五轴联动数控工具磨床设计探析

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1、五轴联动数控工具磨床设计探析【摘要】近年，随着我国国民经济的迅速发展，以及国防建设的需要，对五轴联动高档数控机床所配套的数控系统提出了急迫的大量需求。本文对五轴联动数控工具磨床工作台设计的基本要求及结构设计进行了讨论，提出了设计方案，最后，对典型的五轴联动数控工具磨床进行了分析。【关键词】五轴联动；数控工具磨床；工作台；结构设计；典型分析装备制造业是一个国家工业的基石，其能够为新技术、新产品的开发及现代工业的生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。数控工具磨床，尤其是多轴数控、多轴联动的数控工具磨床，是实现高效、高质量磨削，制造精密、复杂形状刀具的高、精、尖的关键设备，也是各类数控机床中结

2、构较为复杂、自动化程度较高、精度与可靠性要求较高的机电一体化高技术产品，其研究开发具有相当大的技术难度，较大的市场需求量。采用数控工具磨床对刀具进行磨削加工，必须依靠刀具磨削加工技术及编程技术，而目前各种复杂形状刀具的磨削加工技术与编程软件，在国外也属于专利技术或者保密技术，价格非常昂贵。鉴于此，现今世界上也只有极少数的厂商可以生产高性能的数控工具磨床。1五轴联动数控工具磨床工作台设计的基本要求五轴联动数控工具磨床作为一种高精密的数控装备，结构复杂，精度可靠性要求高，通常是由机床的主运动部件、进给运动部件、辅助部件与机座等组成。机床应选用多少个坐标轴，采用哪几个轴进行联动，这位机床运动学所考虑

3、的主要问题。通过加工对象及加工方法分析，五轴联动数控工具磨床的运动原理可满足任意刀具的磨削运动要求。其结构形式多种多样，有转台式、立式、卧式、带刀库等布局形式,机座形式也分为有底座式、龙门式、立柱式等。为了实现刀具与工件的相对运动，工具磨床可有多种结构的布局形式，对应的工作台形式也是各不相同。一般情况下，工作台的结构设计需满足以下要求：（1）刀具磨削通常要求一次装夹来完成对工件所有切削面的粗精加工，此时，工作台应能够满足进行多片砂轮加工的操作要求，以及自动换刀机构的工作要求；（2）刀具主要是由各种复杂的曲面构成，所以对于多轴联动加工的要求工作台的结构应能满足，从而保证在工作的范围内各个运动轴不

4、会出现运动干涉的现象；（3）工作台既要能承受在粗磨时所产生的大磨削力，又要能保证在精加工时的高精度，所以要求其刚度大、运动精度高、稳定性好，此外，要具有较小的热变形。2五轴联动数控磨床工作台结构设计2.1工作台进给系统在刀具磨削加工的过程中，工作台进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性都会对工件的尺寸精度及轮廓的精度产生影响。因此，对于摩擦阻力小、系统稳定、动精度高、运动部件惯量小等要求，机床的进给系统应需满足，从而要求其传动元件必须具备摩擦阻力小、刚度大、传动间隙小、灵敏度高等特点。轴联动数控工具磨床工作台的进给、旋转运动都可以采用单独的伺服电机来直接驱动丝杠螺母的传动，把旋转运动转变成为为直线

5、运动。然后，通过数控系统来协调控制各轴之间的联动，省去皮带或者齿轮传动副的使用，来最大限度的减少传动误差，提高传动的精度。此外，机床导轨必须具有小摩擦力，高耐磨性的要求。综上分析，其可采用如图1所示的滚动导轨结构。图2为磨床工作台的传动系统，滚珠丝杠螺母被固定在进给工作台拖板的上面，X、Y、Z伺服驱动电机通过波纹管式联轴器直接与滚珠丝杠进行连接。滚珠丝杠在伺服电机的驱动下进行转动，从而对各个方向的拖板沿导轨的运动进行驱动。数控工具磨床集粗、精加工于一体，位于三坐标的工作台既要能承受在粗加工时大吃刀、大走刀的最大切削力，又要能保证在精加工时的高精度。所以，对于零件要求具有刚度大、强度高、抗振性强

6、、热变形小、内应力低等特点。工作台机体零件材料可以选用高强度的优质灰铸铁，采用半封闭截面的铸件，对内部隔板和肋条进行合理布置，并加宽其导轨面，从而提高整体的刚度。3典型数控工具磨床分析澳大利亚ANCA公司开发的生产型产品ANCATX7+CNC型五轴联动数控工具磨床，采用了可变的用户程序，可实现对复杂工件进行磨削，由于采用人机对话方式，能够对异形刀具进行直接编程。该产品的五根数控轴分别为工件回转A轴、工作台移动X、Y、Z三轴及主轴体的回转C轴。根据三维CAD来设计的机床具有宽大的空间，主轴前端接近旋转C轴的机械中心位置。由于机床立柱采用整体浇注的封闭龙门框架结构，具有刚度大、强度高等特点，从而保

7、证了机床在高速强力切削时的稳定性。自动砂轮转换器能够在4S内同时转换冷却管与砂轮，一次最多可以完成对8个砂轮的装夹设置，从而实现对复杂刀具一次装夹完成的全部加工。此外,由于砂轮夹紧系统采用锥面和端面面接触，从而保证了高精度、高刚度的要求。该机床电主轴的冷却采用通用的外壳循环油冷却，此外，其带有在线动平衡测试软件模块，在安装好砂轮杆后运行该模块，屏幕上会提示砂轮杆的动不平衡量及其相位角，通过人工添加