摘要：对现在机床的五轴联动结构进行了结构分析、对比，设计出了高速龙门铣床五轴联动的结构。五轴联动结构设计中又主要对五轴联动铣头（行业中称“五轴头”）进行了详细设计，结构中采用了精密齿轮啮合与双导程蜗轮蜗杆驱动，既保证了结构紧凑，精度也较高。 关键词：五轴联动 结构设计 五轴联动铣头 双导程蜗轮蜗杆
一、前言
数控机床是当代制造业的主流装备，是市场的热门商品。我国数控机床经历30多年来的发展，现已颇具规模，机床已涉及超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域。但与机床高度发达的国家相比，我国机床的总体制作水平还是存在着一定的差距，相当明显的是：在我国，对于四轴联动以上的机床，大部分来自国外，再加上西方国家对我国在这方面的技术封锁，在一定程度上影响了我国数控机床的发展。 本人课题在借鉴大量国内外机床资料的基础上，根据一特定方案设计出虚拟样机---五轴联动高速数控龙门铣床。此论文是节选其中五轴联动的结构设计部分。
二、五轴联动现状及其分析
大多数高级的数控铣床的数控装置都可控六根基本轴，即X, Y, Z三根运动轴和绕X, Y, Z三根运动轴旋转的A、B、C三根回转轴。五轴联动指的是在六根基本轴中，机床数控装置能控制其中五根轴同时达到空间某一点，通俗的讲就是指其中五根轴能同时对某一点进行运动加工。根据机床实际情况，五轴联动通常是在X、Y、Z三根运动轴基础上增加由A、B、C 三个回转轴中任意两个回转轴所组合的运动， 2个回转轴可以都配置在刀具切削头部位（通常称摆动轴）或工件安装部位（通常称旋转工作台），也可在这两个部位上分别配置1个回转轴。根据这些配置方式可以组合出的有效布局方案共有：种。
1、双旋转工作台的高速五轴机床，它应用比较多的是铣镗类机床。这种机床也有多个类型和品种，较简单的是在数控镗铣床的工作台上附加A/B轴转台，配上相应的数控系统，实现X、Y、Z三个直线运动和 A/B轴两个旋转运动并可联动。这种配置由于接合层次多，刚性差些，因此有专门将A/B转轴的支座与工作台或床身做成一体的。由于受安装工件的转台的尺寸和重量的制约，这种机床仅适用于加工中小型工件 [1]。
2、在刀具切削头部位和工件安装部位，都配置1个回转轴。这种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轴阻焊油墨,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[2]。
这种型式配置的机床把旋转轴分别放置于切削头部位和工作台安装部位, 与使用双旋转工作台的机床相比较, 优点是刚性高, 工作台的承载能力强。双旋转工作台为一个串联机构, 而且空间上受到限制, 无法设计得足够健壮, 导致整体刚性不足, 若将旋转轴分开在主轴头和工作台两个部位, 那么结构刚性的问题便得到很好的解决, 工作台的工作台面积与承载能力也远大于传统的双旋转工作台[3]。
3、双摆头式结构的五轴联动机床，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400～500 mm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2000～3000 mm以上为好。本机床是高速龙门
铣床，所以采用此种双摆头式的五轴联动结构。
三、高速龙门铣床五轴联动结构
1、方案的确定
根据对机床五轴联动现有结构的分析，本机床总体结构采用定梁式龙门铣床结构，工作台在线性滚珠导轨上作X出生医学证明管理系统向运动，Z轴滑枕上配置五轴联动铣头。Y轴采用双线性滚珠导轨安装呈垂直分布状态，Z轴采用大规格线性滚珠导轨与双平衡液压缸装置，三轴均采用伺服电机与滚珠丝杠螺母副通过联轴器直接的形式。
该结构的核心是采用了五轴联动铣头，目前，在五轴联动铣头领域中，西方国家中有意大利意萨（ISA）公司和德国西泰克（CyTec）公司比较突出，国内就属桂林机床股份有限公司做的比较专业且系统化。综合现有产品资料，拟定了3种五轴联动铣头的结构方案。
方案1， 五轴联动铣头的A/C轴全采用“零传动”结构，直接由力矩电机（Torqer Motor）驱动。德国西泰克（CyTec）公司产品属此类结构，见图1。
方案2，五轴联动铣头采用纯机械结构，A轴由双导程蜗杆驱动，C轴也由双导程蜗杆驱动。
方案3，同方案2cap3一样，采用纯机械结构，A轴由双 图1 五轴联动铣头 导程蜗杆驱动，C轴由精密齿轮啮合驱动。
对比分析上述方案设计，方案1的优点：结构紧凑、体积小、加工精度高，美中不足的是造价太过于昂贵；方案2与方案1相比，加工精度偏低，且体积较大，外观造型比较笨重；方案3结构特点介于方案1与方案2之间。
美光隐形眼镜通过以上方案的对比分析，机床的五轴联动铣头采用方案3的结构设计。
2、结构的设计
通过对国内外机床市场的关注，收集了大量国内外相关的资料，并着重借鉴桂林机床股份有限公司的摆动式A/C轴联动铣头资料，最终结合现我国机床发展状况，确定了五轴联动铣头产品设计的运动参数：
（1）A轴摆动角度为±100电子签章技术º与C轴回转角度为±370º（连续分度）。
（2）A轴摆动速度为0～10（r/min）；C轴回转速度为0～20（r/min）。
根据五轴联动铣头结构设计方案及运动参数，机床设计出的五轴联动铣头结构，具体结构见图2。此结构特点：A轴与C道路反光镜轴的运动结构都嵌在Z轴滑枕内，且A轴运动结构嵌在铣头套，并相对于C轴运动结构独立。五轴联动铣头主要是实现二轴联动动作，结合图2，来说明五轴联动铣头的工作原理：五轴联动铣头C轴回转运动原理图-- C轴伺服电机 小齿轮1 大齿轮1 铣头套；五轴联动铣头A轴摆动运动原理图-- A轴伺服电机 小齿轮2 齿轮同步带 大齿轮2 双导程蜗杆 双导程蜗轮 电主轴套 内藏式电主轴。C轴回转运动是由一对标准精密直齿圆柱齿轮传动来实现，其齿轮参数：小齿轮1齿数Z1=40，大齿轮1齿数Z2=134，模数m=2mm，压力角α=20°,齿顶高系数=1mm，顶隙系数=0.2mm，传动中心距a=174mm；A轴摆动运动是由一对双导程蜗杆传动实现，其具体参数计算略。
图2 五轴联动铣头结构图
1-Z轴滑枕，2-大齿轮1，3- A轴伺服电机， 4-大齿轮2， 5-电主轴套， 6- C轴伺服电机，7-小齿轮1，8-小齿轮2，9-铣头套，10-齿轮同步带，11-蜗杆套，12-蜗杆座，13-双导程蜗杆，14-双导程蜗轮，15-内藏式电主轴
四、结构的合理性及优点
1、可行性与合理性
哈默C30U和C40U五轴立式加工中心机床采用数控龙门移动铣床结构，龙门移动，工作台固定在龙门底座上，且配置为二轴联动的旋转工作台。X轴采用双丝杠驱动加线性滚珠导轨，Y轴采用双线性滚珠导轨安装呈垂直分布状态，Z轴采用大规格线性滚珠导轨，由此可见，X、Y轴的设置是可行且合理的；大连机床厂的BK50龙门式加工中心采用定梁式龙门铣床结构，工作台在线性滚珠导轨上作X向运动，Z轴滑枕上配置五轴联动铣头，导轨配置方面与哈默C30U和C40U五轴立式加工中心机床一样，由此可见，采用Z轴滑枕上配置五轴联动铣头是有实践证明过的。通过这两种机床的取长补短，设计出本机床的五轴联动机构是完全合理与可行的。
2、优点
五轴联动铣头一直是五轴联动龙门式数控机床的瓶颈，本文设计出高效实用的五轴联动铣头结构，它具有A/C轴功能，其中C轴采用精密齿轮传动结构，而A轴采用双导程蜗杆传动
形式，此传动结构具有轴向间隙补偿的功能，弥补了其它蜗杆传动形式因蜗杆啮合磨损造成的轴向间隙问题。
五、结论
数控机床设计过程中，轴的联动设计是其核心的部分，不仅对控制部分有较高的要求，机械部分也是非常重要的，它不仅决定了其功能，更决定了其精度和加工范围。此论文对五轴联动机械部分进行了详细的比较与设计，既符合经济效益也同时满足精度要求，是一种比较适合于我国现阶段数控机床发展的水平的设计思路。为数控机床轴的设计提供有普遍意义的设计方案，为同样进行五轴联动设计的同行提供参考。
随着机械加工技术的不断推进，以这种机械传动链结构的五轴联动铣头会逐渐被以“零传动”方面的五轴联动铣头取代，但个人相信，在今后几十年中，机械传动链结构的五轴联动数控机床，在数控加工领域仍扮演着重要的角，推动我国制造加工业的发展。
[1] 范宏才，盛伯浩．多轴联动机床A/C转轴镗铣头结构[J]．制造技术与机床，2007（2）：100-103
[2] 杜玉湘等 五轴联动数控机床的结构和应用 机械制造与研究 2008.6
[3] 黄炳誉 王成勇 秦哲 模具高速五轴加工机床的结构特点及关键技术 机械工程师 2008.5
