新型高速五轴联动叶轮加工机床大件结构设计
2019-10-24 来源：海拓璞数控科技有限公司 作者：郭聪聪
摘 要: 针对叶轮加工，重点讨论了五轴加工中心的设计机理和结构及提高机床刚度、加工速度和精度，特别是对机床的整体布局、刀库、回转台和机床床身结构进行了分析，在满足机床床身刚度的同时，尽量减轻质量，增大加工空间。通过配备光栅尺、高精度编码器实时反馈调节，使用双螺母丝杆、P2 级的专用转台轴承等措施保证叶轮加工的顺利进行。
关键词: 叶轮; 五轴联动; 加工中心
0 引言
五轴机床是装备制造业的重要工作母机，高档数控机床与基础制造装备被我国列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2006—2020) 》16 个重大专项之一。高速、高精度、高刚度的五轴联动机床在航空航天、汽车、新能源、科研和高精医疗设备等领域有着极其重要的应用。
但是，由于五轴机床的运动环节多，其精度、刚度等指标一直制约着五轴机床的推广应用。
本项目是针对叶轮的加工而研发设计的五轴联动加工中心，并为提高其精度刚度以及运行速度等指标开展了一系列的研究工作。
1 、机床结构的总体设计
1．1 整体布局
五轴机床有双摆头、单摆头、单回转台和双回转台等构型，本文研究的五轴加工中心为龙门式双回转台结构，且主要针对叶轮的加工，将刀库置于龙门两立柱之间，如图 1 所示。该结构占用空间较小，结构紧凑，主要由电主轴、双回转台、机床箱体、刀库等结构组成。电主轴功率15 k W，最高转速 40 000 r / min，适合铝合金的高速加工。
双回转台实现旋转轴 A、C 轴的联动，均采用力矩电机直接驱动，减少传动间隙。安装在龙门立柱上方的十字滑台带动刀具箱体及刀具实现 x、y 方向的运动，同时，刀具可以直线上下移动，即为 z 轴，形成 3 个直线轴.
1—龙门立柱; 2—刀库; 3—十字滑板; 4—主轴箱滑板;5—电主轴箱体; 6—双回转台; 7—
机床底座
图 1 机床整体结构图
设计时将机床的刀库、双回转台等结构组件全部置于机床箱体上，机床箱体采用多筋板中空结构，在满足机床刚度的前提下，尽量减轻质量。3 个直线轴的运动分别由3 个伺服电机通过滚珠丝杆完成，2 个回转运动由力矩电机完成。采用自动供油方式，定时润滑机床的摩擦面。进给机构均有限位控制装置，机床工作安全可靠。
1．2 机床刀库的设计
机床采用内藏式刀库( 图 2) ，根据加工情况任意选择刀具。刀库置于龙门立柱之间，以减小机床的整体尺寸，节省空间距离。在电机驱动下，刀库本身具有旋转运动，将待使用的刀具转送至前端，同时，因气缸的作用，刀库整体在置于机床底座的线轨上沿 y 轴来回移动，将待换刀具移动至主轴下方合适的位置，实现送刀的动作，且换刀速度较快，无需机械手。刀库为推出式，配置自动门。
图 2 机床刀库示意图
机床刀库最多可配置 8 把刀具，钢制刀爪，使用精密分割器做刀具分隔，换刀精度高，结构简单，容易实现换刀动作，换刀时间 8 s，最大刀 重 3 kg，满 刀 时 最 大 刀 径90 mm，临空时最大刀径 160 mm，最大刀长 150 mm。
1．3 旋转运动结构的设计
机床的双回转台结构如图 3 所示.
1—摇篮固定座; 2—中心轴; 3—转台底座;4—回转工作台; 5—圆光栅; 6—力矩电机
图 3 双回转台结构示意图
机床的 2 个回转运动均在工件上实现，使刀具始终垂直于工件加工表面，实现复杂曲面的高精度加工，两摇篮座之间的跨距较大，以增大加工空间。回转工作台使用全力矩电机驱动，实现两部分动作，即由绕 z 轴的回转运动，形成 C 轴，以及绕 x 轴的摆动，形成 A 轴，且没有中间传动环节，转动精度较高。 在转台内部，使用高精度编码器，同时，配置 P2 级的专用转台轴承，保证回转精度和重复定位精度。
工作台尺寸 210 mm，最大承重 30 kg，主轴端面至工作台中心的最小距离 85 mm。A 轴 采 用 双 驱 动 方 式，最 大 速 度 50m / min，最大转矩 710 N·m，定位精度 6″，重复定位精度4″。C 轴最大速度 100 m / min，最大转矩 251 N·m，定位精度 6″，重复定位精度 4″。A、C 轴的角加速度均为 210rad / s2，轴径向跳动均达到 0．005 mm。
1．4 机床床身结构的设计
在龙门立柱上( 图 4) ，十字滑台的移动为 x 轴移动，主轴箱滑板的前后运动为 y 轴运动，在 x 轴的线轨上，使用 3 个滑块以承受主轴箱( 图 5) 和十字滑板等较大质量的部件。同时，使用双螺母丝杆，脱片式联轴器，保证结构件可以高速运动，同时还能够保证移动精度和速度。在设计主轴箱滑板方面，设计多筋板以减小机床在运动过程中的变形，在满足强度的情况下，尽量减小工件的质量，从而减小惯量，提高机床的响应速度。
图 4 龙门立柱示意图
图 5 主轴箱滑板示意图
图 6 十字滑板示意图
本文设计的五轴加工中心，是自主研发的高速五轴加工中心，x、y、z 轴快速移动速度为 60 m/min，为了达到较小的间隙，设计双螺母结构，同时为了提高其刚性，使用脱片式联轴器。直线轴的运动均采用交流伺服电动机，配置光栅尺进行实时反馈调节，保证较高的精度。在机床整体设计过程中，主轴箱体、龙门立柱和十字滑板结构中通过使用加强筋，有效地增加了各结构件的刚度，并应用 ANSYS 有限元软件对其进行了受力分析，了解其受力变形状况。
十字滑板通过线轨与横梁接触，前后分别有 3 个滑块，立柱承受的总质量约为 600 kg。当机床的主轴箱滑板运动至 y 轴正向极限位置时，机床的主轴箱滑板、主轴箱和电主轴等构件总质心位于龙门立柱前端，以十字滑板的支反力计算，并将主轴箱等部件的惯性力考虑在内。以龙门立柱的计算为例，受力如图 7 所示。
图 7 机床立柱受力图
前面 3 个 滑 块 受 力: 12 519 N; 均 布 载 荷 计 算:1 053 787Pa( 有限元分析输入条件) ;前面 3 个 滑 块 受 力: 4 269 N; 均 布 载 荷 计 算:359 343 Pa( 有限元分析输入条件) 。使用 ANSYS 有限元软件对立轴箱、龙门立柱和十字滑板进行受力分析，受力图及变形图如图 8－图 10 所示。
通过变形图可以看出，主轴箱的后端几乎没有变形，而前端和电机连接部分呈弧形向机床 y 轴正方向倾斜，最大变形 位 于 主 轴 箱 上 端 与 电 机 座 连 接 部 分，变 形 量0．001 3mm，可以满足使用要求。
机床的十字滑板受到主轴箱滑板给予的压力以及横梁给予的支力，使十字滑板的前端位置受剪，此处的变形也最大，变形值为 0．003 2 mm，也在允许变形范围内，可以使用。机床的龙门立柱变形较大位置位于横梁中间前部位置，向下弯曲，变形量 0．010 5mm，变形量较大，容易造成加工零件的直线度不符合要求，需对龙门立柱进行改进。
图 8 主轴箱变形图
图 9 龙门立柱变形图
图 10 十字滑板变形图
改进方案为: 在变形较大位置沿 x 向以及底面各增加一块钢板，如图 11、图 12 所示。
图 11 立柱截面图( 改进前)
图 12 立柱截面图( 改进后)
对改进后的立柱进行受力分析，变形图如图 13 所示，应力图如图 14 所示。从图 13 中可以看出最大变形处在立柱前端中间的位置，变形量为 0．002 41 mm，变形较小在允许值范围内，可以使用。
图 13 立柱变形图
图 14 立柱应力图
机床整机如图 15 所示，所加工的零件如图 16。
图 15 机床实物图
图 16 已加工叶轮图
通 过 对 加 工 过 程 的 观 察，发 现 刚 度 较 好，直 径 为50 mm的铝合金叶轮叶片加工时间约为 3 min，对已加工好的叶片进行精度及表面粗糙度检测，叶缘加精度0．05 mm，五轴叶片和倒角表面粗糙度 Ｒa 0．8，叶片加工精度0．1 mm，中心孔与轮背垂直度 0．005 mm，形位精度很高，机床的动平衡为 0．039 g，工具系统跳动量 0．002 mm，均达到预期目标，证明本文设计的五轴机床能够满足高精高速的质量要求。
2 、结语
为了达到高速高精度加工叶轮的目的，设计了新型五轴联动加工中心，经装配调试达到预期的加工效果，且加工可靠，运行平稳。
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