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机床回转进给机构的创新

DESIGN NEWS China 2009.9 P14-15 张曙·卫汉华专栏

近年来，借助三维CAD 建模和有限元分析优化的紧密配合，可以精确设计出复杂而高效的各种机械产品，但与此同时，产品零件的结构和形状也日趋复杂，例如多个自由曲面、多个非正交基准、薄壁厚等，使得加工难度也越来越大。

传统数控机床的笛卡尔坐标进给运动配合球头铣刀，虽然能够加工简单的自由曲面，但因受到工具和工件之间可能的干涉限制，难以高效和准确地加工复杂的零件。因此，在直线进给运动上叠加回转进给运动的多轴联动数控机床成为当前机床产品创新的主要趋势。

数控机床的回转轴以A、B、C 表示，分别代表绕X、Y、Z 轴的回转进给运动，以3 个直线运动加2 个回转运动较为普遍。因此，5 轴联动机床的结构配置可以分为双转台式、主轴头双回转式、转台和主轴头复合回转式三种布局。

双转台式布局

双转台式5 轴联动数控机床配有一个可以沿A 和C 轴回转的工作台，工件装夹在台上跟随旋转，机床的主轴只作直线进给运动。转台式优点是主轴体积不受限制，可以选配功率大、切削效率高的主轴，而且可以将回转装置设计成为如图 1 的功能模块，将3 轴机床扩充为5 轴机床。

图 1 典型的双转台模块

早期的A-C 转台模块采用伺服电机加蜗杆涡轮传动副驱动，其缺点是体积大，电主轴和转台之间的干涉位置多，导致可用旋转半径小，工件装夹和机床操作不便。

双转台式5 轴联动数控机床的创新点，集中在提高动态性能，增加可用回转半径和操作方便等方面，较新颖的双转台结构有“摇篮式”和“台中台”两种。

摇篮式的双转台由带双耳轴的U 型A 轴摇篮转盘和C 轴回转工作台组成，图 2 的Fehlmann公司Picomax 机床是这种双转台结构的典型。从图中可见，由于驱动C 轴的扭矩电机的定子和动子分别和回转工作台和摇篮转盘集成为一体，令整个结构变得非常紧凑，比传统的回转工作台提供更大的可用旋转半径，此外，摇篮式转台的摆动部分在耳轴下方，装夹大型工件时，工件与摇篮的合成质心与转台的旋转轴线大体重合，也减少了回转所需的扭矩。

图 2 摇篮式双转台结构

台中台式转台由悬臂式的A 轴转台和C 轴工作台组成，图 3 的森精机NMV 加工中心是典型的台中台结构。由于台中台结构少了一个耳轴的阻挡，操作者可以从多个方向观察和装夹工作台上的工件，大大提高机床的操作方便性。为了抵消大型工件对转台的翻转力矩和悬挂变形，台中台结构的A 轴轴承比摇篮式的为大，设计难度较大。

图 3 台中台式转台结构

主轴头双回转式布局

采用主轴头双回转运动的5 轴联动数控机床与双转台式机床相反，所有回转进给运动由主轴实现，工件固定或只做直线运动。主轴头双回转式机床不存在旋转半径和转台荷载限制，因此常用于加工大体积、大重量工件的机床。从构造来看，主轴头有摆叉式和直角回转式两种，图 4 是两种主轴头的外形。

图 4 摆叉式主轴头 (左) 和直角回转式主轴头 (右)

由于主轴头要避免和工件干涉，体积有一定限制，另一方面主轴头内部要布置多个电机和刀具夹紧装置、加上供电、冷却、润滑等管线，空间非常紧张，难以配置大功率的驱动部件，因此一直以来主轴头双回转式机床的切削功率、空间定向速度、精度都比双转台回转式机床为低，如何在体积限制下提高空间定向速度和功率，是主轴头回转式机床的重要创新课题。

本栏目4 月号《从机床运动学看创新轨迹》一文介绍的德国DS-Technologie公司Sprint Z3 并联运动主轴头，就是采用并联运动机构，以克服主轴头双回转式机床在加工大型薄壁零件的拐角速度局限。德国Zimmermann 公司的M3ABC 型主轴头则从另一方向寻
求突破，图 5 是M3ABC 的外形，图中可见到该铣头对摆叉主轴头进行改进，A 轴和C 轴之间增加了B 轴，使摆叉可以沿B 轴弧形导轨作±15°回转，虽然回转角度不大、转速不高，但已足以消除铣削拐角时的主轴翻转死点问题，并能实现5 面加工，开创了ABC轴铣头的新局面。

图 5 Zimmermann M3ABC 3轴回转主轴头

复合回转式布局

从前面的介绍可以看到，双转台式和主轴头双回转式布局各有其优势和局限，而复合回转式布局，就是试图将两者的优势加以整合。采用复合回转式布局的机床，主轴和工件各绕一个坐标轴回转，由于回转机构分散布置，因此空间更为充裕，容许设计人员强化结构刚性和配置大功率驱动部件。

复合回转式机床布局可以应用于多种不同类型的机床，当用于5 轴加工中心时，一般会将电主轴安装在扭矩电机上作A 或B 轴回转运动，而工作台则绕C 轴回转，图 6 的DMG DMU80 加工中心是这种布局的代表。

图 6 DMG 的5轴加工中心

复合回转式布局的另一个案例是车铣复合加工中心。车铣中心的车床主轴和铣削主轴头都采用带编码器，能精确定位和锁紧的电主轴，在车削时车床主轴带动工件旋转，铣削主轴锁紧，作带B 轴的车床刀架使用，而在铣削时，车床主轴则反过来作A 轴转盘使用，图 7的马扎克Integrexe-420H 车铣复合加工中心是这种布局的代表。

图 7 马扎克的车铣复合加工中心

结语

由于复杂零件加工需要的拉动以及高速、大扭矩直接驱动电机技术的推动，先进数控机床的回转驱动技术标杆已经从“能回转”提升为“高速回转”和“方便使用”。例如，既要作为铣削加工进给的工作台，又要作为立车加工的主运动工作台，实现进给运动和主运动的集成。