摘要：在制造业快速发展的背景下，数控技术及数控机床得到了广泛的应用，六轴数控机床在继承五轴数控机床高效率、高质量加工优势的基础上更能够完成复杂的曲面加工与曲线加工，所以，探究六轴数控机床的机械结构设计具有重要的现实意义。在数控机床机械结构设计方面，随着计算机图形学、可视化技术、数控加工仿真技术的发展与应用，刀具轨迹、加工成型以及加工过程均能够被形象地展现在屏幕上，为操作者检查程序的正确性、验证数控程序的可靠性提供了便利，基于信息技术进行数控机床机械结构设计已经成为数控机床设计最为经济高效的办法。基于此，本文围绕六轴数控机床结构设计，基于信息技术的应用设计了一套机床结构方案，分析了机床的布局、结构与动态特性，旨在推动六轴数控机床在制造产业中的广泛应用。
关键词：数控机床,机械结构,设计
世界各国在科技发展的过程中对具有高速高精优点的数控技术均予以了高度的重视，工业发达的国家数控化率已经达到了80%以上，目前数控技术的发展已经进入到了如火如荼的阶段。随着中国社会经济的快速发展，数控技术被广泛应用于制造产业转型升级之中，但存在部分企业在生产实践中所应用的数控机床仍属中低档产品，其生产效率和生产精度相对较差，需要经历多次设计、试模、修模的过程才能够获得高精准度的工件或模具，无法保证工件的生产质量和生产数量，由此可见高速高精的数控机床对于企业的生产与营利、制造业的快速发展尤为重要。
1六轴联动数控机床
六轴联动数控机床能够模拟任意空间三维曲面，可满足当下制造业领域中日益复杂化的零件加工需求。六轴联动数控机床在制造业领域中的广泛应用解决了传统模具加工过程中的周期长、成本高的特点，通过依照3D软件设计的规模进行模具加工，可保证加工获得的模具更为精准高效。例如德国Plie zhausen的Edel所生产的CyPort龙门铣床具备较高的动态性能，同时能够实现多轴联动铣削、0.001°的标准定位精度以及360°/s的回转速度，因加工精度的提升，部分工件加工无需再进行磨削或抛光，有效地缩短了一批次工件的出厂时间。
六轴联动数控机床的结构是在五轴数控机床结构的基础上取消了用于转换转速、转矩的附加附件，此类附加部件多为机床的变速传动装置，而后设置回转工作台增添第六个轴，基于高度精角度测量系统保证回转工作台的高定位精度，一般通过控制推力向心轴承达到回转工作台高轴承精度的目标。六轴联动数控机床能够使刀具在最佳的几何形状条件下进行工件加工，加工后的工件表面光洁度较高，诸多实践表明，一台六轴联动数控机床的模具加工速度等同于2-3台三轴联动数控机床同时工作的工作效率，尽管六轴联动数控机床的优势显著，但因控制复杂、产品价格高、编程难度大等诸多因素的影响，在国内六轴联动数控机床的发展相对缓慢。
2机床设计方案
2.1技术参数
工件加工精度。工件平面度5μm；工件表面粗糙度Ra0.6μm；工件加工精度IT5μm。
主轴径向跳动。机床主轴轴向窜动≤0.003mm；机床定位精度±0.005mm；机床的重复定位精度±0.003mm；机床回转分度的定位精度±0.005°。
2.2机床各加工指标的技术参数
机床的外观尺寸1400mm×1600mm×1800mm；机床的X/Y/Z快速进给速度600mm/min；机床的实际净重＜900kg；机床的摆动头分度数0.005°;机床的回转工作台（C轴）分度数0°~360°;机床的摆动头（B轴）分度数-90°~+90°;机床的回转工作台（A轴）分度数-15°~+15°机床X/Y/Z进给形程800mm×1000mm×360mm；机床主轴的转速24000r/min；机床的最大功率＜2.0kW；机床主轴距离底座的距离＜790mm；机床定位的精度0.005mm。
2.2结构布局
2.2.1布局思路
目前制造业对于工件加工设备提出了智能化、高精度、高效率的要求，尤其对于军工、模具等高精工件的加工，精度要求极高，所以，在六轴联动数控机床结构布局的过程中应将机床的加工范围纳入考量内容。机床的结构布局应设计各个部件之间的相对运动关系，并基于相对运动关系布置各个部件在空间层面上的相对位置关系，确定机床操纵部分与控制部分在机床整体结构中的位置，并注重设计重量较轻的运动部件、关注机床的传动精度与部件的刚度、工件进给运动的方向（竖直方向、横向与纵向）。
研究所设计的六轴联动数控机床采取的结构形式为工作台载工件做同一方向的直线进给运动，由铣削部件在横梁上往返移动完成其他两个方向的进给运动。为提升机床拆卸装配的灵活性研究基于模块化的方式设计机床，即将机床的整体结构拆分为若干模块，从而减少非标准件的数量。
2.2.2布局模拟
基于计算机可视化技术模拟六轴联动数控机床的布局：涵盖机床的电控柜、换刀架、变位工作台、主轴、横梁、机床立柱、机床底座。其中操作工可以在电控柜与换刀架中间的位置操纵机床。拟应用密烘铸铁、加强筋保证数控机床的静/动态刚性，机床底座上方的翻转板与回转台的组成设计为双层结构保证工件加工的灵活性。同时该布局下机床的主轴结构较为简单，且制造成本较低，为便于机床的装配维护和养护，将驱动单元、导轨、缆线等传动部件设计在工件加工区域之外。
3机床部件结构设计
3.1支撑部件
3.1.1底座结构
底座是六轴联动数控机床的基础，在底座的上方设有基板，立柱，横梁等组件。底座主要用于支撑机床的整体，承受机床工件加工过程中所产生的动力载荷，所以底座结构的稳定性最为重要，对此将机床底座结构设计为箱体结构，同时为保证机床在工件加工过程中的稳定性设计将底座的内部搭建框架，形成一个箱体的空巢结构，空巢空位具备存储功能，可供存放切削液与润滑油。底座下方与地面的接触应用了六角螺栓，底座的上方设置了基板，基板与箱体相连接，同时基板上方固定了Y轴方向的进给传动装置和刀具更换装置。
3.1.2立柱和横梁结构
机床加工中心的立柱与横梁主要的作用为支撑机床的传动部件运动，满足机床的运动需求。立柱所应用的常见材质为HT300，此种材质的强度、耐磨性以及耐热性能够满足机床运动需求，同时具备良好的减振性。部分机床设计应用HT200与HT250作为立柱的制作材质，设计者可以结合机床的工件加工需求酌情而定。因立柱连接了机床的床身与机床的主轴、刀库等重要结构，所以需要重视立柱的设计。正确安装立柱能够保证机床加工中心产出合格的工件，立柱安装的重点主要反映在与机床加工中心工作台的垂直度上，拟机床立柱的结构为正方形封闭式结构，除节省制造材料提升机床设计方案经济性的基础上，还能够保证机床的总体重量。
拟机床加工中心的横梁结构为常规的长方形厚板，厚板的表面积较大，同时在横梁的底部设置了加强板，能够在一定程度上提升横梁的抗弯强度，横梁上方主要用于装配机床X方向的进给传动装置，横梁与立柱之间连接可形成一个框架结构，立柱与立柱之间设计以短柱连接，当该结构受热发生微变形，可保证变形的对称性，降低结构受热变形对工件加工的影响。横梁上方结合其他结构需求设有装配孔。
3.1.3工作台结构
机床工作台的设计过程中拟将工作台设计成为双层叠加的结构，一方面，保证Z轴与X轴旋转两个方向的自由度，另一方面，缩小工作台占用整体机床的空间，增强机床机型的紧凑性。工作台固定在底座的基板上，涵盖多个结构，其中电机、翻转板、回转工作台等均被固定安装在固定板上，左侧电机控制C轴做回转运动，中间位置的电机控制Z轴做旋转运动。
3.1.4导轨结构
机床的导轨主要作用为导向、支撑，导轨结构需与立柱横梁等机床的支撑部件、主轴箱、刀架等执行部件相匹配。导轨结构对于机床整体的刚度与精度存在直接影响，研究拟应用直线滚动导轨作为六轴联动数控机床的导轨。
3.2主轴部件
机床的主轴部件整体安装在横梁结构上，在横梁上固定有X向导轨、丝杠以及驱动电机，在Z轴固定板上固定有竖直方向进给的电机、丝杠与电主轴。通过控制主轴摆动电机可以实现主轴绕Y轴摆动，同时各个坐标轴的进给运动在机械部件与传动杆方面均相互独立。
4机床部件选型
4.1电主轴选型
选用电主轴作为机床的主轴，内装式电机将直接驱动主轴做切削运动，从而省去一系列中间传动装置提升机床整体的紧凑性。电主轴基本参数：型号80HNZ14Z1.5；转速24000r/min；功率1.5kW；电压220V；直径80mm；长度388mm；打刀方式气动；精度锥孔调动＜3；轴端链接ISO20；轴承7006CP4X2、7002CP4X2。
4.2电机选型
电机基本参数：①X/Y/Z。型号规格130MB150C-701000、额定功率1.5kW、额定转矩4.78N·m、额定转速3000 r/min、额定电流6.41A；②A/B/C。型号规格130MB150C-701000、额定功率1.0kW、额定转矩9.55N·m、额定转速1000r/min、额定电流4.1A。
4.3导轨选型
X/Y轴方向导轨选择HG系列的直线导轨，导轨的宽度为20mm，X轴方向导轨的长度为1250mm，Y轴方向导轨的长度为1450mm；Z轴方向导轨选择HG系列的直线导轨，导轨的宽度、长度分别为20mm、525mm。
5机床可视化建模
Solidworks软件是现阶段机械设计制造领域较为领先的三维应用软件，该软件具备易学易用、功能强大的优势，能够帮助设计者减少设计过程中出现的错误，提升机械结构设计的质量。该软件能够为用户提供清晰、直观的中文Windows界面，绘图清楚，快速建立结构特征，与此同时该软件还具有钣金、焊接、静力分析、产品可视化组装等诸多功能，将其应用于六轴联动数控机床结构设计中能够实现机床机械结构的可视化。应用Solidworks软件进行六轴联动数控机床结构建模。
6机床固定结构动态特性分析
为了解研究所设计的六轴联动数控机床固定结构的刚度与受力变形情况，研究选取了立柱和横梁作为机床结构动态特性分析的切入点，立柱和横梁是机床的主要受力元件，其刚性是否充足对于机床工件加工的精度存在直接影响。对此，需基于ANSYS软件15.0版本对虚拟样机的主要部件“立柱和横梁”进行分析，该软件是一款有限元软件，支持应力分析、热分析等各种物理场景分析，经过多年的迭代升级，15.0版本的并行分网功能能够对机床各结构的零件进行网格划分，提升机床仿真效率。
与此同时15.0版本能够实现螺栓螺纹的快速分析，在机床机械结构设计的过程中无需构建详细的几何模型，能够有效的减少计算时间。六轴联动数控机床设计的主要目标是用于复杂曲面工件的精加工，相较于粗加工的工件而言背吃刀量要素应选择得小一些，本节拟工件材料为高碳钢，应用与之相同材质的合金刀具进行切削，分析在5种工况下机床的转速与功率情况。
5种工况下（K1-K5），刀具直径D（mm）分别为24、20、18、16、14。齿数z为3。切削速度Vc（m/min）为160。主轴转速N（1/min）分别为1990、2388、2654、2985、3411。每齿进给量fz（mm）为0.5。校核平均切削厚度ae/D＜30%hm（mm）分别为0.178、0.195、0.205、0.218、0.232。校核平均切削厚度ae/D＜30%hm（mm）为0.5。切削深度ap（mm）为2.9。切削宽度Ae（mm）为3。进给量Vf（mm）分别为2984.16、3590.98、3978.86、4476.22、5115.68。可用功率系数为0.9。所需功率Pmot（kW）分别为0.64、1、1.11、1.25、1.50。所需扭矩Mc（N.m）分别为3.012、3.966、3.966、3.966、4.166。
在K1-K5工况中，K5给定的切削条件所需机床功率最大，等于六轴联动数控机床的全功率值1.5kW，根据切削力公式F=可以获知K5的切削力为536.51N，将该数据作为基础对机床的动态特性进行分析，将机床的切削力取值范围设定为536.51N～1000N之间。
在六轴联动数控机床工件加工的过程中立柱和横梁主要承重两种载荷，其一为均布载荷，该载荷主要来源于横梁、机床的主轴箱体以及横梁上方所固定的诸多进给传动装置；其二为集中载荷，该载荷主要来源于机床切削工件过程中所产生的载荷。设置横梁的材料为HT300、弹性模量为1.43e5Mpa、密度为7.3e-9T/mm3、为0.25，构建虚拟立柱和横梁样品，基于ANSYS软件15.0版本对立柱和横梁的应力、应变分析。发现在机床常态化工作载荷的条件下，横梁与四立柱连接处、横梁中间部位的应力与应变最大，最大应力为2.375MPa、最大变形量为1.2595×10-5mm，立柱和横梁的应力应变量较小，对实际的工件加工精度影响极小，可以忽略不计。
7结语
综上所述，本文在简介六轴联动数控机床导轨的同时设计了一套机床的总体结构方案，进行了数控机床各部件选型，同时利用相应的机械结构设计软件模拟了六轴联动数控机床的动态特性。通过对立柱和横梁有限元的分析发现，研究所设计的六轴联动数控机床具备足够的刚性，能够满足机床加工工件的需求。但导轨的误差对于机床工件加工的精度存在一定的影响，所以在该机床正式投入生产之前，还应对导轨的精度进行有限元分析，进一步提升六轴数控机床机械结构设计方案的可行性。
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