基于CAD与NC加工验证的五轴加工中心的设计

　　本文以立、卧两种复合型( 转台+ 摆头) 五轴加工中心为研究对象，详细分析、总结出融合CAD 平台( Inventor& Solidworks) 与数控加工验证平台( Vericut) ，并采取双向关联方式，分析五轴加工中心计算机辅助设计的方法、原理及工作流程。这些原理与方法，是具备普遍性和实用性的，可被各类高端数控机床设计与制造者借鉴，以改善其相关设计与生产工作的质量、效率及成本目标。

　　当前，我国的制造业正在不断地向高柔性、高精度、高技术密集方向发展，作为高端制造装备的五轴加工中心，日渐成为不少数控机床设计与制造企业新的研制、开发、推广目标，也是未来很长一段时间内，该类公司的新利润增长点; 同时各类机械加工生产企业，对这类高端机床的需求欲望也日益强烈。

　　从机床设计、制造角度看，五轴加工中心相对于普通三轴、四轴加工中心而言，其结构布局更加复杂，CNC 配置更加灵活。其机械本体与所用CNC 之间的整体协调性，机床静态布局与其动态位姿匹配则是总体设计阶段首先要解决好的问题。为此，笔者研究了各类计算机辅助设计( CAD) 平台和数控加工验证平台，提出了一种融合两方面技术，实现五轴加工中心高效率、高质量研发的方法。

　　1、五轴加工中心的特点及总体设计工作

　　1.1、五轴加工中心类型

　　所谓加工中心的五轴，是指3 个移动轴( X /Y /Z)和两个转动轴( A /B /C 中任意两个) 。不同转动轴的组合方式，就形成了不同的五轴加工中心类型; 不同的类型，其总体性能特点和适用范围也不相同。从两个转动轴所依附的机械本体而言，可以把五轴加工中心大致分为3 种基本型: ( 1) 两个转动轴都由工作台来完成; ( 2) 两个转动轴都由主轴来完成;( 3) 混合方式———一个转动轴由工作台完成，另一个转动由主轴来完成。进一步考虑A /B /C 以及主轴的立、卧方式，可以细分出更多具体的配置方式。不同的配置方式，各有不同的优缺点。

　　考虑到第3 种类型———混合方式，具备第1、2 两种类型的一些共同特性: 高刚度和大行程，可以实现重载与高速数控加工。因此，本文以第3 种基本型———混合( 复合) 型，并结合立、卧两类布局，详细说明融合CAD 技术和数控加工后置验证技术，分析五轴加工中心总体设计的基本原理和方法。

　　1.2、五轴加工中心总体布局CAD

　　由于历史沿袭和使用习惯原因，国内不同地域、不同企业使用的CAD 平台，各不相同。从低端专用产品设计软件包到集大成的Catia 不等，但其中，计算机辅助产品开发的基本原理是相同的，即: 从市场需求中获取产品工程特征要素，把这些工程要素，转换成产品总体特征模型; 对该总体模型进行可行性、可靠性、技术经济性等初步评估( 也称产品概念设计) ; 结合手工分析和各个层次的CAE 技术，包括使用产品各个层级的数字样机技术，进行产品各个次级零部件细化设计( CAD 过程中，特征信息不断地被传递、升级、完善) ，此细化过程中实质是融合DFX( Design for Manufacturing，Design for Assembly，Design for Dismantle…) 理念的并行设计; 数字样机被验证无误之后，便是物理样机的试制、评估、量产、市场反馈、更新……不断迭代升级而使产品持续地被完美化。显而易见，这一复杂过程中，产品的总体设计起着统领全局的关键作用。对于五轴加工中心这类高端产品而言，更是如此。现以Inventor和Solidworks 两个CAD 平台中，进行立、卧两种混合型五轴加工中心总体布局设计为例，分析说明其中的关键问题。

　　2、结论与展望

　　对于五轴加工中心这类高端制造装备而言，无论是设计与制造者，还是终端用户，都需要借助计算机辅助技术，来改善其在与此类产品相关生产活动中的质量、效率、成本目标。本文，从机床设备设计与制造者角度出发，以混合型五轴加工中心研发工作为研究对象，分析、阐述了在不同CAD 平台( Inventor 和Solidworks)中进行五轴加工中心总体设计以及在专业数控加工验证平台( Vericut) 进行机床运行验证的基本方法、工作原理和流程。结果证明: 五轴加工中心机械本体与其配套CNC 间，协调性上的困惑; 机床自身各个零部件间，布局合理性中的疑问，都可以非常快捷而准确地被判断并解决。高端数控机床设计与制造者可以在其习惯使用的CAD 平台，借助这些通用原理与方法，来改善其五轴加工中心的设计与制造工作。五轴加工中心进一步的设计工作中，可以把数控加工运行验证中的运动信息输出到CAE 平台，而在CAE 平台内，可以结合CAD 平台的详细工程特征信息，进行加工中心运动学与动力学方面的实时分析; 还可以使用FEA 方法，对机床各个零部件的物理、机械性能进行定性和定量判断。另外，五轴加工中心的设计与制造者，也可以把加工中心总体布局几何模型，提供给该类机床的终端用户，以方便其在机床使用过程中各个具体的数控程序的后置验证工作。