隨著國內(nèi)數(shù)控技術(shù)的日漸成熟，近年來五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心在各領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，需要加工高精度的異形復(fù)雜零件時(shí)，五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)無疑是解決這類加工難題的重要手段。
五軸加工中心是用主軸轉(zhuǎn)動(dòng)來完成切削加工，使工件在外形精度、位置精度、以及工件的外表面都能完全性的生產(chǎn)加工等多方面到達(dá)運(yùn)用要求的一種先進(jìn)切削加工方法。五軸加工中心不是單純的將車削和銑削兩種加工手段兼并到一臺機(jī)床上，而是應(yīng)用五軸加工中心的主軸運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)各類精密模具或合金、復(fù)合材料等生產(chǎn)加工，是在現(xiàn)在的數(shù)控技術(shù)得到較大發(fā)展的條件下發(fā)生的一種新的切削實(shí)踐和切削技巧。
五軸加工機(jī)床的分類
五軸機(jī)床根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可以分為一般分為三種結(jié)構(gòu)：搖籃式、單擺頭+單轉(zhuǎn)臺、雙擺頭式。一般來說搖籃式五軸機(jī)床所加工的工件直徑不超過800mm，質(zhì)量（含工裝）不超過500kg，這時(shí)需根據(jù)工件及工裝質(zhì)量、加工加速度計(jì)算旋轉(zhuǎn)到A 軸最大位置時(shí)的扭矩是否過載。
雙擺頭式五軸機(jī)床盡管工件不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件的尺寸和質(zhì)量可以很大，但仍需考慮各線性軸的慣量能否滿足機(jī)床的整體響應(yīng)性能，以及AC軸的扭矩是否能夠滿足主軸的需求。除工件尺寸、質(zhì)量的區(qū)別外，主軸方式也是一個(gè)重要區(qū)別。
（環(huán)球雙擺頭式五軸機(jī)床）
一、主體結(jié)構(gòu)
在五軸機(jī)床運(yùn)行時(shí)，工件質(zhì)量為關(guān)鍵參數(shù)，不僅對承載質(zhì)量的伺服軸有直接影響，還對承載工件軸的速度、加速度、慣量及響應(yīng)性能等均有決定性的影響。
對于大型工件，較大的質(zhì)量不僅影響機(jī)床的速度、效率，還影響了五軸機(jī)床的表面粗糙度及精度。因此在選擇雙擺頭式龍門機(jī)床時(shí)，一般選擇橫梁移動(dòng)式龍門結(jié)構(gòu)，因其工件固定不動(dòng)，工作臺的承載可不受限制。同時(shí)相對于工作臺移動(dòng)式機(jī)床長期負(fù)重運(yùn)動(dòng)，必然導(dǎo)致導(dǎo)軌磨損加速，精度下降迅速。橫梁移動(dòng)式龍門結(jié)構(gòu)，由于質(zhì)量負(fù)載是定值，只要在設(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的導(dǎo)軌，機(jī)床即可長久保持精度。當(dāng)然作為五軸龍門機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)，以下優(yōu)點(diǎn)才是關(guān)鍵點(diǎn)。
（橫梁式龍門五軸的優(yōu)勢）
1、快移速度和加速度：工作臺移動(dòng)式龍門機(jī)床在空載時(shí)一般都能達(dá)到其標(biāo)注的設(shè)計(jì)速度，但隨著工件質(zhì)量的增加，其移動(dòng)速度必然大幅下降影響效率。而工作臺固定式龍門機(jī)床由于工件負(fù)載與移動(dòng)無關(guān)，無論承載多重的工件， 均能確保保持設(shè)計(jì)速度，這在較大機(jī)床上很有意義。
用戶在關(guān)注快移速度時(shí)，往往忽略加速度。其實(shí)快移速度對加工效率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如加速度的影響，尤其是在一些復(fù)雜形狀的工件加工上，加速度提高后有時(shí)加工效率能提高數(shù)倍。由于工作臺移動(dòng)式龍門機(jī)床的工作臺負(fù)載是個(gè)變量，一旦其設(shè)置較大的加速度，放置較重工件后，機(jī)床就會(huì)發(fā)生振動(dòng)、沖擊等進(jìn)而損壞傳動(dòng)系統(tǒng)；龍門移動(dòng)式機(jī)床盡管工件不參與運(yùn)動(dòng)，但龍門框架重心高，過高的加速度容易產(chǎn)生較大傾覆力，造成機(jī)床損壞，也不宜設(shè)置過高的加速度；而橫梁移動(dòng)式龍門由于運(yùn)動(dòng)重心在橫梁上，沒有大的傾覆力矩，且運(yùn)動(dòng)質(zhì)量保持不變，因此只要選擇合適的伺服電動(dòng)機(jī)便可獲得很高的加速度，甚至可以接近于立式加工中心。這樣不僅能夠提高加工效率，還能提高加工表面質(zhì)量。
2、結(jié)構(gòu)對加工精度和表面粗糙度的影響：工作臺移動(dòng)式龍門機(jī)床的工作臺傳動(dòng)由于自重較重，必須采用伺服電動(dòng)機(jī)加行星減速箱減速才能提供足夠的驅(qū)動(dòng)力。在工作臺不重或移動(dòng)速度不快時(shí)，行星減速箱的間隙一般可以通過系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)?，但龍門機(jī)床一般承載都較大，且工作臺本身就比較重，一旦在高速反向時(shí)因大慣量，間隙便無法忽略，產(chǎn)生過切。對橫梁移動(dòng)式龍門，采用雙邊驅(qū)動(dòng)，不能使用有間隙的機(jī)構(gòu)，因此一般較小規(guī)格的龍門機(jī)床采用伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直連。
大型龍門機(jī)床由于使用齒輪齒條傳動(dòng)，齒輪齒條和減速箱結(jié)構(gòu)均有間隙，因此國際上較先進(jìn)方法是采用同向差速消隙同步運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，即橫梁的兩邊各采用兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)帶行星減速箱驅(qū)動(dòng)，通過先后運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)拉緊力來消除減速箱和齒輪齒條間的間隙。同時(shí)，兩邊的兩組還必須保持同步運(yùn)動(dòng)。由于橫梁移動(dòng)式龍門機(jī)床的無間隙傳動(dòng)，因此極大地避免了過切，尤其是提高加速度后仍能保持高加工精度。
既然沒有間隙，就不存在過切現(xiàn)象，就能提高加速度，同時(shí)機(jī)床運(yùn)動(dòng)負(fù)載不變，這樣慣量比也能保持出廠所調(diào)試的較高值。此時(shí)可調(diào)高例如增益等關(guān)鍵性電器參數(shù)值，機(jī)床電器性能得到提升，進(jìn)而得到高表面質(zhì)量。
二、電氣精度及響應(yīng)性能
普通機(jī)床買家在選擇機(jī)床時(shí)，一般會(huì)重視機(jī)床的幾何精度，誠然其對五軸龍門機(jī)床來說非常重要，但電氣精度和響應(yīng)性能同樣關(guān)鍵。動(dòng)梁式龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)具備運(yùn)動(dòng)質(zhì)量恒定不變的特點(diǎn)，因此在電氣性能上有著先天性穩(wěn)定優(yōu)勢。
運(yùn)動(dòng)質(zhì)量對伺服慣量比及加速度有本質(zhì)性影響，如果運(yùn)動(dòng)質(zhì)量產(chǎn)生變化，則慣量一定變化，亦即電氣精度參數(shù)一定變化，而機(jī)床出廠時(shí)所確定的參數(shù)是依據(jù)調(diào)試時(shí)的負(fù)載而設(shè)定的，一旦運(yùn)動(dòng)質(zhì)量有較大變化，伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也產(chǎn)生變化，但此時(shí)用戶一般無法調(diào)整這些參數(shù)，直接導(dǎo)致電氣精度降低。此時(shí)所指高精度不是點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)的精度，亦不是幾何精度，而是插補(bǔ)精度同向差速消隙同步運(yùn)動(dòng)精度。這就是客戶在驗(yàn)收機(jī)床時(shí)工件精度合格，但放上較大工件后精度變化嚴(yán)重下降的問題所在。而橫梁移動(dòng)式機(jī)床由于運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量是恒定值，工件無論輕重都不影響各軸的伺服性能，因此在電氣參數(shù)的穩(wěn)定性和一致性上具有極高優(yōu)勢。
當(dāng)雙擺頭式五軸聯(lián)動(dòng)龍門機(jī)床的五軸頭旋轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)角度時(shí)，機(jī)床的線性軸需要跟隨到達(dá)預(yù)定位置，稱為RTCP功能。高精度數(shù)控機(jī)床若要得到高精度，各軸響應(yīng)必須一致。因此各軸要有很好的伺服特性和慣量匹配，進(jìn)而必須控制穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，這樣才能保證特性并通過循圓來驗(yàn)證。
RTCP，在高檔五軸數(shù)控系統(tǒng)里，認(rèn)為RTCP即是Rotated Tool Center Point，也就是我們常說的刀尖點(diǎn)跟隨功能。在五軸加工中，追求刀尖點(diǎn)軌跡及刀具與工件間的姿態(tài)時(shí)，由于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生刀尖點(diǎn)的附加運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)控制點(diǎn)往往與刀尖點(diǎn)不重合，因此數(shù)控系統(tǒng)要自動(dòng)修正控制點(diǎn)，以保證刀尖點(diǎn)按指令既定軌跡運(yùn)動(dòng)。業(yè)內(nèi)也有將此技術(shù)稱為TCPM、TCPC或者RPCP等功能。其實(shí)這些稱呼的功能定義都與RTCP類似，嚴(yán)格意義上來說，RTCP功能是用在雙擺頭結(jié)構(gòu)上，是應(yīng)用擺頭旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)來進(jìn)行補(bǔ)償。而類似于RPCP功能主要是應(yīng)用在雙轉(zhuǎn)臺形式的機(jī)床上，補(bǔ)償?shù)氖怯捎诠ぜD(zhuǎn)所造成的的直線軸坐標(biāo)的變化。其實(shí)這些功能殊途同歸，都是為了保持刀具中心點(diǎn)和刀具與工件表面的實(shí)際接觸點(diǎn)不變。
軌跡插補(bǔ)示意圖
因此在龍門機(jī)床的三種結(jié)構(gòu)中，工作臺移動(dòng)式龍門機(jī)床一般得不到高精度和高的表面質(zhì)量；而龍門移動(dòng)式機(jī)床在急加減速時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)傾覆力矩，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)不能有快速響應(yīng)，否則會(huì)導(dǎo)致精度變化及過切。因此這兩種結(jié)構(gòu)均不適合大型工件的高精度五軸加工要求；橫梁移動(dòng)式結(jié)構(gòu)由于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量可控且沒有傾覆力矩，非常適合高速高精度加工，也是國際上普遍使用的大型高速銑和五軸龍門的結(jié)構(gòu)。
那么為了鑒別電氣精度是否滿足高水平機(jī)床的要求，筆者建議采用各線性軸兩兩循圓（各五軸系統(tǒng)均支持，可在現(xiàn)場看到），循圓采用的參數(shù)為F4 000～F5 000mm/min（ 接近于使用速度）， 圓直徑為50mm，越小越能看出響應(yīng)性能。在全閉環(huán)下可達(dá)到0.01mm以內(nèi)的誤差值，此時(shí)全閉環(huán)反映的是實(shí)際結(jié)果，半閉環(huán)反映的僅是電氣性能本身。對于工件加工檢測，選擇在NAS件基礎(chǔ)上增加在斜圓錐面法相銑孔，這時(shí)測量孔的形狀和位置誤差應(yīng)小于0.1mm。
三、五軸頭如何選擇？
作為五軸機(jī)床的最關(guān)鍵部件，五軸頭的選擇也十分關(guān)鍵，下面就五軸頭的選擇做一些簡單介紹。首先應(yīng)根據(jù)機(jī)床所要加工的工件來選擇， 一般分為鋁加工、鈦合金等難加工材料、高檔塑料模具的精加工以及復(fù)合材料的加工。對于鋁材料加工來說，主軸扭矩一般能夠達(dá)到30N·m以上，功率20～35kW，主軸采用HSK A63形式，最高轉(zhuǎn)速18000r/min。對于鈦合金等難加工材料，如主軸為電主軸，則建議主軸扭矩至少應(yīng)在300～500N·m才能滿足一般的中等余量切削，主軸為A100，此時(shí)最高轉(zhuǎn)速為8000r/min。如果切削余量較大則建議選擇機(jī)械式主軸，扭矩可達(dá)到1 000N·m，可滿足一些重切削的要求，但轉(zhuǎn)速一般不會(huì)超過3000r/min。高檔模具尤其是高檔塑料模具的加工，一般以精加工為主，盡管模具鋼材料硬度較高，但前工序已經(jīng)大量去除余量，在五軸機(jī)床上僅是找平式的粗加工，加工余量在0.2mm內(nèi)，但對精度及表面粗糙度的要求近乎苛刻， 因此主軸扭矩一般在60N·m以上，功率為25kW，主軸為A63，最高轉(zhuǎn)速18000r/min。
復(fù)合材料應(yīng)視具體材料而定，但一般主軸扭矩應(yīng)在20N·m以上，功率為15kW，要注意五軸頭應(yīng)具有吸塵及密封的功能。
從AC 旋轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)來看，一般應(yīng)以力矩電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)為主，速度、加速度及精度保持性均較高，選擇時(shí)應(yīng)該注意是否需要?jiǎng)x車。當(dāng)然主軸扭矩達(dá)500N·m～1 000N·m后，AC軸也有采用機(jī)械式的，此時(shí)剛性較好，但由于耐磨性及速度響應(yīng)性不好，一般在轉(zhuǎn)速要求較低的難加工材料加工場合選用。
五軸頭從形式上說有兩種主流形式，一種是雙臂式，另一種是單臂式，直觀地看，雙臂式由于A軸雙邊驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力增大，但需要考慮大驅(qū)動(dòng)力是否有實(shí)際應(yīng)用意義。比如單臂的力矩是否也滿足了應(yīng)用要求，應(yīng)考慮加工尺寸干涉，尤其是對一些內(nèi)腔加工，往往雙臂式會(huì)產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致刀具加長。在一些特殊工件加工時(shí)，由于單臂式的主軸中心到主軸外的尺寸很小，可以滿足于狹窄尺寸，而且當(dāng)C 軸旋轉(zhuǎn)180°后，可實(shí)現(xiàn)對邊狹窄位置加工，因此實(shí)際加工范圍大于雙臂式，這點(diǎn)需要用戶重點(diǎn)考慮。但在有重切削尤其是難加工材料加工時(shí)，還是建議選擇雙臂式。如果雙臂式不是雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，應(yīng)盡量避免選擇，無驅(qū)動(dòng)邊不僅不一定能夠起到支撐作用，還可能產(chǎn)生非線性阻力，影響精度和表面粗糙度。在選擇雙邊驅(qū)動(dòng)的雙臂式五軸頭時(shí)，還要注意雙電動(dòng)機(jī)的同步控制。
雙臂式（左圖）和單臂式（右圖）
很多用戶在選擇五軸機(jī)床時(shí)想功能全面，這時(shí)一定要慎重， 如果選擇不好，不僅效率低，還會(huì)造成五軸頭的損壞，影響使用。這時(shí)需要盡量客觀地從實(shí)際加工工藝出發(fā)，理性選擇。
根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在選擇滿足模具加工的五軸頭基礎(chǔ)上，也可以加工鋁件，同時(shí)可以加工中粗精度的一般鋼件，該方法目前通用性較高。有些航空航天的用戶在選擇五軸時(shí)，期望既能加工鈦合金類產(chǎn)品，又能加工鋁，但很可能會(huì)出現(xiàn)鈦合金加工時(shí)剛性不足、扭矩不夠，而鋁加工時(shí)轉(zhuǎn)速不夠，效率、精度都不能滿足的情況。
四、機(jī)床其他零部件的選擇
在選購雙擺式五軸龍門機(jī)床時(shí)還應(yīng)注意一些主要部件的選擇。目前市面上出現(xiàn)了直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，速度快、加速度高，但應(yīng)注意所有線性軸和旋轉(zhuǎn)軸是否均為直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。若還有絲杠驅(qū)動(dòng)，有可能造成加速度不匹配，否則要遷就最弱的一向，不能完全發(fā)揮作用。同時(shí)還應(yīng)注意直線電動(dòng)機(jī)的能耗，絲杠和齒輪齒條傳動(dòng)均是減速增力機(jī)構(gòu)，實(shí)際耗能減少，而直線電動(dòng)機(jī)是電轉(zhuǎn)磁力直接驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)耗電成倍提高。
光柵尺是五軸龍門機(jī)床必不可少的功能部件，全閉環(huán)提高的精度是位置環(huán)精度，而非速度環(huán)和電流環(huán)精度，因此在點(diǎn)位加工時(shí)，全閉環(huán)可以提高加工精度，但在插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)中，要得到好的輪廓精度和表面粗糙度，依靠的是速度環(huán)及電流環(huán)等電氣參數(shù)匹配以及獲得好的全閉環(huán)循圓效果。
激光對刀儀也是建議選擇的功能部件，由于五軸機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)，因此一般選擇熱縮式刀柄或液壓張緊式刀柄。不建議采用普通夾頭式刀柄，如果刀柄本身動(dòng)平衡不好或裝夾不好，經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)后不僅精度變化大，而且對主軸軸承的壽命也有一定影響。
環(huán)球機(jī)械客戶五軸龍門機(jī)床應(yīng)用現(xiàn)場
當(dāng)然在雙擺頭式五軸龍門機(jī)床選型時(shí)還應(yīng)注意很多問題，例如有些采用鋼結(jié)構(gòu)焊接的床身，應(yīng)注意焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工藝和時(shí)效工藝等，建議用戶慎重選擇；地基制作時(shí)應(yīng)注意一定要設(shè)計(jì)合理、承載富余（有些南方地形還建議打樁）、保養(yǎng)充分；在選擇復(fù)合材料加工時(shí)要注意吸塵及車間環(huán)境影響等。因此建議用戶理性選擇，在技術(shù)上可充分交流。
環(huán)球機(jī)械客戶五軸龍門機(jī)床應(yīng)用現(xiàn)場
五、總結(jié)
綜上所述，目前行業(yè)主流的大型高速銑及雙擺頭式五軸聯(lián)動(dòng)龍門機(jī)床基本采用動(dòng)梁式龍門結(jié)構(gòu)。環(huán)球機(jī)械專業(yè)生產(chǎn)各種類型的龍門式五軸機(jī)床，技術(shù)成熟穩(wěn)定，加工精度、效率及表面光潔度達(dá)到歐州同類機(jī)型水平。已成功應(yīng)用于精密模具、航空航天等諸多行業(yè)，成為眾多大型模具企業(yè)、航空航天等領(lǐng)域客戶的重要合作伙伴。
