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五轴联动教学机床

1.? 概述?

?????? 五轴联动数控机床不仅可以加工十分复杂的曲面，在加工工艺方面，还有许多独特的优势。首先，除工件底面外，刀具可以到达工件的所有表面，所以可一次装夹完成加工，减少了装夹工作量和夹具成本，避免了多次装夹造成的定位误差。第二，刀具姿态相对于加工表面的调整十分灵活，使切削工艺更优化，可以增加刀具与工件的接触面积，从而提高加工效率，减少切削力，提高加工的表面质量。第三，由于具有五个运动坐标，对于相同的刀具路径，可以显著缩短运行时间，从而缩短加工周期。所以五轴联动数控机床在制造业越来越受重视。

??????? 五轴联动数控机床至今仍被发达国家视为战略资源，因而价格昂贵。所以我们来搞一套便宜的五轴联动数控机床，一来可以用于五轴联动数控机床的教学培训，做到每个学员使用一台机床；二来可以在工艺品等民用行业开拓市场。例如玉器加工，目前还是浮雕类型的产品比较多见，真三维的产品都是天价。以前激光加工行业搞印章加工，彻底颠覆了传统印章业，做印章机的人也赚了很多钱。其实单单玉器产品的数量就远远超过印章的数量，而且玉器又不能用模具加工，这还真是个机会呢。
??????? 好了，下面言归正传，谈谈五轴联动教学机床。

??????? 用于教学的五轴联动数控机床，需求方面有八个特点。

1. 价格便宜，便于普及；
2. 教学用的加工件体积小，重量轻，质地松软，因而容易装夹，容易切削；
3. 对加工精度要求不高；
4. 对表面加工质量要求不高；
5. 对加工效率要求不高；
6. 机床容易维护；
7. 机床操作和加工过程与工业用五轴联动数控机床基本相同；
8. 软硬件接口与工业用五轴联动数控机床基本相同。

基于这八个特点，我们设计出了五轴联动教学机床。机床外观如图1所示。机床总体尺寸为：左右方向800mm，高度760mm，前后方向400mm。

机床的门(03)和侧门(04)使用透明材料制造，加上外罩(05)上设有多个透明窗口，方便观察机床的运行。门(03)和侧门(04)打开时，可以装夹刀具和工件，如图2所示。

2.? 结构设计

??????? 机床的机械运动是由五轴机构(06)实现的，其结构如图3所示。由于工件和刀具的装夹比较容易，因此设计中牺牲了工作台上方空间的开放性，把Y轴(06-02)传动机构放置于机床上部，放弃传统龙门式结构。这种设计的好处是XYZ三轴的重量由机架(06-07)支承，尤其是Y轴(06-02)的运动质量大大降低，可有效节约机床制造成本。机床工作台由A轴(06-04)和C轴(06-05)组成，其中，A轴(06-04)绕X轴(06-01)转动，C轴(06-05)可绕Z轴(06-03)转动。A轴(06-04)采用摇篮式结构，旋转范围为0度到90度，如图4所示。C轴可作正反方向连续旋转。A轴(06-04)和C轴(06-05)通过减速箱与伺服电机相连。
??????? X轴(06-01)实现左右方向运动，采用滚动导轨和滑动丝杠传动，丝杠通过齿形皮带与伺服电机联结。
??????? Y轴(06-02)实现前后方向运动，采用双丝杆传动。伺服电机通过2条齿形皮带与2个丝杆联结，这2个丝杆的螺旋方向相反。
??????? Z轴(06-03)实现上下方向运动，采用滚动导轨和滑动丝杠传动，丝杠通过齿形皮带与伺服电机联结。

???????? 机架材料采用低碳钢，焊接成型。其它结构件以铝合金型材为主要材料。尤其是A轴(06-04)，如果设计中考虑质量平衡，会使机床结构变得十分复杂，如果不考虑质量平衡，由于其重心不在旋转轴线上，在机床运行过程中，会产生重力扭矩。所以应当尽可能降低A轴(06-04)和C轴(06-05)的重量。Y轴(06-02)采用双螺杆传动，可以考虑不使用直线轴承和导轨。

??????? 再谈一下工艺品领域的应用。工艺品的设计，严格来说是一个创作过程，目前还没有很好的软件能满足这种需要。所以，通常利用三座标测量仪获得实物的曲面数据。这样只要艺术家创作出实物，就可以利用数控技术制作模具。
??????? 然而，针对真三维产品的测量装置都十分昂贵。我们可以利用五轴联动教学机床，把刀具换成激光测距仪器，就能实现非接触式的真三维表面测量。由于不接触被测物，所以被测物的材料选择就很灵活，例如泡沫材料。这样，产品从创作到大量加工就很容易实现了。
??????? 关于激光测量仪器，我已经研究了5年,右图为证，材料是我的左手。针对上述应用，激光测距仪器的成本不会超过500元人民币。

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3.? CAD/CAM软件配套

????? 比较成熟的具备五轴联动加工设计功能的软件产品有十多种，如Unigraphics，Pro/ENGINEER，MasterCAM和Cimatron等。这些软件可以编制刀具路径，再通过后处理转换成机床数控系统能识别的标准数控(NC)程序，并能模拟运行刀具路径验证NC程序，然后输入到数控机床中进行加工。另外，还可以模拟加工和计算加工时间，这样可以省去试切的过程，节约时间，降低材料消耗，以便提高工作效率和加工精度。这些软件通常可提供多种五轴联动加工的方法，例如五轴曲线加工、五轴钻孔加工、五轴侧壁铣削加工、五轴流线加工、四轴旋转加工等，这些方法基本上能够解决各种形式的曲面加工问题。

??????? 因此，五轴联动教学机床的控制系统需要具备处理NC程序的功能，用户可以根据自己的需要灵活选择CAD/CAM软件，实现五轴联动加工刀路的设计。

4.? 控制系统

??????? 控制系统的构成如图5所示,技术关键是实现五轴联动插补运算和控制。控制软件读取CAD/CAM软件生成的NC程序(通常称为G代码文件)，得到刀路数据。运动控制卡通过插补运算，将刀路数据转换为实时脉冲信号，传送给各轴驱动器，实现五轴联动。

5.? 结束语

??????? 按本文设计方案，可以制造出用于教学目的的简易五轴联动数控机床，售价约10万元人民币。
??????? 由于时间仓促，方案还有许多需要完善的地方，如果需要，再进一步补充。