下面介紹一下三種五軸機(jī)床中比較大型的雙擺頭式五軸龍門(mén)機(jī)床選型技巧以及要考慮的各種因素。
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(duì)承載質(zhì)量的伺服軸有直接影響，還對(duì)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(duì)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(mén)機(jī)床時(shí)，一般選擇橫梁移動(dòng)式龍門(mén)結(jié)構(gòu)，因其工件固定不動(dòng)，工作臺(tái)的承載可不受限制。同時(shí)相對(duì)于工作臺(tái)移動(dòng)式機(jī)床長(zhǎng)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(mén)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(zhǎng)久保持精度。當(dāng)然作為五軸龍門(mén)機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)，以下優(yōu)點(diǎn)才是關(guān)鍵點(diǎn)。
1、快移速度和加速度：工作臺(tái)移動(dòng)式龍門(mén)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(tái)固定式龍門(mén)機(jī)床由于工件負(fù)載與移動(dòng)無(wú)關(guān)，無(wú)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(duì)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(tái)移動(dòng)式龍門(mén)機(jī)床的工作臺(tái)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(mén)移動(dòng)式機(jī)床盡管工件不參與運(yùn)動(dòng)，但龍門(mén)框架重心高，過(guò)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(guò)高的加速度；而橫梁移動(dòng)式龍門(mén)由于運(yùn)動(dòng)重心在橫梁上，沒(méi)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(duì)加工精度和表面粗糙度的影響：工作臺(tái)移動(dòng)式龍門(mén)機(jī)床的工作臺(tái)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(tái)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(guò)系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)簦堥T(mén)機(jī)床一般承載都較大，且工作臺(tái)本身就比較重，一旦在高速反向時(shí)因大慣量，間隙便無(wú)法忽略，產(chǎn)生過(guò)切。對(duì)橫梁移動(dòng)式龍門(mén)，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(mén)機(jī)床采用伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直連。
大型龍門(mén)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(guó)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(guò)先后運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)拉緊力來(lái)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(mén)機(jī)床的無(wú)間隙傳動(dòng)，因此極大地避免了過(guò)切，尤其是提高加速度后仍能保持高加工精度。
既然沒(méi)有間隙，就不存在過(guò)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(chéng)然其對(duì)五軸龍門(mén)機(jī)床來(lái)說(shuō)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(mén)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(shì)。
運(yùn)動(dòng)質(zhì)量對(duì)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(wú)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(wèn)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(wú)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(shì)。
當(dāng)雙擺頭式五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)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(guò)循圓來(lái)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(shuō)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T(mén)CPM、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(lái)說(shuō)，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(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。而類似于RPCP功能主要是應(yīng)用在雙轉(zhuǎn)臺(tái)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。
因此在龍門(mén)機(jī)床的三種結(jié)構(gòu)中，工作臺(tái)移動(dòng)式龍門(mén)機(jī)床一般得不到高精度和高的表面質(zhì)量；而龍門(mén)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(guò)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(méi)有傾覆力矩，非常適合高速高精度加工，也是國(guó)際上普遍使用的大型高速銑和五軸龍門(mén)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(chǎng)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(duì)于工件加工檢測(cè)，選擇在NAS件基礎(chǔ)上增加在斜圓錐面法相銑孔，這時(shí)測(cè)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(jiǎn)單介紹。首先應(yīng)根據(jù)機(jī)床所要加工的工件來(lái)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(duì)于鋁材料加工來(lái)說(shuō)，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(duì)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(guò)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(duì)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(lái)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(chǎng)合選用。
五軸頭從形式上說(shuō)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(duì)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(zhǎng)。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(duì)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(wú)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。
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(gòu)雙擺式五軸龍門(mén)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(mén)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(duì)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(guò)高速旋轉(zhuǎn)后不僅精度變化大，而且對(duì)主軸軸承的壽命也有一定影響。
當(dāng)然在雙擺頭式五軸龍門(mén)機(jī)床選型時(shí)還應(yīng)注意很多問(wèn)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。
采購(gòu)進(jìn)口五軸龍門(mén)加工中心，請(qǐng)咨詢;135 2207 9385
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(mén)機(jī)床基本采用動(dòng)梁式龍門(mén)結(jié)構(gòu)。環(huán)球機(jī)械專業(yè)生產(chǎn)各種類型的龍門(mén)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。
