杜金成
沈阳机床（集团）有限责任公司 辽宁省沈阳市 110000
摘要：五轴联动数控机床其本身是航空航天以及模具加工以及汽车制造与精密机械加工等行业的核心加工设备，其属于新技术以及新产品所完成开发和现代工业生产提供了所不能够缺少的一种手段，并且也是不能够缺少的一项战略性产业装备。研究五轴联动数控机床在设计以及使用上的相关技术，是当前我们国家金属加工行业在实际发展中的一种迫切的需要。其中，五轴联动数控机床其在整体结构上的选型属于五轴机床整机方案设计所不能够忽视的工作，同时也是机床在进行开发试制是否能够获得成功的核心，设计人员一定要对其给予充分的认识。基于此，本文对其结构选型进行相关分析和总结。
关键词：五轴联动；数控机床；结构
1.五轴联动数控机床结构形式
五轴联动数控机床代表了着机床具备三个线性进给轴以及两个旋转的进给轴，同时这五个进给轴能够共同的完成给进。如图1所示，三个线性的进给轴其属于坐标系里的X，Y以及Z轴，而两个旋转的进给轴则属于A，B以及C轴中的两个组合，也就是AC组合和AB组合以及BC组合。两次旋转进给运动其属于五轴联动机床的核心技术，其能够彼此进行交流联动，AB联动以及BC联动。按照直线进给轴以及旋转进给轴之间的不同构成，可以让五轴联动数控机床自身的结构形式变得多样化。
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图1 五轴机床坐标轴
1.1两个旋转进给运动集成到一个双摆铣头中
机床其两个旋转进给运动被融合到一个双摆铣头里。这样一种结构机床一般其本身具有单独的两个细分结构。
1.1.1交流双摆铣头
两种旋转进给运动其被汇集并且被安装至机床线性轴其Z轴冲头下方的位置，同时也是当前龙门机床上经常会使用到的一种AC双摆铣头结构。旋转轴C轴主要是通过U型音叉头绕着线性轴Z轴其对称结构去完成的，旋转轴A轴主要是从A轴摆头围绕U其自身的公共轴去实现的。主轴采取的是一种直驱式的电主轴结构。
1.1.2 AB双摆铣头
两种旋转进给运动都集成在AB双摆铣头中，该铣头安装在机床线性轴Z轴滑枕的前表面上。旋转轴的A轴的移动通过对称结构的U形音叉头绕线性轴A轴的运动来实现，旋转的引导通过弧形的滚动导轨来实现。主轴采用直驱式电动主轴结构。
1.2 两个旋转进给运动采用摇篮式双摆转台
摇篮式双摆转盘有两种类型，AC摇篮式双摆转盘和BC摇篮式双摆转盘。实际上，两个摇篮型双摆式转盘的机械结构是相同的，但由于转盘的安装方向不同，其名称也有所不同。 如果转盘的摆动轴的轴线平行于机床的X轴安装，则它是AC支架型双摆式转盘。 如果转盘的摆动轴的轴平行于机床的Y轴安装，则它是BC摇篮型双摆式转盘。
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图3 HMC80u卧式五轴
1.3 两个旋转进给运动分开布置
hmc80u卧式五轴加工中心是我公司新研制开发的五轴联动卧式加工中心。可满足鼓风机及航空航天等行业对大扭矩、高刚性的需求，为鼓风机及航空航天等行业的叶片、叶轮高效率、高精度的复杂型面的5轴联动加工提供可靠的理想设备。
该机床纵横床身分体式铸造，两床身t型分布通过螺钉连接；
立柱门式框架结构、主轴箱在框架内上下运动，精度高、刚性好、动态性能好；
x、y、z三向座标导轨采用直线滚动导轨，移动采用电机与滚珠丝杠直连进行传动，快速移动速度可达24m/min。配有光栅尺实现闭环控制；
b轴数控回转工作台及c轴数控立转台均采用电机经齿轮、双导程蜗杆、蜗轮使转台回转。b轴旋转范围为±220°。c轴旋转范围为±360°，采用径向夹紧套夹紧结构，并可承受较大的切削扭矩。b轴和c轴均配有圆光栅实现闭环控制；
主运动采用二档齿轮变速，增大主轴扭矩，主轴由两组高精度、高刚性角接触球轴承支承，保证了主轴有高的回转精度；
主轴配有强制冷却循环系统，控制主轴温升；
配备大容量链式自动换刀装置；
配备德国西门子sinumerik 840d数控系统。优的全数字化simodrive 611d伺服驱动，提供极高的动态性能。40gb硬盘，方便备份及回装各种数据，降低停机时间。具有灵活刀具管理功能的换刀系统，带来高加工效率。shopmill集成式解决方案，直接处理模具制造程序，优化了自由表面及摆动加工；
按用户要求可选装fidia c20或heidenhain itnc 530数控系统。
2五轴联动数控机床的结构选择
机床当前的整体布局是当前设计工作中的关键，尤其是针对5轴CNC机床所进行的设计以及开发。所以，五轴联动数控机床在进行结构上的选择其在进行设计中来讲是十分核心的，同时也是成功完成机床开发以及试生产的一种核心技术。在实际进行设计过程中，一定要在机床自身的运动组合以及结构配置上去入手，挑选一个最为适宜的旋转进给运动和线性进给运动之间的构成，通过这样的方式让机床能够得到一个最为适宜的加工性能，同时通过这样的方式为客户提供一个最为适宜的应用体验。
2.1 选用双摆铣头
大型重型五轴联动数控机床以及工件的五轴联动数控机床通常都是选择交流双摆铣头的结构。这种类型的机床主要选择的是是架空桥式的联动方式，并且在实际进行设计时要求对每一个运动部件本身的轻量化给予考量，每一个运动部件本身的质量平衡以及功能部件和模块化。因为选择这种类型机床在完成工件加工时获得的工件质量十分的理想，为了可以有效的提高加工速度，机床通常要求使用具有固定工作台的一种架空桥式的联动结构。这样一种设计能够让每个进给轴驱动其自身的负载的重量以及平衡保持优化，通过这样的方式降低运动部件所必须的驱动功率以及扭矩。使机床的碳含量和环境保护降低，同时提升了机床多个进给轴的动态响应性能以及加速的性能，让加速以及挺举之间保持有效的匹配，从而改善了机床的客户体验。大型重型五轴联动龙门数控机床也具有AB型双摆铣头的结构。用这种机床加工的零件通常是长而窄的钛合金航空结构件，具有小角度的腔体或长而窄的滑动件。与交流双摆铣头相比，AB双摆铣头具有两个优点：①对于具有小角度腔的长而窄的零件，将A轴进给与C轴进给以及刀具路径进行比较更短。更好的进刀性能和更高的切割效率； ②AB型双摆式铣头的切削点更靠近旋转中心，因此更容易实现较高的材料去除率。当然，AB双摆铣头其本身也存在一定的问题：①A轴的弧形导轨无法进行制造以及组装；②AB摆自身的结构十分的复杂并且相对昂贵。
这种类型的机床的设计主要考虑特定零件的加工效率，其次是减轻运动零件的重量并实现运动零件质量的均等化。由于由这种类型的机床加工的特定类型的零件通常不是重型零件，因此将这种类型的机床设计成具有固定梁机架结构的可移动工作台也遵循每个运动零件的轻质和平衡质量原则。
2.2 选用摇篮式双摆转台
中小型五轴机床以及工件较轻的机床一般使用的是摇篮式的双回转转盘结构。这样一种类型的机床的设计以及选择注重的是运动部件质量上的有效分配，功能部件其模块化和旋转中心至切削区域保持近似。针对工作的台表面不可以超出φ600mm的小型机床，一般需要设计为把摇篮式双摆转盘安装到参与X轴以及Y轴直线运动的一个工作台的表面上。针对工作台的直径处于φ600mm?φ800mm的中型机床，一般需要把摇篮式双摆转盘设计并且安装到固定的机床上，同时这一转盘不参以及直线的完成进给运动。在转盘其自身的直径超出Φ1000 mm的时候，因为重型摇篮式双回转转台自身的性能相对较差，所以五轴机床并不适合被使用在摇篮式双回转转台的这样的一种动态结构，无法有效的提升五轴切削效率。机床主要使用的是一种摇篮式的双摆转盘。主加工区域主要是集中在A轴以及C轴的旋转轴中心周边，所以刀尖需要与旋转中心帖进。在同样的切削力影响下，A轴旋转轴其驱动电机只要求进行高输出就能够完成。小功率和小扭矩使机床的碳含量更低且环保。采用交流摇篮式双摆转盘。由于加工过程中的A轴旋转使切屑的清除更加方便快捷，因此可以迅速带走加工热量，并有助于提高加工精度。使用交流摇篮式双摆式转盘可以使机床更加模块化，紧凑且占用面积小。转矩电动机直驱式摇篮式双摆转盘是摇篮式双摆转盘的发展方向。这种转盘通常有三种类型：①带辅助支撑的A轴单扭矩电机驱动结构，这种转盘通常用于中型机床；②无辅助支撑的A轴单扭矩电动机驱动结构，即悬臂AC摇篮式双摆转盘。这种转盘的A轴和C轴由扭矩电机直接驱动，该扭矩电机通常用于小型机床。 ③A轴双扭矩电动机驱动的交流摇篮式双摆头结构。此类转盘的C轴由扭矩电机直接驱动。为了增加A轴的驱动力，A轴在左右两侧采用了扭矩电机双驱动结构，一般将其使用在中型机床或者是动态响应性能要求比较高的机床上。
2.3 两个旋转进给运动分开布置
2.3.1单摆铣头+四轴立式回转工作台工作台其实φ600mm?φ800mm里的中型五轴机床其本身也具备两个旋转进给运动分别设置的结构。这样一种类型的机床一般都是使用单摆铣头以及第四轴转台之间的构成。一般，单摆铣头以及第四轴转台其都会参与到X轴以及Y轴其线性的进给运动。这样的机床的设计以及挑选侧重的是每一个运动部件自身的轻量化以及每一个运动部件质量自身的合理分布，通过这样的方式完成机床每一个进给轴的动态响应以及加速性能，同时让其和加速度之间保持一致。机床各轴的急动性有着非常好的性能同时可以让机床的客户体验得到强化。这样一种结构一般需要使用在高速或者是超高速的五轴机床。
2.3.2GMC2560u介绍
GMC系列桥式五轴加工中心在航空航天行业中可以做到关键设备替代进口，自主可控，实现国产机床武装国防装备，打破国际封锁和垄断。2017年10月，沈阳机床设计研究院成功完成了i5系统在GMC2560u高端数控机床上的搭载，并将该产品用于民用飞机相关件的加工中。2018年8月，沈阳机床旗下的沈阳飞翔数控技术公司承接到一批军工件的生产，这款产品以出色的加工性能承担主要的加工任务。目前，这款机床被用于沈飞公司军用飞机相关零件、沈阳铸造研究院导弹相关零件的生产，日产值在7000元左右，加工合格率达到95%以上，共产出军工件170余件。
3 中国五轴数控机床结构选型未来的发展方向
国家重点扶持机床制造企业，促进技术创新体系的形成。我国五轴数控机床的研发和生产还处于起步阶段。因此，今后，我国将根据五轴数控机床的发展情况，计划在机床工业中为汽车工业建立自动化设备，形成大型精密复合冲压机床，高端数控机床和数控系统性能测试中心等制造研究中心，巩固和发展机床制造企业技术开发体系的建设，鼓励企业积极开发制造高技术含量的机床。
为适应市场需求，走具有企业特色的技术路线。机床制造商开发和建立五轴数控机床产品应根据市场用户的实际需要，通用和关键技术的开发以及功能部件的开发应由主机的发展来驱动整机满足市场需求为根本目标。加强对五轴数控机床的共同特征和关键技术的研究，如高速技术，智能技术，复合技术和环保技术。对共同特征和关键技术的研究必须着眼于高端数控机床的发展，并提高整机的可靠性和可靠性。工业化水平。
积极引进先进技术。通过引进技术消化创新，整合创新和原创创新，我们将掌握当代数控技术的关键技术，开发品种，提高自主开发能力，提高国产数控系统和关键功能部件，特别是国产介质的配套能力。以及机床中的高端CNC匹配功能。并依靠国家重点项目加快推广国产五轴数控机床的有效选型。
结论
按照加工零件实际的形状和质量，以及精度与机床尺寸，五轴联动数控机床其本身具备三至五种类型不同的结构。针对其类型结构存在形式的差异，设计人员在对机床整体方案进行设计的时候需要按照以下原则去完成所需要的设计工作。
（1）轻量原则。每一个运动部件都需要更轻，其目标是为了让每一个运动部件自身的速度得到提升的同时还能够保障机床自身的动态响应性能。
（2）平等原则。合理的完成运动部件质量的有效分配，保障构件质量的提升，通过这样的方式防止其对整体机器自身的动态性能产生影响。
（3）模块化原理。机床的整体结构可以完成模块化，并且通过模块化的处置之后，整体机床设计能够获得简化。
（4）尽可能的按照工具其尖端与旋转轴旋转中心相贴近的原则，这样一种方式设计的五轴机床不但可以实现节能环保，同时还能够提升加工上的工艺效率。
（5）提高加工效率以及表面加工质量需要被当成是整体规划设计过程中的核心因素。
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