第一章 第1章 多轴数控加工技术基础

      在机构组成结构上，多轴联动数控机床与普通机床的最大区别在于它除了具有普通机床三个直线坐标轴外，还有1～2个旋转坐标轴，而且可以多轴联动加工。
      根据机床主轴的安装状态，首先可以将多轴联动数控机床分为立式和卧式两大类。
      进一步地细分，如表1-1所示，多轴联动数控机床主要有以下结构形式和运动配置方
式。在表1-1中，一种结构形式与一种运动配置方式相组合，就可以得到一类多轴联动数控机床的结构类型。

表1-1 多轴联动数控机床结构

 
      机构的结构形式分为串联结构和并联结构。所谓串联结构，可简单理解为机床实现某一种运动的各个构件是串接起来的，例如“伺服电机—联轴器—滚珠丝杆—工作台”。而并联结构的机床实现某一种运动的各个构件相对独立，是并行关系。
      在实际生产领域，传统串联结构的数控机床占据主要的大部分。下面就来重点介绍几种典型的、常见的传统串联结构多轴联动数控机床。

1  四轴联动数控机床
      典型的四轴联动数控机床是表1-1中定义的A12型机床，即四个运动分配在刀具和工件侧的传统串联结构机床，其结构原理如图1-21所示。大部分四轴联动数控机床是在三轴联动数控铣床的工作台上，增加一个绕X轴旋转的A轴或绕Y轴旋转的B轴，再由具备同时控制至少四根轴运动的数控系统支配以获得四轴联合运动。
      如图1-22所示是四川长征机床公司生产的KVC650型四轴联动数控加工中心。该机床的四根运动轴分别为直线轴X、Y、Z和绕X轴旋转的A轴。作为数控加工编程员应该掌握的机床技术参数如表1-2所示。

 

表1-2 KVC650型四轴联动数控加工中心技术参数

      如图1-22所示，这类机床是在三轴立式数控铣床或加工中心上，附加具有一个旋转轴的数控转台来实现四轴联动加工，即所谓3+1 形式的四轴联动机床。由于是基于立式铣床或加工中心作为主要加工形式，所以数控转台只能算作是机床的一个附件。这类机床的优点是：
      （１）价格相对便宜。由于数控转台是一个附件，所以用户可以根据需要选配。
      （２）装夹方式灵活。用户可以根据工件的形状选择不同的附件。既可以选择三爪卡盘装夹，也可以选配四爪卡盘或者花盘装夹。
      （３）拆卸方便。用户在利用三轴加工大工件时，可以把数控转台拆卸下来。当需要时可以很方便地把数控转台安装在工作台上进行四轴联动加工。
      这类机床主要用于加工非圆截面柱状零件，例如带螺旋槽的传动轴零件等。

2  主轴倾斜型五轴联动数控机床
      典型的主轴倾斜型五轴联动数控机床是表1-1中定义的A13型机床，即五个运动全部分配在刀具侧的传统串联结构机床，其原理结构如图1-23所示。主轴倾斜型五轴联动数控机床通俗地也称之为双摆头机床，因为机床的两个旋转轴都分布在主轴头的刀具侧。结构实例如图1-24所示。大多数情况下，这两个旋转轴通常是绕X轴旋转的A轴与绕Z轴旋转的C轴组合或者是绕Y轴旋转的B轴与绕Z轴旋转的C轴组合。

 

      如图1-25所示是西班牙ZAYER公司生产的MEMPHIS 6000-U型双摆头机床，该机床的五根运动轴分别为直线轴X、Y、Z和绕X轴旋转的A轴、绕Z轴旋转的C轴。
      作为数控加工编程员应该掌握的机床技术参数如表1-3所示。
 
 

表1-3 MEMPHIS 6000-U型双摆头机床技术参数

 

      主轴倾斜型五轴机床是目前主流的五轴机床轴配置的主要形式之一。这种结构设置方式的优点是主轴／刀具运动非常灵活，由于工件／工作台不运动，工作台尺寸可以设计得非常大，龙门式的结构可以具备较大的X、Y、Z方向工作行程，适合于加工具有复杂形面的大型、重型壳体件，如飞机龙骨、翼梁、大型发动机壳体等。
      主轴倾斜型五轴机床的结构缺点在于，其一，机床运动部件质量大，惯性力大，功率消耗大且对控制系统的运动控制功能提出了较高的要求。其二，双摆头主轴头部件设计和制造要求高，难度大，特别是采用蜗轮/蜗杆和齿轮传动结构时，主轴头体积较大。同时，将两个旋转轴都设置在主轴头的刀具侧，使得两个旋转轴的角度行程受限于机床电路线缆的阻碍，一般C轴的连续转角范围小于±360 °，A轴或B轴的连续转角范围小于±180°。
      这类型机床通常应用在汽车覆盖件模具制造业、大型模型制造业，如飞机、轮船、汽车模型加工等。特别是在大型模具高精度曲面加工方面，非常受用户的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。

3  工作台倾斜型五轴联动数控机床
      典型的工作台倾斜型五轴联动数控机床是表1-1中定义的A15型机床，即两个旋转运动分配在工件侧，另外三个直线运动分配在刀具侧的传统串联结构机床，其原理结构如图1-26所示。工作台倾斜型五轴联动数控机床通俗地也称之为双摆台机床，因为机床的两个旋转轴都分布在工作台侧。结构实例如图1-27所示。这两个旋转轴通常是绕X轴旋转的A轴与绕Z轴旋转的C轴的组合或者是绕Y轴旋转的B轴与绕Z轴旋转的C轴的组合。

 

      如图1-28所示是瑞士MIKRON公司生产HPM600U型双摆台机床，该机床的五根运动轴分别为直线轴X、Y、Z和绕X轴旋转的A轴、绕Z轴旋转的C轴。
      作为数控加工编程员应该掌握的机床技术参数如表1-4所示。

 表1-4 HPM600U型双摆台机床技术参数

      这种结构设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低，同时，工作台倾斜型机床的C轴可以获得无限制的连续旋转角度行程，为诸如汽轮机整体叶片之类的零件加工创造了条件。
由于两个旋转轴都放在工作台侧，使得这一类型机床的工作台大小受到限制，X、Y、Z三轴的行程也相应受到限制。另外，工作台的承重能力也较小，特别是当A轴（或B轴）的回转角大于等于90°时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。

4  工作台/主轴倾斜型五轴联动数控机床
      典型的工作台／主轴倾斜型五轴联动数控机床是表1-1中定义的A15型机床，即一个旋转运动分配在工件侧，另外一个旋转运动和三个直线运动分配在刀具侧的传统串联结构机床，其原理结构如图1-29所示。
      工作台／主轴倾斜型五轴联动数控机床通俗地也称之为摆头及转台机床。结构实例如图1-30所示。这一类机床的旋转轴结构布置有最大的灵活性，可以是A、C轴组合、B、C轴组合或A、B轴组合。

 

      如图1-31所示是德国DMG公司生产DMU60PduoBLOCK型摆头及转台机床，该机床的五根运动轴分别为直线轴X、Y、Z和绕Y轴旋转的B轴、绕Z轴旋转的C轴。
      该机床的技术参数如表1-5所示。

表1-5 DMU60P duoBLOCK型摆头及转台机床技术参数

      大部分工作台/主轴倾斜型机床的旋转轴配置形式是绕Y轴旋转的B轴与工作台绕Z轴旋转形成的C轴组合。这种结构设置方式简单灵活，同时具备主轴倾斜型机床与工作台倾斜型机床的部分优点。这类机床的主轴可以旋转为水平状态和垂直状态，工作台只需分度定位，即可简单地配置为立、卧转换的三轴加工中心，将主轴进行立、卧转换再配合工作台分度，对工件实现五面体加工，制造成本降低，又非常实用。