裝備制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家工業(yè)的基石，其能夠?yàn)樾录夹g(shù)、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。數(shù)控工具磨床，尤其是多軸數(shù)控、多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控工具磨床，是實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量磨削，制造精密、復(fù)雜形狀刀具的高、精、尖的關(guān)鍵設(shè)備，也是各類(lèi)數(shù)控機(jī)床中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、自動(dòng)化程度較高、精度與可靠性要求較高的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品，其研究開(kāi)發(fā)具有相當(dāng)大的技術(shù)難度，較大的市場(chǎng)需求量。采用數(shù)控工具磨床對(duì)刀具進(jìn)行磨削加工，必須依靠刀具磨削加工技術(shù)及編程技術(shù)，而目前各種復(fù)雜形狀刀具的磨削加工技術(shù)與編程軟件，在國(guó)外也屬于專(zhuān)利技術(shù)或者保密技術(shù)，價(jià)格非常昂貴。鑒于此，現(xiàn)今世界上也只有極少數(shù)的廠商可以生產(chǎn)高性能的數(shù)控工具磨床。

1　五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床工作臺(tái)設(shè)計(jì)的基本要求

　　五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床作為一種高精密的數(shù)控裝備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度可靠性要求高，通常是由機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件、輔助部件與機(jī)座等組成。機(jī)床應(yīng)選用多少個(gè)坐標(biāo)軸，采用哪幾個(gè)軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，這位機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)所考慮的主要問(wèn)題。通過(guò)加工對(duì)象及加工方法分析，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床的運(yùn)動(dòng)原理可滿足任意刀具的磨削運(yùn)動(dòng)要求。其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，有轉(zhuǎn)臺(tái)式、立式、臥式、帶刀庫(kù)等布局形式，機(jī)座形式也分為有底座式、龍門(mén)式、立柱式等。為了實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，工具磨床可有多種結(jié)構(gòu)的布局形式，對(duì)應(yīng)的工作臺(tái)形式也是各不相同。

　　一般情況下，工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足以下要求：（1）刀具磨削通常要求一次裝夾來(lái)完成對(duì)工件所有切削面的粗精加工，此時(shí)，工作臺(tái)應(yīng)能夠滿足進(jìn)行多片砂輪加工的操作要求，以及自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的工作要求；（2）刀具主要是由各種復(fù)雜的曲面構(gòu)成，所以對(duì)于多軸聯(lián)動(dòng)加工的要求工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足，從而保證在工作的范圍內(nèi)各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉的現(xiàn)象；（3）工作臺(tái)既要能承受在粗磨時(shí)所產(chǎn)生的大磨削力，又要能保證在精加工時(shí)的高精度，所以要求其剛度大、運(yùn)動(dòng)精度高、穩(wěn)定性好，此外，要具有較小的熱變形。

2　五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.1　工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)

　　在刀具磨削加工的過(guò)程中，工作臺(tái)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性都會(huì)對(duì)工件的尺寸精度及輪廓的精度產(chǎn)生影響。因此，對(duì)于摩擦阻力小、系統(tǒng)穩(wěn)定、動(dòng)精度高、運(yùn)動(dòng)部件慣量小等要求，機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)需滿足，從而要求其傳動(dòng)元件必須具備摩擦阻力小、剛度大、傳動(dòng)間隙小、靈敏度高等特點(diǎn)。

　　軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床工作臺(tái)的進(jìn)給、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都可以采用單獨(dú)的伺服電機(jī)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)絲杠螺母的傳動(dòng)，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成為為直線運(yùn)動(dòng)。然后，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)控制各軸之間的聯(lián)動(dòng)，省去皮帶或者齒輪傳動(dòng)副的使用，來(lái)最大限度的減少傳動(dòng)誤差，提高傳動(dòng)的精度。此外，機(jī)床導(dǎo)軌必須具有小摩擦力，高耐磨性的要求。綜上分析，其可采用如圖1所示的滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。

　　圖2為磨床工作臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)，滾珠絲杠螺母被固定在進(jìn)給工作臺(tái)拖板的上面，X、Y、Z伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)波紋管式聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠進(jìn)行連接。滾珠絲杠在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)各個(gè)方向的拖板沿導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。數(shù)控工具磨床集粗、精加工于一體，位于三坐標(biāo)的工作臺(tái)既要能承受在粗加工時(shí)大吃刀、大走刀的最大切削力，又要能保證在精加工時(shí)的高精度。所以，對(duì)于零件要求具有剛度大、強(qiáng)度高、抗振性強(qiáng)、熱變形小、內(nèi)應(yīng)力低等特點(diǎn)。工作臺(tái)機(jī)體零件材料可以選用高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵，采用半封閉截面的鑄件，對(duì)內(nèi)部隔板和肋條進(jìn)行合理布置，并加寬其導(dǎo)軌面，從而提高整體的剛度。

3　典型數(shù)控工具磨床分析

　　澳大利亞ANCA公司開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)型產(chǎn)品ANCA　TX7+CNC型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床，采用了可變的用戶程序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行磨削，由于采用人機(jī)對(duì)話方式，能夠?qū)Ξ愋蔚毒哌M(jìn)行直接編程。該產(chǎn)品的五根數(shù)控軸分別為工件回轉(zhuǎn)A軸、工作臺(tái)移動(dòng)X、Y、Z三軸及主軸體的回轉(zhuǎn)C軸。根據(jù)三維CAD來(lái)設(shè)計(jì)的機(jī)床具有寬大的空間，主軸前端接近旋轉(zhuǎn)C軸的機(jī)械中心位置。由于機(jī)床立柱采用整體澆注的封閉龍門(mén)框架結(jié)構(gòu)，具有剛度大、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，從而保證了機(jī)床在高速?gòu)?qiáng)力切削時(shí)的穩(wěn)定性。自動(dòng)砂輪轉(zhuǎn)換器能夠在4S內(nèi)同時(shí)轉(zhuǎn)換冷卻管與砂輪，一次最多可以完成對(duì)8個(gè)砂輪的裝夾設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜刀具一次裝夾完成的全部加工。此外，由于砂輪夾緊系統(tǒng)采用錐面和端面面接觸，從而保證了高精度、高剛度的要求。

　　該機(jī)床電主軸的冷卻采用通用的外殼循環(huán)油冷卻，此外，其帶有在線動(dòng)平衡測(cè)試軟件模塊，在安裝好砂輪桿后運(yùn)行該模塊，屏幕上會(huì)提示砂輪桿的動(dòng)不平衡量及其相位角，通過(guò)人工添加配重螺釘就能完成對(duì)動(dòng)平衡的修正。ANCA　TX7+CNC型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床的各數(shù)控軸具有微米級(jí)的分辨率，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸分辨率高達(dá)0.00010°，三個(gè)直線軸分辨率達(dá)到0.0001mm。這樣，可以有效的完成對(duì)各種類(lèi)型的立銑刀、扁鉆、鉆頭，階梯和成形的刀具，帶有子刃的階梯鉆，標(biāo)準(zhǔn)的和切鋁的旋轉(zhuǎn)挫，鎖眼孔沖頭，整形移植件，杉樹(shù)形銑刀及其他特殊的刀具的設(shè)置、磨削。

4　結(jié)語(yǔ)

　　本文根據(jù)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床的加工特點(diǎn)，對(duì)磨床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的研究，總結(jié)出了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床工作臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)所遵循的要求，提出了數(shù)控工具磨床合理的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)、進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，最后對(duì)大利亞ANCA公司的TX7+CNC型工具磨床進(jìn)行了分析，對(duì)數(shù)控工具磨床及其他數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。