機(jī)床回轉(zhuǎn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新
DESIGN NEWS China 2009.9 P14-15 張曙·衛(wèi)漢華專欄
近年來(lái)，借助三維CAD 建模和有限元分析優(yōu)化的緊密配合，可以精確設(shè)計(jì)出復(fù)雜而高效的各種機(jī)械產(chǎn)品，但與此同時(shí)，產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)和形狀也日趨復(fù)雜，例如多個(gè)自由曲面、多個(gè)非正交基準(zhǔn)、薄壁厚等，使得加工難度也越來(lái)越大。
傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的笛卡爾坐標(biāo)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)配合球頭銑刀，雖然能夠加工簡(jiǎn)單的自由曲面，但因受到工具和工件之間可能的干涉限制，難以高效和準(zhǔn)確地加工復(fù)雜的零件。因此，在直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)上疊加回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床成為當(dāng)前機(jī)床產(chǎn)品創(chuàng)新的主要趨勢(shì)。
數(shù)控機(jī)床的回轉(zhuǎn)軸以A、B、C 表示，分別代表繞X、Y、Z 軸的回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以3 個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加2 個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)較為普遍。因此，5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)配置可以分為雙轉(zhuǎn)臺(tái)式、主軸頭雙回轉(zhuǎn)式、轉(zhuǎn)臺(tái)和主軸頭復(fù)合回轉(zhuǎn)式三種布局。
雙轉(zhuǎn)臺(tái)式布局
雙轉(zhuǎn)臺(tái)式5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床配有一個(gè)可以沿A 和C 軸回轉(zhuǎn)的工作臺(tái)，工件裝夾在臺(tái)上跟隨旋轉(zhuǎn)，機(jī)床的主軸只作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)式優(yōu)點(diǎn)是主軸體積不受限制，可以選配功率大、切削效率高的主軸，而且可以將回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)成為如圖 1 的功能模塊，將3 軸機(jī)床擴(kuò)充為5 軸機(jī)床。
圖 1 典型的雙轉(zhuǎn)臺(tái)模塊
早期的A-C 轉(zhuǎn)臺(tái)模塊采用伺服電機(jī)加蝸桿渦輪傳動(dòng)副驅(qū)動(dòng)，其缺點(diǎn)是體積大，電主軸和轉(zhuǎn)臺(tái)之間的干涉位置多，導(dǎo)致可用旋轉(zhuǎn)半徑小，工件裝夾和機(jī)床操作不便。
雙轉(zhuǎn)臺(tái)式5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的創(chuàng)新點(diǎn)，集中在提高動(dòng)態(tài)性能，增加可用回轉(zhuǎn)半徑和操作方便等方面，較新穎的雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)有“搖籃式”和“臺(tái)中臺(tái)”兩種。
搖籃式的雙轉(zhuǎn)臺(tái)由帶雙耳軸的U 型A 軸搖籃轉(zhuǎn)盤(pán)和C 軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組成，圖 2 的Fehlmann公司Picomax 機(jī)床是這種雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的典型。從圖中可見(jiàn)，由于驅(qū)動(dòng)C 軸的扭矩電機(jī)的定子和動(dòng)子分別和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和搖籃轉(zhuǎn)盤(pán)集成為一體，令整個(gè)結(jié)構(gòu)變得非常緊湊，比傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)提供更大的可用旋轉(zhuǎn)半徑，此外，搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)的擺動(dòng)部分在耳軸下方，裝夾大型工件時(shí)，工件與搖籃的合成質(zhì)心與轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸線大體重合，也減少了回轉(zhuǎn)所需的扭矩。
圖 2 搖籃式雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)
臺(tái)中臺(tái)式轉(zhuǎn)臺(tái)由懸臂式的A 軸轉(zhuǎn)臺(tái)和C 軸工作臺(tái)組成，圖 3 的森精機(jī)NMV 加工中心是典型的臺(tái)中臺(tái)結(jié)構(gòu)。由于臺(tái)中臺(tái)結(jié)構(gòu)少了一個(gè)耳軸的阻擋，操作者可以從多個(gè)方向觀察和裝夾工作臺(tái)上的工件，大大提高機(jī)床的操作方便性。為了抵消大型工件對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的翻轉(zhuǎn)力矩和懸掛變形，臺(tái)中臺(tái)結(jié)構(gòu)的A 軸軸承比搖籃式的為大，設(shè)計(jì)難度較大。
圖 3 臺(tái)中臺(tái)式轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)
主軸頭雙回轉(zhuǎn)式布局
采用主軸頭雙回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床與雙轉(zhuǎn)臺(tái)式機(jī)床相反，所有回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由主軸實(shí)現(xiàn)，工件固定或只做直線運(yùn)動(dòng)。主軸頭雙回轉(zhuǎn)式機(jī)床不存在旋轉(zhuǎn)半徑和轉(zhuǎn)臺(tái)荷載限制，因此常用于加工大體積、大重量工件的機(jī)床。從構(gòu)造來(lái)看，主軸頭有擺叉式和直角回轉(zhuǎn)式兩種，圖 4 是兩種主軸頭的外形。
圖 4 擺叉式主軸頭 (左) 和直角回轉(zhuǎn)式主軸頭 (右)
由于主軸頭要避免和工件干涉，體積有一定限制，另一方面主軸頭內(nèi)部要布置多個(gè)電機(jī)和刀具夾緊裝置、加上供電、冷卻、潤(rùn)滑等管線，空間非常緊張，難以配置大功率的驅(qū)動(dòng)部件，因此一直以來(lái)主軸頭雙回轉(zhuǎn)式機(jī)床的切削功率、空間定向速度、精度都比雙轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)式機(jī)床為低，如何在體積限制下提高空間定向速度和功率，是主軸頭回轉(zhuǎn)式機(jī)床的重要?jiǎng)?chuàng)新課題。
本欄目4 月號(hào)《從機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)看創(chuàng)新軌跡》一文介紹的德國(guó)DS-Technologie公司Sprint Z3 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)主軸頭，就是采用并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以克服主軸頭雙回轉(zhuǎn)式機(jī)床在加工大型薄壁零件的拐角速度局限。德國(guó)Zimmermann 公司的M3ABC 型主軸頭則從另一方向?qū)?
求突破，圖 5 是M3ABC 的外形，圖中可見(jiàn)到該銑頭對(duì)擺叉主軸頭進(jìn)行改進(jìn)，A 軸和C 軸之間增加了B 軸，使擺叉可以沿B 軸弧形導(dǎo)軌作±15°回轉(zhuǎn)，雖然回轉(zhuǎn)角度不大、轉(zhuǎn)速不高，但已足以消除銑削拐角時(shí)的主軸翻轉(zhuǎn)死點(diǎn)問(wèn)題，并能實(shí)現(xiàn)5 面加工，開(kāi)創(chuàng)了ABC軸銑頭的新局面。
圖 5 Zimmermann M3ABC 3軸回轉(zhuǎn)主軸頭
復(fù)合回轉(zhuǎn)式布局
從前面的介紹可以看到，雙轉(zhuǎn)臺(tái)式和主軸頭雙回轉(zhuǎn)式布局各有其優(yōu)勢(shì)和局限，而復(fù)合回轉(zhuǎn)式布局，就是試圖將兩者的優(yōu)勢(shì)加以整合。采用復(fù)合回轉(zhuǎn)式布局的機(jī)床，主軸和工件各繞一個(gè)坐標(biāo)軸回轉(zhuǎn)，由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分散布置，因此空間更為充裕，容許設(shè)計(jì)人員強(qiáng)化結(jié)構(gòu)剛性和配置大功率驅(qū)動(dòng)部件。
復(fù)合回轉(zhuǎn)式機(jī)床布局可以應(yīng)用于多種不同類型的機(jī)床，當(dāng)用于5 軸加工中心時(shí)，一般會(huì)將電主軸安裝在扭矩電機(jī)上作A 或B 軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而工作臺(tái)則繞C 軸回轉(zhuǎn)，圖 6 的DMG DMU80 加工中心是這種布局的代表。
圖 6 DMG 的5軸加工中心
復(fù)合回轉(zhuǎn)式布局的另一個(gè)案例是車(chē)銑復(fù)合加工中心。車(chē)銑中心的車(chē)床主軸和銑削主軸頭都采用帶編碼器，能精確定位和鎖緊的電主軸，在車(chē)削時(shí)車(chē)床主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，銑削主軸鎖緊，作帶B 軸的車(chē)床刀架使用，而在銑削時(shí)，車(chē)床主軸則反過(guò)來(lái)作A 軸轉(zhuǎn)盤(pán)使用，圖 7的馬扎克Integrexe-420H 車(chē)銑復(fù)合加工中心是這種布局的代表。
圖 7 馬扎克的車(chē)銑復(fù)合加工中心
結(jié)語(yǔ)
由于復(fù)雜零件加工需要的拉動(dòng)以及高速、大扭矩直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)的推動(dòng)，先進(jìn)數(shù)控機(jī)床的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)標(biāo)桿已經(jīng)從“能回轉(zhuǎn)”提升為“高速回轉(zhuǎn)”和“方便使用”。例如，既要作為銑削加工進(jìn)給的工作臺(tái)，又要作為立車(chē)加工的主運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和主運(yùn)動(dòng)的集成。
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