五轴联动数控加工中心的结构

1 五轴联动数控加工中心的结构

五轴联动加工中心大多是3+2的结构,即ｘ,ｙ,ｚ三个直线运动轴加上分别围绕ｘ,ｙ,ｚ轴旋转的ａ,ｂ,ｃ三个旋转轴中的两个旋转轴组成。这样,从大的方面分类,就有ｘ,ｙ,ｚ,ａ,ｂ;ｘ,ｙ,ｚ,ａ,ｃ;ｘ,ｙ,ｚ,ｂ,ｃ三种形式;由二个旋转轴的组合形式来分,大体上有双转台式、转台加上摆头式和双摆头式三种形式。这三种结构形式由于物理上的原因,分别决定了机床的规格大小和加工对象的范围。其中,双转台结构的五轴联动机床由于在加工工件时工件需要在两个旋转方向运动,所以只适合加工小型零件,如小型整体涡轮、叶轮、小型精密模具等,由于结构最为简单,所以相对价格较为低廉,就应用来讲,这是数量最多的一类五轴联动数控机床(图1)。

图1 双转台式五轴联动机床加工(汽车大灯)模具

转台加上摆头式结构的五轴联动机床由于转台可以是ａ轴、ｂ轴或ｃ轴,摆头也是一样,可以分别是ａ轴、ｂ轴或ｃ轴,所以转台加上摆头式结构的五轴联动机床可以有各种不同的组合,以适应不同的加工对象,如加工汽轮发电机的叶片,需要ａ轴加上ｂ轴,其中ａ轴需要用尾座顶尖配合顶住工件,如果工件较长同时直径又细,则需要两头夹住并且拉伸工件来进行加工,当然这里一个必要条件是两个转台必须严格同步旋转;再如加工如图2所示零件,采用ｃ轴加上ｂ轴,由于工件仅在ｃ轴上旋转运动,所以工件可以很小,也可以较大,直径范围可由几十毫米至数千毫米,ｃ轴转台的直径也可以从100～200ｍｍ至2～3ｍ,机床的规格、质量也从几吨至十几吨甚至数十吨。这也是一类应用十分广泛的五轴联动数控机床,其价格居中,随机器规格大小、精度和性能的不同相差很大。双摆头式结构的五轴联动机床如图3所示,由于结构本身的原因:摆头中间一般有一个带有松拉刀结构的电主轴,所以双摆头自身的尺寸不容易做小,一般在400～500ｍｍ

图2 Ｃ轴+Ｂ轴五轴联动机床加工模具

左右,加上双摆头活动范围的需要,所以双摆头结构的五 轴联动机床的加工范围不宜太小,而是越大越好,一般为 龙门式或动梁龙门式,龙门的宽度在2000～3 000ｍｍ以 上为好。

图3 双摆头式结构的五轴联动机床

早期的双摆头一般采用可调间隙的蜗轮蜗杆结构或 者可消除间隙的齿轮结构,机器的性能(刚性和精密度) 往往由双摆头传动链的刚性来决定,即传动齿轮的间隙一 定是负值,传动齿轮在一定弹性变形状态下工作,其变形 量的大小取决于该传动环节的预加载荷。图3(ａ)为西班 牙式双摆铣头,采用齿轮传动和鼠牙盘定位结构,刚性远 好于一般的双摆铣头,特别适合五面体的高效加工。 比较新的五轴联动机床旋转轴的结构一般采用所谓

“零传动”技术的扭矩电机,如瑞士的米克朗、德国的德马 吉等著名五轴联动加工中心产品品牌。零传动技术在旋 转轴中的应用,也许是解决其传动链刚性和精度的最理想 的技术路线,随着技术的发展,扭矩电机的制造成本大大 下降,市场价格也随之下降,这一进程将促使五轴联动机 床的制造技术大大地前进一步。

图3(ｂ)为瑞士米克朗采

用扭矩电机技术的龙门式五轴联动加工中心。

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