特点和应力分布情况，在转接板底部添加了支撑肋板结构，优化后的结构和受力变形效果如图3所示。

图3 转接板优化后变形图

优化后的转接板B轴轴心处的变形量减少为2.680 μm，机床的受力变形得到了明显的改善，此处得到的机床变形量也为将来机床误差补偿值的设定提供了依据。

1.3 机床模态分析

为了分析机床的动态性能和固有频率，在加载重力作用下对机床进行模态分析，得到前4阶振型频率，机床的前4阶固有频率如表1所示，机床前4阶振型如图4所示。

表1 机床固有频率表

由模态分析结果可以看出，前3阶模态中主要是A-B轴转接板绕Z轴方向的摆动，4阶模态中主要是A-B轴转接板绕X轴方向的侧向翻转。

根据以上分析结果可知，机床A轴与B轴联接处是机床最主要的弱刚度环节，仿真结果为机床控制优化和误差补偿算法的实施提供了依据和方向，具有一定的参考价值。一味地加强机床结构虽然可以改善机床精度，但也会使机床笨重，违背小型机床“轻量化”的准则。因此，后期可根据仿真结果及弱刚度变形规律，通过误差补偿技术来间接提高机床精度。

(a) 1阶振型

(b) 2阶振型

(c) 3阶振型

(d) 4阶振型图4 机床各阶振型图

2 机床样机搭建与加工实验

图5 五轴微机 床样机实物图

2.1 机床样机搭建

对机床各结构件进行选材和定制加工，并搭建了机床样机。机床整体尺寸为580 mm×450 mm×570 mm，机床样机实物如图5所示。

机床床身和主要支撑结构为花岗岩材料，具有良好的刚度和吸振性，相对于铸铁材料没有应力释放现象，稳定性较好。其他连接件为铝合金材料加工而成，并进行了表面氧化处理。3个移动轴采用直线电机和丝杠传动的方式，两个旋转轴采用力矩大、转速低的直驱马达。

2.2 机床加工仿真与实验

五轴机床加工相对于普通机床走刀路径较为复杂，在加工实验前需要先在模拟环境中进行刀路仿真和模拟加工。在UG环境中建立样件模型，然后选择外围毛坯件，确定加工类型、安全平面、干涉检测等，生成刀轨后根据实际情况进行修正和优化走刀。

合理规划加工路径和退刀安全距离之后，便可进行实际加工实验，机床加工轨迹仿真和加工实验如图6、图7所示。

图6 加工轨迹仿真图7 机床加工实验

机床加工实验中刀具为刀头直径1 mm的三刃铣刀，加工实验毛坯材料为直径20 mm铝合金棒料。加工过程中刀具按照预期设定的刀轨路径进行走刀，加工过程材料去除均匀，切削平稳；加工完成的样件与理论模型一致，验证了机床仿真中刀具路径规划的正确性。

3 结论

本文研制了一台微小型五轴数控机床，以吸振性良好的花岗岩材料为机床床身，各轴采用了直线电机、直驱马达、丝杠滑台驱动方式。对机床模型进行了受力变形分析，对薄弱环节进行了优化设计，对比变形前后机床的变形量，证明优化后的结构变形得到了明显的改善。对机床进行了模态仿真，仿真表明机床各阶振型中主要变形为A轴、B轴联接处的弱刚度变形，仿真结果为机床控制优化和误差补偿的实施提供了参考和依据。最后，进行了机床的刀路规划和加工实验，实验结果表明机床具有较好的加工能力，且加工刀路与仿真轨迹具有很高的一致性。