鄒偉彪

摘要：機(jī)床構(gòu)型是五軸數(shù)控機(jī)床的機(jī)械主體，其決定著機(jī)床的規(guī)格和性能，通過機(jī)床構(gòu)型的合理設(shè)置，可以使數(shù)控機(jī)床的適用范圍更加廣泛，加工對(duì)象更加多樣化。本文通過統(tǒng)計(jì)近年來機(jī)床構(gòu)型全球?qū)＠暾?qǐng)的情況，分析了該技術(shù)基本的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)工作臺(tái)、擺頭、框架等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展路徑進(jìn)行了分析和梳理，同時(shí)，基于我國(guó)目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀提出了發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：無軸數(shù)控機(jī)床；機(jī)床構(gòu)型；工作臺(tái)；擺頭；框架

機(jī)床構(gòu)型是五軸數(shù)控機(jī)床的機(jī)械主體，其決定著機(jī)床的規(guī)格和性能，通過機(jī)床構(gòu)型的合理設(shè)置，可以使數(shù)控機(jī)床的適用范圍更加廣泛，加工對(duì)象更加多樣，能夠有效提高加工精度、加工效率和使用壽命，使數(shù)控機(jī)床可廣泛應(yīng)用于金屬塑性加工、激光焊接、激光切割、專機(jī)制造以及實(shí)用教學(xué)等領(lǐng)域。以下筆者將從關(guān)鍵技術(shù)等角度進(jìn)行分析。

通過對(duì)機(jī)床構(gòu)型的三個(gè)組成部分工作臺(tái)、擺頭和框架的專利信息進(jìn)行技術(shù)發(fā)展路線分析，從而獲取機(jī)床構(gòu)型的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，從專利申請(qǐng)的角度了解技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。

關(guān)于工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，按其形式可以分為以下幾種類型：普通工作臺(tái)、并聯(lián)式工作臺(tái)和樞轉(zhuǎn)橋式工作臺(tái)。較早出現(xiàn)的五軸數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)為普通式工作臺(tái)，如馬赫工具研究所1972年在專利申請(qǐng)SU491252A1中提出的帶有旋轉(zhuǎn)刀具的五軸數(shù)控機(jī)床，主軸箱可圍繞平行于工作臺(tái)安裝方式的軸線旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)僅在X軸方向帶動(dòng)工件實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。德國(guó)DMG于1990年在專利申請(qǐng)DE4012690A1中提出一種五軸機(jī)床，其工作臺(tái)采用了樞轉(zhuǎn)橋的形式。1999年，F(xiàn)RAUNHOFER GES FOERDERUNG在專利申請(qǐng)EP1224055B1中提出一種并聯(lián)式工作臺(tái)，通過三個(gè)線性組件分別與工作臺(tái)鉸接控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，只需簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)軸承，減小了工作空間的摩擦。2000年株式會(huì)社三共制作所在專利文獻(xiàn)JP2002126958A中提出了一種通過弧面凸輪形式驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，通過滾子齒輪凸輪齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的高精度旋轉(zhuǎn)，消除傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)的間隙實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2005年提出了一種采用三自由度RPS機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的五自由度數(shù)控銑床，其為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，加工、制造、安裝都極為方便，并且加工精度高，并且易編程、易控制。隨后在2006年，德國(guó)DMG在DE102006034123B4中提出一種鉆銑床，在滑座中提供充當(dāng)橋接器的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的電動(dòng)同步力矩電機(jī)以及用于兩個(gè)滑座的移位運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)同步線性電機(jī)，力矩電機(jī)即使在相對(duì)較低速度的情況下也可產(chǎn)生高力矩和高定位精度，保證了橋式工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度。2008年，沈陽(yáng)機(jī)床提出了CN201316907Y，一種基于內(nèi)轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)的直驅(qū)式雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)，提供一種直驅(qū)式雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)，結(jié)構(gòu)緊湊，散熱效果好，磨損小，精度高，扭矩大，受力更均勻，運(yùn)行平穩(wěn)。東臺(tái)精機(jī)股份有限公司2014年在TW201607672中提出一種包含4組轉(zhuǎn)臺(tái)的工作臺(tái)，每?jī)山M轉(zhuǎn)臺(tái)放置于一個(gè)樞轉(zhuǎn)橋上與兩組主軸對(duì)應(yīng)，增加了加工機(jī)的加工范圍，并可提高加工效率以及精確度。

關(guān)于擺頭機(jī)構(gòu)，1972年，馬赫工具研究所在專利文獻(xiàn)SU491252A1中提出的帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機(jī)床，主軸箱可圍繞平行于工作臺(tái)安裝方式的軸線旋轉(zhuǎn)，工具頭固定在旋轉(zhuǎn)器的下端，與軸成一定角度。1985年，德國(guó)希斯公司于專利文獻(xiàn)DE3511790A1中提出了一種可在橫梁上沿水平X軸、垂直Z軸方向運(yùn)動(dòng)的工作頭，工作頭可以沿A軸進(jìn)行左右擺動(dòng)。1992年，沃爾特公司于專利文獻(xiàn)DE4242906A1中提出了一種數(shù)控磨床，磨削主軸設(shè)置在剛性、無扭曲的龍門上，磨頭相對(duì)床身可繞至少一根軸線是擺動(dòng)。1996年，德國(guó)申請(qǐng)人GRINGEL M和HEISEL U在專利DE19640769 A1中提出了一種數(shù)控機(jī)床耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有較高的剛性和線性傳動(dòng)比。2002年，德克爾·馬霍普夫龍滕有限責(zé)任公司于專利文獻(xiàn)DE20204365U中公開了一種用于萬(wàn)能銑床的主軸頭，它包括箱體、工作主軸和第二主軸單元，箱體旋轉(zhuǎn)安裝在機(jī)床部件上，工作主軸在箱體內(nèi)軸向平行地安裝且被直接驅(qū)動(dòng)，箱體的背面上，安裝有可繞兩軸調(diào)整的第二主軸單元，第二主軸單元包括可旋轉(zhuǎn)的叉頭。2010年，沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）設(shè)計(jì)研究院有限公司于專利文獻(xiàn)CN102009219 A中公開了一種A軸自動(dòng)交換式A/C軸雙擺角數(shù)控萬(wàn)能銑頭，本銑頭A軸單元的U型叉體后端的外圓周上設(shè)與C軸單元的上齒盤嚙合的下齒盤，U型叉體后端面圓周方向設(shè)置與C軸單元對(duì)應(yīng)的液壓快換接頭和拉釘缸，U型叉體上端內(nèi)圓周的A軸電氣支架上設(shè)置與C軸單元對(duì)應(yīng)的電氣快換接頭。2012年，弗迪亞有限公司于專利文獻(xiàn)EP2707175 A1中公開了一種用于機(jī)床的刀具承載端頭，刀具承載端頭，在具有高結(jié)構(gòu)剛性的同時(shí)具有最佳動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，適用于在需要高切割力、由鐵類材料或非鐵類材料制成的零件上進(jìn)行切削加工，具有高的刀具定位精度，用于對(duì)在形狀和表面光潔度兩個(gè)方面都具有高尺寸精度的零件進(jìn)行機(jī)加工。2013年，株式會(huì)社牧野銑床制作所在專利文獻(xiàn)WO2015037155A1 中提出了一種機(jī)床，通過引導(dǎo)件的設(shè)置，相對(duì)于立柱沿著上下方向移動(dòng)的方式安裝并支撐主軸頭，能夠防止移動(dòng)體或滑塊變形，尤其是扭轉(zhuǎn)變形。

關(guān)于框架結(jié)構(gòu)，五軸數(shù)控機(jī)床的框架結(jié)構(gòu)中龍門結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛、形式最為多樣且調(diào)節(jié)最為靈活的設(shè)置方式，主要有傳統(tǒng)的固定式、動(dòng)梁式、動(dòng)柱式以及天車式，并且機(jī)床框架是與擺頭結(jié)構(gòu)相結(jié)合并承載擺頭結(jié)構(gòu)的機(jī)床構(gòu)件，隨著擺頭結(jié)構(gòu)的演進(jìn)其會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的變形和適應(yīng)性的調(diào)整。1996年，美國(guó)專利文獻(xiàn)US5854460A公開了一種直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的激光切割設(shè)備，其框架采用天車形式，承載激光加工頭的橫梁通過滑軌在直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下能夠前后移動(dòng)進(jìn)而改變加工頭的位置。2006年，日本山崎馬扎克公司于專利文獻(xiàn)JP2006035360A中公開了一種五軸加工設(shè)備，該加工設(shè)備的框架設(shè)置為動(dòng)梁式，通過橫梁的縱向移動(dòng)調(diào)整加工頭在Z軸方向的位置。2001年，中國(guó)臺(tái)灣申請(qǐng)人財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院于專利文獻(xiàn)CN2500427Y中公開了一種龍門型并聯(lián)式五軸工具機(jī)，該工具機(jī)框架設(shè)置為天車形式并搭載并聯(lián)結(jié)構(gòu)的主軸頭。2007年，東寶工程公司于專利文獻(xiàn)JP2007210096 A中公開了一種五軸加工設(shè)備，該設(shè)備的框架結(jié)構(gòu)設(shè)置成動(dòng)柱式，通過立柱與底座的相對(duì)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)加工頭位置的調(diào)節(jié)。

總體來說，我國(guó)關(guān)于五軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)型的專利申請(qǐng)要晚于歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，在擺頭結(jié)構(gòu)方面，中國(guó)申請(qǐng)總體集中于傳動(dòng)間隙消除的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，而發(fā)達(dá)國(guó)家申請(qǐng)人目前的研究方向傾向于振動(dòng)抑制，我國(guó)申請(qǐng)人在該方面應(yīng)注重關(guān)注德瑪吉森精機(jī)以及山崎馬扎克的相關(guān)專利申請(qǐng)和相關(guān)研究人員的研究成果；在框架結(jié)構(gòu)方面技術(shù)已經(jīng)較為成熟；在工作臺(tái)結(jié)構(gòu)方面，中國(guó)申請(qǐng)總體集中在機(jī)械傳動(dòng)中的蝸輪蝸桿/齒輪傳動(dòng)和電機(jī)直驅(qū)方面的改進(jìn)，而發(fā)達(dá)國(guó)家申請(qǐng)?jiān)诰雀叩臋C(jī)械傳動(dòng)弧面凸輪上研究也比較多，而我國(guó)在這方面研究起步較晚，我國(guó)申請(qǐng)人也主要集中在高校，我國(guó)應(yīng)加大這方面的研究和突破，優(yōu)先進(jìn)行專利申請(qǐng)和布局，并進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)結(jié)合，將其投入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。