本文以立、臥兩種復(fù)合型( 轉(zhuǎn)臺+ 擺頭) 五軸加工中心為研究對象，詳細(xì)分析、總結(jié)出融合CAD 平臺( Inventor& Solidworks) 與數(shù)控加工驗證平臺( Vericut) ，并采取雙向關(guān)聯(lián)方式，分析五軸加工中心計算機(jī)輔助設(shè)計的方法、原理及工作流程。這些原理與方法，是具備普遍性和實用性的，可被各類高端數(shù)控機(jī)床設(shè)計與制造者借鑒，以改善其相關(guān)設(shè)計與生產(chǎn)工作的質(zhì)量、效率及成本目標(biāo)。
當(dāng)前，我國的制造業(yè)正在不斷地向高柔性、高精度、高技術(shù)密集方向發(fā)展，作為高端制造裝備的五軸加工中心，日漸成為不少數(shù)控機(jī)床設(shè)計與制造企業(yè)新的研制、開發(fā)、推廣目標(biāo)，也是未來很長一段時間內(nèi)，該類公司的新利潤增長點; 同時各類機(jī)械加工生產(chǎn)企業(yè)，對這類高端機(jī)床的需求欲望也日益強烈。
從機(jī)床設(shè)計、制造角度看，五軸加工中心相對于普通三軸、四軸加工中心而言，其結(jié)構(gòu)布局更加復(fù)雜，CNC 配置更加靈活。其機(jī)械本體與所用CNC 之間的整體協(xié)調(diào)性，機(jī)床靜態(tài)布局與其動態(tài)位姿匹配則是總體設(shè)計階段首先要解決好的問題。為此，筆者研究了各類計算機(jī)輔助設(shè)計( CAD) 平臺和數(shù)控加工驗證平臺，提出了一種融合兩方面技術(shù)，實現(xiàn)五軸加工中心高效率、高質(zhì)量研發(fā)的方法。
1、五軸加工中心的特點及總體設(shè)計工作
1.1、五軸加工中心類型
所謂加工中心的五軸，是指3 個移動軸( X /Y /Z)和兩個轉(zhuǎn)動軸( A /B /C 中任意兩個) 。不同轉(zhuǎn)動軸的組合方式，就形成了不同的五軸加工中心類型; 不同的類型，其總體性能特點和適用范圍也不相同。從兩個轉(zhuǎn)動軸所依附的機(jī)械本體而言，可以把五軸加工中心大致分為3 種基本型: ( 1) 兩個轉(zhuǎn)動軸都由工作臺來完成; ( 2) 兩個轉(zhuǎn)動軸都由主軸來完成;( 3) 混合方式———一個轉(zhuǎn)動軸由工作臺完成，另一個轉(zhuǎn)動由主軸來完成。進(jìn)一步考慮A /B /C 以及主軸的立、臥方式，可以細(xì)分出更多具體的配置方式。不同的配置方式，各有不同的優(yōu)缺點。
考慮到第3 種類型———混合方式，具備第1、2 兩種類型的一些共同特性: 高剛度和大行程，可以實現(xiàn)重載與高速數(shù)控加工。因此，本文以第3 種基本型———混合( 復(fù)合) 型，并結(jié)合立、臥兩類布局，詳細(xì)說明融合CAD 技術(shù)和數(shù)控加工后置驗證技術(shù)，分析五軸加工中心總體設(shè)計的基本原理和方法。
1.2、五軸加工中心總體布局CAD
由于歷史沿襲和使用習(xí)慣原因，國內(nèi)不同地域、不同企業(yè)使用的CAD 平臺，各不相同。從低端專用產(chǎn)品設(shè)計軟件包到集大成的Catia 不等，但其中，計算機(jī)輔助產(chǎn)品開發(fā)的基本原理是相同的，即: 從市場需求中獲取產(chǎn)品工程特征要素，把這些工程要素，轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品總體特征模型; 對該總體模型進(jìn)行可行性、可靠性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等初步評估( 也稱產(chǎn)品概念設(shè)計) ; 結(jié)合手工分析和各個層次的CAE 技術(shù)，包括使用產(chǎn)品各個層級的數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品各個次級零部件細(xì)化設(shè)計( CAD 過程中，特征信息不斷地被傳遞、升級、完善) ，此細(xì)化過程中實質(zhì)是融合DFX( Design for Manufacturing，Design for Assembly，Design for Dismantle…) 理念的并行設(shè)計; 數(shù)字樣機(jī)被驗證無誤之后，便是物理樣機(jī)的試制、評估、量產(chǎn)、市場反饋、更新……不斷迭代升級而使產(chǎn)品持續(xù)地被完美化。顯而易見，這一復(fù)雜過程中，產(chǎn)品的總體設(shè)計起著統(tǒng)領(lǐng)全局的關(guān)鍵作用。對于五軸加工中心這類高端產(chǎn)品而言，更是如此。現(xiàn)以Inventor和Solidworks 兩個CAD 平臺中，進(jìn)行立、臥兩種混合型五軸加工中心總體布局設(shè)計為例，分析說明其中的關(guān)鍵問題。
2、結(jié)論與展望
對于五軸加工中心這類高端制造裝備而言，無論是設(shè)計與制造者，還是終端用戶，都需要借助計算機(jī)輔助技術(shù)，來改善其在與此類產(chǎn)品相關(guān)生產(chǎn)活動中的質(zhì)量、效率、成本目標(biāo)。本文，從機(jī)床設(shè)備設(shè)計與制造者角度出發(fā)，以混合型五軸加工中心研發(fā)工作為研究對象，分析、闡述了在不同CAD 平臺( Inventor 和Solidworks)中進(jìn)行五軸加工中心總體設(shè)計以及在專業(yè)數(shù)控加工驗證平臺( Vericut) 進(jìn)行機(jī)床運行驗證的基本方法、工作原理和流程。結(jié)果證明: 五軸加工中心機(jī)械本體與其配套CNC 間，協(xié)調(diào)性上的困惑; 機(jī)床自身各個零部件間，布局合理性中的疑問，都可以非常快捷而準(zhǔn)確地被判斷并解決。高端數(shù)控機(jī)床設(shè)計與制造者可以在其習(xí)慣使用的CAD 平臺，借助這些通用原理與方法，來改善其五軸加工中心的設(shè)計與制造工作。五軸加工中心進(jìn)一步的設(shè)計工作中，可以把數(shù)控加工運行驗證中的運動信息輸出到CAE 平臺，而在CAE 平臺內(nèi)，可以結(jié)合CAD 平臺的詳細(xì)工程特征信息，進(jìn)行加工中心運動學(xué)與動力學(xué)方面的實時分析; 還可以使用FEA 方法，對機(jī)床各個零部件的物理、機(jī)械性能進(jìn)行定性和定量判斷。另外，五軸加工中心的設(shè)計與制造者，也可以把加工中心總體布局幾何模型，提供給該類機(jī)床的終端用戶，以方便其在機(jī)床使用過程中各個具體的數(shù)控程序的后置驗證工作。
