五轴高速加工数控技术应用分析

3 并联结构五轴联动的特点与应用

　　传统机床布局是以床身、立柱、横梁等作为支承部件，主轴和工作台滑板沿支承部件上的导轨移动，按照X、Y、Z坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀位点的加工表面轨迹。并联运动机床的基本布局特点是，以机床框架为固定平台的若干杆件组成空间并联机构，工件或主轴部件安装在并联机构的动平台上，如图5和图6所示，通过改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀位点的加工表面轨迹。

　　图5和图6所示的6自由度空间并联机构，各自均由动平台、固定平台和6个并联的、可独立自由伸缩的杆件组成，伸缩杆和平台问通过球铰链连接，以伸缩杆的位移作为输入变量，控制动平台6个自由度(6个坐标轴X、Y、Z、A、B、C)的运动，实现空间位置和姿态的改变。

图5 工作台并联回摆结构

图6主轴头并联回摆结构

　　并联运动机床与传统机床相比具有如下优点：

　　(1)运动部件质量轻，运动惯量小，动态特性好，容易实现高速化。

　　(2)刚度高，且便于通过预加载荷，提高机床部件刚度，承载能力与整机质量比大。

　　(3)不存在误差累计，便于获得较高的运动精度。

　　(4)标准化程度高，容易实现模块化。单一的并联结构机床存在的最大问题是工作空问与机床体积比小，灵活性较差，以及摆动角度的限制(一般不超过30°)，采用串、并混联结构可以较好的解决这些问题。

4 五轴联动与高速加工

　　五轴联动数控机床主要是为适应多面体和曲面零件的加工而出现的。五轴联动数控机床属于高档数控机床的范畴：除了配置高性能的五轴联动数控系统外，其它整体配置都很高，主轴部分也不例外，一般均采用高性能的电主轴部件，从而实现主轴高速化。采用五轴联动数控机床，可以实现最大限度的工序集中，通过对回转坐标的分度控制改变工件的方位，实现在一次装夹下对工件不同表面的加工，大大提高生产效率与加工表面间的位置精度。在曲面加工时，也只有五轴联动数控机床，才能真正实现高速加工。如图7所示，当使用球头铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时图a，由于球头铣刀的顶点切削线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用五轴联动数控机床，刀具与工件间可以通过回转轴控制相对转过一个角度图b，使球头铣刀避开顶点切削，保证有一定的切削线速度，从而提高表面加工质量。这在模具高精度曲面加工中非常重要，而采用三轴数控机床则是无法做到的。

图7球头刀加工曲面 

　　实践表明，一台五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于两台三轴数控机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用，带来十分显著的经济效益。

5 结束语

　　在大众的印象中，五轴联动高速加工机床十分昂贵，属于“贵族”设备，而且在技术上受到国外的封锁，可望而不可及。但是，近年来随着数控技术的高速发展，国内五轴联动技术取得了突破性进展，四开、华中等多家数控公司纷纷推出五轴联动数控系统，并与机床配套形成整机生产能力，从而打破了国外技术封锁，大大降低了其应用成本，使得五轴联动高速加工技术普及化成为可能。相信在不久的将来，随着五轴联动加工技术的推广普及，必将为中国成为世界制造强国奠定坚实的基础。